計算機組成原理試驗辦公室：C區110試驗中心組成原理課題組1/671講課教師及試驗課地點介紹張政凱劉善射遲宗正辦公室電話：87571629或87571561試驗課地點：C區108（硬件試驗室）2/672為何要做組成原理試驗？在學習過計算機組成之后，需要經過試驗實踐部分了解計算機各硬件部分工作原理，諸如：運算器工作原理，存放器工作原理，串口等外設工作原理，CPU兩種控制邏輯（硬布線控制邏輯和微程序控制邏輯）經過試驗實現：加深對理論了解提升實踐能力3/673教學目標經過試驗愈加深刻了解計算機組成加深對計算機各個部件功效認識以及各個部件之間協同關系掌握運算器.控制器工作原理，掌握微程序控制邏輯下控制器并了解基于硬布線邏輯控制器4/674課程主要內容清華試驗箱基礎匯編語言程序設計脫機運算器試驗存放器擴展試驗中止試驗復旦試驗箱微程序控制器部件教學試驗共計5個試驗：（分兩個試驗箱完成）5/675課程主要內容安排原因1采取清華試驗箱做簡單部件試驗，是因為各部件開關和信號燈十分完善能夠清楚觀察到試驗結果；但對于微程序控制器試驗設計存在一定不可操作性，對大家了解微程序控制下控制器工作不夠明確。2采取復旦試驗箱完成微程序控制器部件試驗，能夠充分利用試驗箱上鍵盤和微型打印機得到所見即所得打印結果，而且能夠細致觀察到微程序下每條微指令控制信號，能夠將運算器工作愈加細化。6/676課程評分本課程共36課時，1.5學分，共9個單元。期末成績由平時成績累加沒有考試試驗匯報試驗結果檢驗課堂表現、考勤、恪守試驗室紀律情況7/677教材與參考書教材為自編講義講稿（PPT文件）并附帶各試驗內容課程網站：ftp://210.30.96.2參考書計算機組成與設計（第二版）試驗指導（針對清華試驗箱）計算機組成原理及系統結構試驗指導書（針對復旦試驗箱）大家上學期學過計算機組成原理教材8/678對大家期望和要求試驗前要作充分準備閱讀相關文件資料，找出完成試驗題目標方法強調自學能力試驗中要勤于動手動腦強調獨立處理問題能力試驗后要作深入總結強調寫作能力9/679尤其強調一些規則1試驗匯報如有剽竊現象，一經發覺取消當次試驗成績，兩次及兩次以上剽竊者取消課程成績。2禁止在試驗室內進食，飲用水必須放在教師指定位置，禁止將水帶至試驗臺及飲用，違者取消課程成績并處紀律處罰。3禁止穿拖鞋進入試驗室，禁止在試驗課上上網聊天及游戲，違者取消課程成績并處紀律處罰。4試驗結束后，必須將試驗箱及桌椅復位，通知教師檢驗后方可離開，不然取消全組當次試驗課堂成績。10/6710尤其強調一些規則（續）5

遲到30分鐘及早退將被視為曠課處理，病事假持假條請假，曠課3次取消課程成績。6在試驗過程中必須主動配合教師對試驗結果檢驗。7認真閱讀試驗室墻上各項相關要求，了解試驗室安全知識。8未經教師授權或同意，不得動用試驗平臺內外一切設備（尤其是電源），違者取消課程成績并處紀律處罰。9試驗課程期間在試驗室內保持肅靜！11/6711試驗箱介紹復旦大學試驗箱清華試驗箱TEC-XP12/6712

試驗一微程序控制計算機試驗

存放器擴展試驗13/6713試驗目標學習和掌握微程序控制計算機工作原理及實現方法；初步學會程序流程圖畫法及程序模塊化設計、調試方法。學會建立文本文件、表格、圖形文件。

