CPU组成与机器指令执行实验

CPU组成与机器指令执行实验

一、实验目的

（1）将微程序控制器同执行部件（整个数据通路）联机，组成一台模型计算机； （2）用微程序控制器控制模型机数据通路；

（3）通过CPU运行九条机器指令（排除中断指令）组成的简单程序，掌握机器指令与微指令的关系，牢固建立计算机的整机概念。

二、实验电路

本次实验用到前面四个实验中的所有电路，包括运算器、存储器、通用寄存器堆、程序计数器、指令寄存器、微程序控制器等，将几个模块组合成为一台简单计算机。因此，在基本实验中，这是最复杂的一个实验，也是最能得到收获的一个实验。 在前面的实验中，实验者本身作为“控制器”，完成数据通路的控制。而在本次实验中，数据通路的控制将由微程序控制器来完成。CPU从内存取出一条机器指令到执行指令结束的一个机器指令周期，是由微指令组成的序列来完成的，即一条机器指令对应一个微程序。

三、实验设备

（1）TEC－４计算机组成原理实验系统一台 （2）双踪示波器一台 （3）直流万用表一只 （4）逻辑测试笔一支

四、实验任务

（1）对机器指令系统组成的简单程序进行译码。

将下表的程序按指令格式手工汇编成十六进制机器代码，此项任务应在预习时完成。

（2）按照下面框图，参考前面实验的电路图完成连线，控制器是控制部件，数据通路（包括上面各模块）是执行部件，时序产生器是时序部件。连线包括控制台、时序部分、数据通路和微程序控制器之间的连接。其中，为把操作数传送给通用寄存器组RF，数据通路上的RS1、RS0、RD1、RD0应分别与IR3至IR0连接，WR1、WR0也应接到IR1、IR0上。

开关控制

控制台时序发生器 开关控制指示灯信号控制信号时序信号 控制信号

微程序控制器数据通路 指令代码、条件信号

模型计算机连线示意图

（3）将上述任务（1）中的程序机器代码用控制台操作存入内存中，并根据程序的需要，用数码开关SW7—SW0设置通用寄存器R2、R3及内存相关单元的数据。注意：由于设置通用寄存器时会破坏内存单元的数据，因此一般应先设置寄存器的数据，再设置内存数据。 （4）用单拍（DP）方式执行一遍程序，列表记录通用寄存器堆RF中四个寄存器的数据，以及由STA指令存入RAM中的数据（程序结束后从RAM的相应单元中读出），与理论分析值作对比。单拍方式执行时注意观察微地址指示灯、IR/DBUS指示灯、AR2／AR1指示灯和判断字段指示灯的值，以跟踪程序中取指令和执行指令的详细过程（可观察到每一条微指令）。 （5）以单指（DZ）方式重新执行程序一遍，注意观察IR/DBUS指示灯、AR2/AR1指示灯的值（可观察到每一条机器指令）。执行结束后，记录RF中四个寄存器的数据，以及由STA指令存入RAM中的数据，与理论分析值作对比。注意：单指方式执行程序时，四个通用寄存器和RAM中的原始数据与第一遍执行程序的结果有关。

（6）以连续方式（DB、DP、DZ都设为０）再次执行程序。这种情况相当于计算机正常运行程序。由于程序中有停机指令STP，程序执行到该指令时自动停机。执行结束后，记录RF中四个寄存器的数据，以及由STA指令存入RAM中的数据，与理论分析值作对比。同理，程序执行前的原始数据与第二遍执行结果有关。

五、实验步骤和实验结果

（1）对机器指令系统组成的简单程序进行译码。

（2）接线

本实验的接线比较多，需仔细。 1． 将跳线开关J1用短路子短接。时序发生器的输入TJI接控制存储器的输出TJ。控制器

的输入C接运算器ALU的C。控制器的输入IR7、IR6、IR5、IR4依次指令寄存器IR的输出IR7、IR6、IR5、IR4。共6条线。 2． 控制器的输出LDIR（CER）、LDPC(LDR4)、PC_ADD、PC_INC、M4、LDIAR、LDAR1(LDAR2)、

AR1_INC、M3、LDER、IAR_BUS#、SW_BUS#、RS_BUS#、ALU_BUS、CEL#、LRW、WRD、LDDR1(LDDR2)、M1（M2）、S2、S1、S0依次与数据通路的对应信号连接。共27条线。 3． 指令寄存器IR的输出IR0接双端口寄存器堆的RD0、WR0，IR1接RD1、WR1，IR2接RS0，

IR3接RS1。共6条线。

合上电源。按CLR#按钮，使实验系统处于初始状态。

（3）存程序机器代码，设置通用寄存器R2、R3及内存相关单元的数据。

 设置通用寄存器R2、R3的值。

在本操作中，我们打算使R2 = 60H，R3 = 61H。

1．令DP = 0，DB = 0，DZ =0，使实验系统处于连续运行状态。令SWC = 0、SWB = 1、SWA

= 1，使实验系统处于寄存器加载工作方式KLD。按CLR#按钮，使实验系统处于初始状态。

2． 在SW7—SW0上设置一个存储器地址，该存储器地址供设置通用寄存器使用。该存储器

地址最好是不常用的一个地址，以免设置通用寄存器操作破坏重要的存储器单元的内容。例如可将该地址设置为0FFH。按一次QD按钮，将0FFH写入AR0和AR1。

3． 在SW7—SW0上设置02H，作为通用寄存器R2的寄存器号。按一次QD按钮，则将02H

写入IR。

4． 在SW7—SW0设置60H，作为R2的值。按一次QD按钮，将60H写入IR指定的R2寄存器。 5． 在SW7—SW0上设置03H，作为通用寄存器R3的寄存器号。按一次QD按钮，将03H写入

