1、計算機組成原理實驗課程計算機組成原理實驗課程 實驗四實驗四 指令系統實驗指令系統實驗實驗目的：實驗目的：1. 讀出系統已有的指令，并理解其含義。2. 設計并實現一條新指令。教學目標教學目標1. 了解指令結構、PC寄存器的功能和指令系統的基本工作原理。2. 學習設計指令的方法。一一. .背景知識（背景知識（1 1）1. 1. 微程序和機器指令：微程序和機器指令： 通過前三次實驗知道：一個計算機系統的硬件制作好以后，它的最基本操作就確定了，即它的微指令系統就確定了。 必須有序地有序地使用一系列微指令才能完成一個實際需要的操作。在這些“需要”的操作中，有一部分是使用頻度很高，而且數條微指令即可完成的

2、簡單操作，為方便使用，系統就把這部分簡單操作的微指令序列序列固定下來，存放在一個快速存儲器中，這些微指令序列稱為“微程序”，這個快速存儲器就是微程序存儲器。 顯然，一條微指令是最簡單的微程序。 于是，用戶在使用計算機時就以“微程序”為單位來排序簡單操作，達到解決實際復雜操作的目的。采用這種“硬件使用方式”的計算機系統就叫微程序結構系統，調用微程序的方式就稱為“機器指令”或“指令”。 2. 2. 實驗箱的機器指令系統：實驗箱的機器指令系統： 實驗箱每條（機器）指令都為4條微指令長度（等長結構），當實際需要的微指令數量不足4條時用無效指令FFFFFFH補齊。最后一條有效微指令一定是PC輸出微指令，

3、以執行下一條指令。 所有指令的微程序頭尾相接地存放在微程序存儲器EM中。于是，每個微程序的起始地址（也叫入口地址）的最后兩位一定為00。因此，上次課介紹的圖2中上部161的P0和P1接地，IBUS不需要0號和1號線。 同時，這個地址就自然的成為這條（機器）指令的二進制數表達形式，它就是指導書87頁表中的“機器碼1”。這個機器碼將按用戶程序的編寫順序存放在“指令存儲器”EM中，等待PC寄存器的調用。 一一. .背景知識（背景知識（2 2）P0 Q0P1 Q1P2 Q2P3 Q3CEP CET CLKPE TCMRIBUS 2IBUS 3Ck IRENRSTVccP0 Q0P1 Q1P2 Q2P3

4、 Q3CEPCET CLKPE TC MRIBUS 6IBUS 7IBUS 4IBUS 5161161圖 2一一. .背景知識（背景知識（3 3）3. 3. 實驗箱機器指令系統的布線：實驗箱機器指令系統的布線：a)EMa)EM布線和布線和IBUSIBUS信號的生成：信號的生成：RAM6116送出的數據總上IBUS去尋址M微程序存儲器。低兩位去尋址寄存器R0R3，形成 101頁表中的“機器碼1的最后2位”。A0 D0 D1A7A8 D2 A10 D7GW EA0 B0 B1A2A3 B2 A5 B7A6A7 EDIRA0 B0 A7 B7DIREVcc2452456116ABUS07 EMRDE

5、MWR CK EMENDBUS07IBUS27 SB SA ICOE圖1. EM原理圖ICOE=0時送出中斷類型碼B8H當EMEN0時數據總線與RAM6116的數據口接通，EMRD=0時讀出數據；EMWR=0時寫入數據。二者不能同時為0。 ABUS的數據來自PC（取指令）或MAR（讀寫數據）當來自MAR時，EMEN0，則數據通過上邊的245送上數據總線，這時系統使PC的IREN1，所以IBUS上的值不影響PC。一一. .背景知識（背景知識（4 4）3. 3. 實驗箱機器指令系統的布線：實驗箱機器指令系統的布線：b)PCb)PC布線和布線和ABUSABUS信號的生成：信號的生成：PCOE=0時，

6、CK上升沿使PC寄存器的值加1，并立即通過下部的245送上地址總線(ABUS)，去尋址指令寄存器EM。這是PC的主功能。LDPC=0時，CK上升沿將數據總線(DBUS)的值打入PC。PCOE-D=0時，PC值立刻送上數據總線。可以通過打入操作再進入PC。RST0時，使PC清0。 A0 B0 A3 B3 A4 B4 A7 B7EDIR245DBUS03ABUS07P0 Q0 P3 Q3CEPCET CLKPE TCMRP0 Q0 P3 Q3CEPCET CLKPE TCMRA0 B0 A3 B7 A4 A7 EDIR245VccVccDBUS47 CK LDPC RST PCOE-D PCOE圖

