1、實驗七 基本模型機的設計與實現一、實驗目的1、在掌握部件單元電路實驗的基礎上，進一步將其組成系統以構造一臺基本模型實驗計算機。2、設計五條機器指令，并編寫相應的微程序，具體上機調試，掌握整機軟硬件組成概念。二、實驗內容1、實驗原理部件實驗過程中，各部件單元的控制信號是人為模擬產生的，而本次實驗將能在微程序控制下自動產生各部件單元控制信號，實現特定指令的功能。這里，實驗計算機數據通路的控制將由微程序控制器來完成，CPU從內存中取出一條機器指令到指令執行結束的一個指令周期全部由微指令組成的序列來完成，即一條機器指令對應一個微程序。有關微控制器部分在前一實驗中已詳細介紹 主存儲器的讀、寫和運行為了向

2、主存儲器RAM中裝入程序或數據，并且檢查寫入是否正確以及能運行主存儲器中的程序，必須設計三個控制操作微程序。·存儲器讀操作：撥動總清開關后，置控制開關SWC、SWA為“0 0”時，按要求連線后，連續按“啟動運行”開關，可對主存儲器RAM連續手動讀操作。·存儲器寫操作：撥動總清開關后，置控制開關SWC、SWA為“0 1”時，按要求連線后，再按“啟動運行”開關，可對主存儲器RAM進行連續手動寫入。·運行程序：撥動總清開關后，置控制開關SWC、SWA為“1 1”時，按要求連線后，再按“啟動運行”開關，即可轉入到第01號“取址”微指令，啟動程序運行。 上述三條控制指令用兩

3、個開關SWC、SWA的狀態來設置，其定義如下：SWCSWA控制臺指令001011讀內存寫內存啟動程序 指令寄存器介紹指令寄存器用來保存當前正在執行的一條指令。當執行一條指令時，先把它從內存取到緩沖寄存器中，然后再傳送到指令寄存器。指令劃分為操作碼和地址碼字段，由二進制構成，為了執行任何一條給定的指令，必須對操作碼進行測試P(1)，通過節拍脈沖T4的控制以便識別所要求的操作。“指令譯碼器”根據指令中的操作碼進行譯碼，強置微控器單元的微地址，使下一條微指令指向相應的微程序首地址。 輸入/輸出設備本系統有兩種外部I/O設備，一種是二進制代碼開關KD0KD7，它作為輸入設備INPUT；另一種是數碼顯示

4、塊，它作為輸出設備OUTPUT。例如：輸入時，二進制開關數據直接經過三態門送到外部數據總線上，只要開關狀態不變，輸入的信息也不變。輸出時，將輸出數據送到外部數據總線上，當寫信號（W/R）有效時，將數據打入輸出鎖存器，驅動數碼塊顯示。 設計指令根據基本模型機的硬件設計五條機器指令：外設輸入指令IN、二進制加法指令ADD、存數指令STA、輸出到外設指令OUT、無條件轉移指令JMP。指令格式如下：助記符 機器指令碼說明IN 00000000 ； “外部開關量輸入”K70KD0的開關狀態R0ADD addr0001 0000 XXXXXXXX； R0+addrR0STA addr 00100000 X

5、XXXXXXX； R0addrOUT addr 00110000 XXXXXXXX； addrBUSJMP addr01000000 XXXXXXXX； addrPC說明：指令IN為單字節指令，其余均為雙字節指令， XXXXXXXX為addr對應的主存儲器二進制地址碼。 基本模型機監控軟件的設計本模型機監控軟件主要完成從輸入設備讀入數據，進行簡單算術運算后，將結果存入內存的某個單元，最后通過輸出設備輸出結果。監控軟件詳細如下：地址 內容 助記符 說明00000000 00000000IN；“INPUTDEVICE”R000000001 00010000ADD0AH； R00AHR0000000

6、10 0000101000000011 00100000STA0BH； R00BH00000100 0000101100000101 00110000OUT0BH； 0BHBUS00000110 0000101100000111 01000000JMP00H ；00HPC00001000 000000000000100100001010 00000001；自定義參加運算的數00001011 ；求和結果存放單元2、實驗步驟 根據實驗原理設計數據通路框圖，如圖312。 根據機器指令畫出對應的微程序流程圖本實驗的微程序流程見圖313，當擬定“取指”微指令時，該微指令的判別測試字段為P（1）測試。由于