14/6714

試驗要求

1)建立指令集文件（*.DEF指令系統）2）建立微程序文件（*.M19）3）編寫二位乘法程序，經過調試觀察匯編指令在微程序控制計算機中實施過程，學會程序設計中流程圖，模塊化設計及調試方法。15/6715馮諾依曼計算機設計思想美國科學家馮·諾依曼于1946年提出了“存放程序”設計思想，其后開發計算機大多采取這種方式，這類計算機被稱為馮·諾依曼計算機。存放程序概念：為了告訴計算機做什么事，以及按怎樣次序去做，這就需要編制程序，使計算機能按人們所要求次序自動地工作。通常將程序以代碼形式事先存入計算機中，使計算機在工作時能自動高速地逐一取出并加以執行16/6716馮諾依曼計算機組成計算機硬件基本組成按照馮·諾依曼計算機設計思想，計算機硬件基本上由運算器、控制器、存放器、輸入設備和輸出設備五大部件組成。通常我們把組成計算機這些功效部件稱為硬件。17/67178位單累加器計算機基本結構18/6718試驗原理圖

19/6719控制信號S2、S1、S0：ALU功效選擇

S2 S1 S0 ALU功效

000F=A+B001F=A-B010F=A（帶加法進位）

011F=B100F=001111110101F=A（帶減法借位）

111F=000000000CIN：進位位X1、X0：累加器A功效選擇X1X0累加器A功效

11累加器A允許接數

01累加器A右移操作

10累加器A左移操作CG： 暫存器接數允許。CP進位位CY接數允許。WRE存放器寫入允許。20/6720控制信號OB： ALU輸出允許GI： 指令存放器IR接數允許。GA1： 低位地址存放器接數允許。GA2： 高位地址存放器接數允許。PINC：PC加1信號。PL2、1、0 ：PC接數控制， PL2PL1PL0 操作

00 1CY 01 0必轉

011notKRIX100notPRIX101禁用

1XX備用21/6721控制信號MXA1： 地址多路開關選擇0：PC送至地址總線AB1：ADR送至地址總線ABCWR：寫存放器CRD：讀存放器MPLD： MPC接數允許。圖中存放器選擇信號（RC、RB、RA）應直接來自指令碼（I2、I1、I0）。以上各個微操作信號，除了已標明，可統一取為0有效。22/6722試驗原理－微程序定義

微程序：每條指令實際上分解成一系列微操作序列。因而指令執行過程實際上就是相當于該條指令微操作序列執行過程。假如把統一節拍中要執行微操作作為一條“微指令”，則一條機器指令可看做是由若干條微指令組成。與一條機器指令相對應微指令組成微指令序列就叫做“微程序”。23/6723試驗原理－微命令和微操作定義

微命令和微操作：從微操作角度出發可將計算機分成兩部分：控制部分和執行部分。比如控制器即控制部分，而運算器、存放器及輸入輸出設備等相對于控制器而言即執行部分。微命令即由控制部分向執行部分發出最基本控制信號。微操作即是上述執行部分受到微命令后所執行最基本操作。能夠看出，微命令與微操作實質上是同一個信號：從控制部分角度看它是微命令；從執行部分看它是微操作。能夠稱微命令是微操作控制信號；而微操作是微命令控制操作過程。24/6724試驗原理－微指令定義

