CPU 与简单模型机设计实验

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实验报告

实验名称：CPU 与简单模型机设计实验日期：2015.11.17 班级：10011302 学号：201302513 姓名：周小多

一、实验目的：

1. 掌握一个简单CPU 的组成原理。

2. 在掌握部件单元电路的基础上，进一步将其构造一台基本模型计算机。

3. 为其定义五条机器指令，编写相应的微程序，并上机调试掌握整机概念。

二、实验内容：

1.

要实现一个简单的CPU，并且在此CPU 的基础上，继续构建一个简单的模型计算机。

CPU 由运算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0），指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）组成,如图2-1-1 所示。这个CPU 在写入相应的

微指令后，就具备了执行机器指令的功能，但是机器指令一般存放在主存当中，CPU 必

须和主存挂接后，才有实际的意义，所以还需要在该CPU 的基础上增加一个主存和基本

的输入输出部件，以构成一个简单的模型计算机。

2.

本模型机和前面微程序控制器实验相比，新增加一条跳转指令JMP，共有五条指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），HLT（停机），

其指令格式如下（高４位为操作码）：

助记符机器指令码说明

IN 0010 0000 IN→R0

ADD 0000 0000 R0 + R0→R0

OUT 0011 0000 R0→OUT

JMP addr 1100 0000 addr→ PC

HLT 0101 0000 停机

3. 设计一段机器程序，要求从IN 单元读入一个数据，存于R0，将R0 和自身相加，结

果存于R0，再将R0 的值送OUT 单元显示。根据要求可以得到如下程序，地址和内容均

为二进制数。

地址内容助记符说明

00000000 00100000 ; START: IN R0 从IN 单元读入数据送R0

00000001 00000000 ; ADD R0,R0R0 和自身相加，结果送R0

00000010 00110000 ; OUT R0R0 的值送OUT 单元显示

00000011 11100000 ; JMP START跳转至00H 地址

00000100 00000000

00000101 01010000 ; HLT停机

三、项目要求及分析：

1. 试修改现有的指令系统，将加法指令的功能修改为R0的内容和某个存储单元的内容相加;增加存数、取数和减法三条机器指令，指令助记符分别为STA、LAD 和SUB，指令操作码分别为十六进制的60、70和80。

<1>R0和某个存储器相加，R0是可以直接读进来的，R0和另一个存储单元内容相加，如果两个值都是读入的话，就要将一个放在R0中，可以直接读入，另一个放存在储单元。可以先将值读入到R0 中，在将R0保存到其他的存储单元中，进行加法时从存储单元中取出放在临时寄存器中，这样是两个寄存器相加减就可以。

具体步骤：1）将R0中的数据送ALU中的A； 2）给出另一个数在内存中的地址；

3）从内存中取出相应的数据并送ALU中的B； 4）进行加法运算并将结果送R0。

<2>对于增加存数、取数和减法三条机器指令，

存数指令STA具体操作过程如下：

1）从IN读入数据要存储的地址；

2）将地址送至AR；

3）从IN读入要存储的数据；

4）将数据送入内存中的相应存储单元。

对于取数指令LAD具体操作过程如下：

1）从IN读入数据的存储地址；

2）将存储地址送至AR；

3）将取出的数据送至R0

减法指令的具体操作过程如下：

1）将被减数送至ALU的Ａ；

2）将减数送至ALU的Ｂ；

3）ALU进行减法操作，结果送R0；

2.利用修改后的指令系统编写一段程序，完成十六位二进制数的加减法运算。

。

答：十六进制比八进制多了一半，该内容利用的指令系统，编写相应的程序。

可以先将两个十六位的二进制数的高八位和低八位分别存入不同的地址，然

后先取出两个数低八位进行相加，送至OUT单元显示，进位进行存储；再进

行两个数低八位相加，结果在数据总线出显示。

四、具体实现：

微程序设计流程图：

微代码

$M 00 000001 ; NOP

$M 01 006D42 ; PC->AR,PC加1

$M 02 107073 ; MEM->IR, P<1>

$M 11 006412 ; pc->ar,PC++

$M 12 183013 ; mem->ar

$M 13 200401 ; mem->b

$M 15 006416 ; alu->r0 加法

$M 16 103001 ; pc->ar,PC++

$M 17 183018 ; mem->ar

$M 18 006419 ; mem->b

$M 19 102005 ; alu->r0 减法

$M 1D 105141 ; mem->ar

$M 2C 18302D ; R0->MEM STA

$M 2D 00642E ; m->ar

$M 2E 10202F ; m->r0 LAD

$M 2F 05B201 ; m->pc JMP PC++

$M 30 001417 ; R0->A 加法

$M 32 183001 ; R0->A 减法

$M 33 280401 ; pc->ar ,PC++ 置ro [AR]->R0 LAD

$M 35 000035 ; STA:PC->AR,PC++,mem->ar,R0->MEM(AR)

$M 36 183011 ; IN->R0 输入IN

$M 37 183015 ; R0->OUT 输出OUT

$M 38 00142C ; pc

$M 3C 006D5D ; pc->ar JMP

<2>利用修改后的指令系统编写一段程序，完成十六位二进制数的加减法运算。

以下的一段程序用于实现两个16位二进制数的加法，其思想为高位和低位分别对应相加，将低位的进位给高位，减法同理。结果的低八位在OUT单元显示，高八位数据在数据总线显示，最高位的进位忽略。

$P 00 60 STA 存加数的低八位

$P 01 60 STA 存被加数的低八位