7、“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P（1）的測試結果出現多路分支。本機用指令寄存器的前4位I7I4作為測試條件，出現5路分支，占用5個固定微地址單元。實驗機控制操作為P（4）測試，它以控制開關SWC、SWA作為測試條件，出現了3路分支，占用3個固定微地址單元。當分支微地址單元固定后，剩下的其它地方就可以一條微指令占用控存一個微地址單元隨意填寫。注意：微程序流程圖上的單元地址為16進制。 根據微程序流程圖設計微指令并轉換成16進制代碼文件。當全部微程序設計完畢后，應將每條微指令代碼化，即按微指令格式將圖313微程序流程圖轉化成二進制微代碼表，如表36所示，再轉換成16進制代碼文件

8、。 監控程序的16進制文件格式（文件名C8JHE1）：程序： 機器指令格式說明P00 00$PXX XXP01 10十六進制地址 機器指令P02 0AP03 20P04 0BP05 30P06 0BP07 40P08 00P0A 01微程序：M00 108105 微指令格式說明M01 82ED05 $MXX XXXXXXXXM02 48C004 十六進制地址 微指令代碼M03 04E004M04 05B004M05 06A205M06 019A95M07 0DE004M08 011004M09 83ED05M0A 87ED05M0B 8EED05M0C 96ED05M0D 018206M0E

9、0FE004M0F 15A004M10 92ED05M11 94ED05M12 17A004M13 018005M14 182004M15 010A07M16 81D104M17 100A07M18 118A06 實驗接線1、J20，J21，J22接上短路片，2、JJ23，J24，J25，J26接左邊；3、J27,J28 右邊；4、J29不接；5、JA1，JA2，JA3置“接通”；6、JA4置“高阻”；7、JA5置“接通”；8、JA8置“微程序”9、JA6 置“微控”10、EXJ1接BUS3 讀寫程序手動方法寫微程序參看實驗六。手動方法寫代碼程序（機器指令）步驟如下：通過上一步將 機器指令對應

10、的微代碼正確地寫入E2ROM 2816芯片后，再進行機器指令程序的裝入和檢查。A. 將“編程開關”置“運行”位置，“運行控制”開關置“運行”位置，“運行方式”開關置“單步”位置。B. 撥動總清開關（01），微地址寄存器清零，程序計數器清零。然后使控制開關SWC、SWA開關置為“0 1”，按動一次“啟動運行”開關，微地址顯示燈LUA0LUA5顯示“010001”，再按動一次“啟動運行”開關，微地址顯示燈LUA0LUA5顯示“010100”，此時數據開關的內容置為要寫入的機器指令，再按動一次“啟動運行”開關，即完成該條指令的寫入。若仔細閱讀微程序流程，就不難發現，機器指令的首地址只要第一次給出即可

11、，PC會自動加1，所以，每次按動“啟動運行”開關，只有在微地址燈顯示“010100”時，才設置內容，直到所有機器指令寫完。C. 寫完程序后須進行檢驗。撥動總清開關(01)后，微地址清零，PC程序計數器清零，然后使控制開關SWC、SWA為“0 0”,按動“啟動運行”開關，微地址燈將顯示“010000”，再按“啟動運行”開關，微地址燈顯示為“010010”，第三次按“啟動運行”開關，微地址燈顯示為“010111”，此時總線數據顯示燈LZD0LZD7顯示為該首地址的內容，再按動一次“啟動運行”開關，微地址燈顯示為“010000”，2位數碼管即顯示RAM中的程序。不斷按動“啟動運行”開關，可檢查后續單

12、元內容。注意：每次僅在微地址燈顯示為“010000”時，2位數碼管顯示的內容才是相應地址中的機器指令內容。 聯機讀/寫微程序和機器指令用聯機軟件的裝載功能將16進制格式文件（文件名為C8JHE1）裝入實驗系統即可（詳細操作見隨機軟件的README）。微指令代碼是將表3-6的24位微代碼從左到右分成三個8位，將此三個8位二進制代碼化為相應的十六進制數，如表3-6第一行轉化為108105。 運行程序 單步運行程序A. “編程開關”置“運行”狀態，“運行方式”開關置為“單步”狀態,“運行控制”開關置為“運行”狀態。B. 撥動總清開關(01)，微地址清零，PC計數器清零，程序首地址為00H。C. 按動“啟動運行”開關，即單步運行一條微指令。對照微程