微指令：微指令就是若干微命令組合常將要在同一節拍內執行微操作所對應微命令組合在一條微指令中。25/6725試驗原理-指令系統匯編碼操作指令碼MOVA，Ri（A）←Ri00000iiiMOVRi，A（Ri）←A00001iiiADDA，Ri(A)+(Ri)→A00100iiiSUBA，Ri(A)-(Ri)→A00101iiiMOVA,＃data8data8→A00110000ddddddddMOVRi,＃data8data8→Ri00111iiiddddddddLDAaddr(addr)→A01000000aaaaaaaaaaaaaaaaSTAaddr(A)→addr01001000aaaaaaaaaaaaaaaaJCaddrifCY=1thenaddr→PCelse(PC)+3→PC01010000aaaaaaaaaaaaaaaaJMPaddraddr→PC01011000aaaaaaaaaaaaaaaaJKBaddrifKRIX=0thenaddr→PCelse(PC)+3→PC01100000aaaaaaaaaaaaaaaaJPBaddrifPRIX=0thenaddr→PCelse(PC)+3→PC01101000aaaaaaaaaaaaaaaa26/6726試驗原理-指令流程MOVA，RiT0：（PC）→AB，（M）→IR，（PC）+1→PC，（A）→ACTT1：（Ri）→ALU→DB→AMOVA，#data8T0：（PC）→AB，（M）→IR，（PC）+1→PC，（A）→ACTT1：（PC）→AB，（M）→DB→A，（PC）+1→PCLDAaddr：T0：（PC）→AB，（M）→IR，（PC）+1→PC，（A）→ACTT1：（PC）→AB，（M）→ADRH，（PC）+1→PCT2：（PC）→AB，（M）→ADRL，（PC）+1→PCT3：（ADR）→AB（M）→A27/6727試驗原理-微指令MOVA，Ri3724E00700257004MOVRi，A2120E00700257004ADDA，Ri0704E00700257004SUBA，Ri1704E00700257004MOVA,＃data80725F00500257004MOVRi,＃data80121F00500257004LDAaddr0125D0050125B0050725E08500257004

28/6728試驗原理-微指令STAaddr0125D0050125B0052124E08300257004JCaddr0125D0050125B0050124E28700257004JMPaddr0125D0050125B0050124E48700257004JKBaddr0125D0050125B0050124E68700257004JPBaddr0125D0050125B0050124E8870025700429/6729試驗原理-微地址實現方法本試驗計算機控存為１K,地址線寬度１０30/6730試驗原理-微地址實現方法實例匯編碼指令碼微地址MOVA，Ri

00000iii00000111MOVA,＃data8

0011000000110111JKBaddr

0100000001000111從上面各例能夠看出指令碼高５位決定微程序入口地址．31/6731打印機工作原理打印機工作原理圖PRIX打印完成打印開啟打印機數據緩沖器DB7~0打印機SRQIOW圖2-5打印機等效框圖初始狀態，PRIX為1，允許打印。在需要輸出數據打印時，IOW發一個寫脈沖（低有效），把數據總線低8位（DB7~0）上數據打入打印機數據緩沖器中，并開啟打印機從緩沖器取出數據開始打印，同時使PRIX=0（這時不允許再向打印機輸出數據）。打印完成后，打印機狀態PRIX置1，CPU可再次向打印機輸出數據。32/6732打印機工作原理－字輪

打印機共有三個字輪，右邊兩個字輪為字符和符號，左邊一個字符為數字。下表給出這三個字符字符編碼：

編碼左中右

00G＋

11KX

22√÷

33P

44D*

55%S

66MT

77⊿M

88+C

99—=

A—B

，R—C

。?%D#AE33/6733打印機工作原理打印機開始位置在最右邊。打印時，從右到左，先打印一個右邊字輪字符，第二個中輪字符，以后打印均為左輪字符。打印編碼見上表。如輸出數據高4位不等于0，則在打印完低4位數字后自動回車換行（這也是使打印機回車唯一方法）。所以要輸出某數字后回車換行，能夠輸出此數字加10H。比如要輸出“3”后回車，只要輸出“13H”即可。對于只需回車換行，不打印數據時，可輸出1AH。注：打印機詳細使用方法可參看程序實例．34/6734試驗操作步驟（一）

建立匯編指令集打開自己編做匯編v1.0文件菜單中選擇新建，彈出以下列圖所表示對話框，選擇匯編指令集,點OK。35/6735試驗步驟生成空白def文件，輸入指令定義格式36/6736在操作菜單中選擇改變參數，能夠定義2類指令系統，每類指令都能夠選擇存放器長度和類型輸入完后要對輸入指令集格式進行檢驗載入(單累加器，多累加器)，對操作選項設定和更改。設定完成后可進行檢驗載入。試驗步驟37/6737試驗步驟注：在指令集文件中最終需要加上-ENDDEF檢驗載入成功后顯示下列圖信息，如有錯誤可按錯誤提醒修改。