7、2. PC原理圖161161一一. .背景知識（背景知識（5 5）4. 4. 實驗箱機器指令系統的工作原理：實驗箱機器指令系統的工作原理： 一條指令的執行是從PC開始，PC通過地址總線(ABUS)發送一個指令在程序存儲器的地址到EM，EM把ABUS選定的存儲單元的值(指令的二進制數形式)的高6位通過IBUS送PC，低兩位送SA和SB，PC收到的6位值就是這條指令的微程序人口地址的高6位，PC據此生成EM的地址，并通過PC 總線送到EM，EM把PC值選定單元的24位值送上控制總線CBUS，完成第一條微指令的功能；同時PC 加1，輸出這條指令的第二條微指令，直到執行一條“取指令”微指令，則PC加1

8、。開始執行下一條指令。一一. .背景知識（背景知識（6 6）5. 5. 實驗箱實驗箱PCPC的打入的打入原理：原理： 一條指令執行完畢PC會自動加1，系統順序執行下一條指令，但系統要進入一個新的指令序列時，如跳轉、轉子程序等，必須給PC打入新的起始值新指令序列的入口地址。實驗箱用圖3的電路實現把數據總線的值(目標地址)打入PC的操作，以更新PC值。圖中151是8選1輸出器，選擇功能如表1。 表表1 151選擇表選擇表 C B A ELP IR3 IR2ZLDPC0 0 00 0 10 1 00 1 11 X XCyZ001I0I1 ZI2 I3 ZI4I7A EBC Z Cy LDPC Vcc

9、 IR3 IR2 ELP 151 圖3. PC打入電路由表1可知：當ELP1時，LDPC1，無效，PC的值不會被修改。當ELP0 0時，PC分三種情況被修改：IR3、IR200，Cy(進位標志)有效則修改PC；IR3、IR201，Z(0標志)有效則修改PC； IR3、IR210和11，無條件修改PC。圖圖4. 程序存儲器模式的操作方法一一. .背景知識（背景知識（7 7）6. 6. 程序存儲器模式下的操作：程序存儲器模式下的操作：在這個模式下可以觀察和修改程序存儲器的內容，實現把一個指令放在指定地址的存儲單元中，然后用PC輸出這個地址，使這個指令運行。操作方法如圖4所示。 二二. . 實驗任務

10、實驗任務 1. 考察機器指令考察機器指令64的各微指令信號，驗證該指令的功能。的各微指令信號，驗證該指令的功能。 (假設假設R0=77H, A=11H, 77地址單元存放地址單元存放56H數據數據,64指令指令的下一條指令為的下一條指令為E8) 2. 修改機器指令修改機器指令E8，使其完成，使其完成“輸出輸出AW的結果左移一的結果左移一位后的值到位后的值到OUT”操作。操作。 三三. 實驗過程舉例實驗過程舉例 實驗任務：查看指令F8的各微指令的編碼，推斷F8的功能，然后將其改為：“AINCy”后右移一位的值送OUT。 1、查看指令F8的各微指令的編碼 由于指令(最低2位置0)是其微程序的入口地

11、址,所以在EM中,在Adr字段送入F8,按NX鍵,可查看其對應的微指令。 可以看到指令F8對應的各微指令碼為：CBFFFF、FFFFFF、FFFFFF和FFFFFF。 由控制總線功能對應表可知：FFFFFF微指令是無操作，CBFFFF是EMRD、PCOE 和IREN三條控制線有效。 由圖2知：PCOE0則PC1，并立即送上ABUS，即執行EM的下一個單元中的機器指令讀指令操作。而 EMRD0是讀出EM的數據，IREN0是把讀出的EM數據打入指令寄存器IR和微指令計數器PC。三者同時有效正是讀出下一條指令并立即執行。 提示：執行完“取址”（CBFFFFF）后，將執行下一條指令。所以后續的三條微指

12、令將不被執行。 2. 分解任務： 由于運算器只有AWCy的操作，所以第一步要把IN的內容送W；第二步完成AWCy；并把“右移一位的值送OUT”；第三步完成取指令。3. 編制微指令： 由“控制總線功能對應表”，Ci： C23 C22 C21C20 C19 C18 C17 C16功能：XRD EMWR EMRD PCOE EMENIREN EINT ELP C15 C14 C13 C12 C11 C10 C9 C8 MAREN MAROE OUTEN STEN RRD RWR CN FEN C7 C6 C5 C4 C3 C2 C1 C0 X2 X1 X0 WEN AEN S2 S1 S0可確定這四

13、步基本操作的微指令碼為： FFFF0F FFDEBC CBFFFF FFFFFF 4. 操作: A. 在程序存儲器EM模式下,將F8指令送入某個地址單元(如A0單元),則在Adr下打入A0, DB下打入F8。 B.在微程序存儲器EM模式下，輸入此指令對應的四條微指令，即在Adr下打入F8,MH、MM、ML下打入FFFF0F；按NX鍵進入F9地址，打入FFDEBC，FA為CBFFFF，FB為FFFFFF。 C.在內部寄存器pc模式下賦值、執行 給pc打入值 (如00（任意取指指令）)， PC（A0），A（11）， W IN：22H（K16-K23）， 第一步取指 (STEP) 取指令F8 第二步實現功能（STEP） IN送W（22） 第三步實現功能 (STEP) A（11）+W（22）+C