IR。

6． 在SW7—SW0设置61H，作为R3的值。按一次QD按钮，将61H写入R3。 7． 设置R2、R3结束，按CLR#按钮，使实验系统恢复到初始状态。

 存程序机器代码。 本操作中，我们从00地址开始存10个机器代码：58H，5DH，04H，95H，3EH，1BH，4BH，24H，60H，84H。在60H存入24H，用于给R0置初值；在61H存入83H，用于给R0置初值。 1． 令DP = 0，DB = 0，DZ =0，使实验系统处于连续运行状态。令SWC = 0、SWB = 1、SWA

= 0，使实验系统处于写双端口存储器工作方式KWE。按CLR#按钮，使实验系统处于初始状态。 2． 置SW7—SW0为00H，按QD按钮，将00H写入AR1。 3． 置SW7—SW0 为58H，按QD按钮，将58H写入存储器00H单元。AR1自动加1，变为01H。 4． 置SW7—SW0为5DH，按QD按钮，将5DH写入存储器01H单元。AR1自动加1，变为02H。 5． 按QD按钮，使AR1+1。AR1此时为02H。 6． 重复进行下去，一直到将84H写入存储器09H单元。按CLR#按钮，使实验系统恢复到初

始状态。 7． 置SW7—SW0为60H，按QD按钮，将60H写入AR1。 8． 置SW7—SW0 为24H，按QD按钮，将24H写入存储器60H单元。AR1自动加1，变为61H。 9． 置SW7—SW0 83H，按QD按钮，将83H写入存储器61H单元。按CLR#按钮，使实验系统

恢复到初始状态。

(4) 用单拍（DP）方式执行一遍程序。

在单拍执行过程中，首先要随时监测AR2的值和IR的值，以判定程序执行到何处，正在执行哪条指令。监测微地址指示灯和判断字段指示灯，对照微程序流程图，可以判断出微指令的地址和正在进行的微操作。程序执行的结果如下：

初值：R0未定，R1未定，R2 = 60H，R3 = 61H。存储器60H单元的内容是24H，61H单元的内容是83H。 1． LDA R0,[R2]

执行结果 R2 = 60H，R0 = 24H。 2． LDA R1,[R3]

执行结果 R3 = 61H，R1 = 83H。 3． ADD R0,R1

执行结果 R0 = 0A7H，R1 = 83H，C = 0。 4．JC +5

执行结果转移到03H，因为C = 0。 5．AND R2,R3

执行结果 R2 =60 H，R3 =61H。 6．SUB R3,R2

执行结果 R2 = 60H，R3 = 01H 7．STA R3,[R2]

执行结果 R2 = 60H，R3 = 01H，存储器60单元的内容为01H。 8．MUL R0,R1

执行结果 R0 = 15H，R1 = 83H 9．STP

执行结果：无变化 10．JMP [R1]

执行结果 转移到83H。

第一遍执行结束。执行结果是R0 = 15H，R1 = 83H，R2 = 60H，R3 = 01H，存储器60H单元的内容是01H，61H单元的内容是83H。

（5）用单指（DZ）方式执行一遍程序。

初值: R0 = 15H，R1 = 83H，R2 = 60H，R3 = 01H，存储器60H单元的内容是01H，61H单元的内容是83H。 1．LDA R0,[R2]

执行结果 R2 = 60H，R0 = 01H。 2．LDA R1,[R3]

执行结果 R3 = 01H，R1 = 5DH。 3．ADD R0,R1

执行结果 R0 = 5EH，R1 = 5DH，C = 0 4．4．JC +5

执行结果转移到03H，因为C = 0。 5．AND R2,R3

执行结果 R2 =00 H，R3 =01H。 6．SUB R3,R2

执行结果 R2 = 00H，R3 = 01H 7．STA R3,[R2]

执行结果 R2 = 00H，R3 = 01H，存储器00单元的内容为01H。 8．MUL R0,R1

执行结果 R0 = 0B6H，R1 = 5DH 9．STP

执行结果：无变化 10．JMP [R1]

执行结果 转移到5DH

第二遍执行结束。执行结果是R0 = B6H，R1 = 5DH，R2 = 00H，R3 = 01H，存储器60H单元的内容是01H，61H单元的内容是83H，00H单元的内容为01H。

（6）用连续方式执行一遍程序

由于00单元的内容已被修改，因此在执行前应首先恢复00H单元的内容58H。

初值：R0 = 0B6H，R1 = 5DH，R2 = 00H，R3 = 01H，存储器60H单元的内容是01H，61H单元的内容是83H，00H单元的内容为58H。 1．LDA R0,[R2]

执行结果 R2 = 00H，R0 = 58H。 2．LDA R1,[R3]

执行结果 R3 = 01H，R1 = 5DH。 3．ADD R0,R1

执行结果 R0 = 0B5H，R1 = 5DH，C = 0 4．4．JC +5

执行结果转移到03H，因为C = 0。 5．AND R2,R3

执行结果 R2 =00 H，R3 =01H。 6．SUB R3,R2

执行结果 R2 = 00H，R3 = 01H 7．STA R3,[R2]

执行结果 R2 = 00H，R3 = 01H，存储器00单元的内容为01H。 8．MUL R0,R1

执行结果 R0 = 41H，R1 = 5DH 9．STP

执行结果：无变化