38/6738試驗操作步驟（二）

編寫匯編程序在文件菜單中選擇新建，彈出以下列圖所表示對話框，選擇匯編程序,點OK，將生成空白ASM文件，輸入匯編程序：39/6739試驗步驟40/6740匯編程序實例ORG 0偽指令—用來指出文件在內存中存放起始位置STRT: JKB STRTLDA 8001HMOV R7,A輸入第一操作數給R7L1: JKB L1

LDA 8001HMOV R6,A輸入第二操作數給R6MOV A,#0STA 8002HL2: JPB L2打印+MOV A,#0AHSTA 8002HL3: JPB L3打印空格MOV A,#10HADD A,R7

STA 8002HL4: JPB L4打印第一操作數后回車換行

MOV A,#9STA 8002H41/6741匯編程序實例L5: JPB L5打印=MOV A,#0AHSTA 8002HL6:JPB L6打印空格MOV A,#10HADD A,R6

STA 8002HL7: JPB L7打印第二操作數后回車換行MOV A,#3STA 8002HL8:JPB L8打印菱型符號

MOV A,#0AHSTA 8002HL9:JPB L9打印空格MOV A,R6ADD A,R7MOV R0,#10SUB A,R0將兩數相加，再進行減10處理JC OVER判斷結果是否大于10，是—跳轉到OVER，否—次序執行STA 8002H42/6742匯編程序實例L10: JPB L10打印個位MOV A,#11HOUT:

STA 8002HL11: JPB L11打印十位JMP STRTOVER: ADD A,R0MOV R1,#10HADD A,R1JMP OUT恢復運算結果，跳轉到打印個位注：第一列為標號地址，43/6743試驗步驟－下載調試

下載調試點擊桌面impact來下載cpu目標程序bit文件。雙擊impact出現以下對話框，選擇ConfigureDevices，點擊下一步

44/6744選SlaveSerialMode，點擊完成后選擇CPU8BV.bit文件。試驗步驟45/6745右擊生成cpu圖標，執行Programming操作，進行下載。

試驗步驟46/6746下載成功后提醒ProgrammingSucceeded，下載完成。試驗步驟47/6747FPGA經下載燒錄后成為了一顆cpu，使用通用調試器（Unidebugger）把計算機與試驗儀連接，下載微指令集和匯編好目標程序，進行聯機調試。雙擊Unidebugger.exe程序，即開啟通用調試器。程序開啟界面以下：試驗步驟48/6748在這個界面下有以下三個窗口：試驗步驟數據區跟蹤數據區編輯區49/6749試驗步驟在該界面下首先點擊系統，選擇試驗方式：然后會出現以下系統設置對話框：

50/6750對本試驗，試驗方式為8位微程序方式，晶振頻率為2MHz。總線方式為8位。按下確定后計算機與試驗儀進行連接，讀取微程序存放器以及RAM中數據在數據區顯示。按每條匯編指令所對應微地址，將微程序輸入到控存中：試驗步驟MOVA，Ri0007H

3724E0070008H

00257004MOVRi，A000FH

2120E0070010H

00257004ADDA，Ri0027H

0704E0070028H

00257004SUBA，Ri002FH

1704E0070030H

00257004MOVA,＃data80037H

0725F0050038H

00257004MOVRi,＃data8003FH

0121F0050040H

00257004LDAaddr0047H

0125D005

0048H

0125B005

0049H

0725E085004AH

0025700451/6751STAaddr004FH

0125D0050050H

0125B0050051H

2124E0830052H

00257004JCaddr0057H

0125D0050058H0125B0050059H

0124E287