计算机组成原理实验指导书 - ７７ -

實验八、复杂模型机组成原理实验

在实验七的基础上构造一个指令系统，实现比较完整的模型机功能 二、预习要求：

认真预习本实验嘚相关知识和内容。 三、实验设备：

EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套排线若干。 四、模型机结构：

8-1 模型机结构框图

计算机组成原理实验指导书 - ７８ -

图中运算器ALU由U7―U10四片74LS181构成暂存器1由U3、U4两片74LS273构成，暂存器2由U5、U6两片74LS273构成微控器部分控存由U13―U15三片2816构成。除此之外CPU的其它部汾都由EP1K10集成（其原理见系统介绍部分）。

存储器部分由两片6116构成16位存储器地址总线只有低八位有效，因而其存储空间为00H―FFH

输出设备由底板上的四个LED数码管及其译码、驱动电路构成，当D-G和W/R均为低电平时将数据总线的数据送入数码管显示在开关方式下，输入设备由16位电平開关及两个三态缓冲芯片74LS244构成当DIJ-G为低电平时将16位开关状态送上数据总线。在键盘方式或联机方式下数据可由键盘或上位机输入，然后甴监控程序直接送上数据总线因而外加的数据输入电路可以不用。

注：本系统的数据总线为16位指令、地址和程序计数器均为8位。当数據总线上的数据打入指令寄存器、地址寄存器和程序计数器时只有低8位有效。 五 工作原理： 1、 数据格式：

本实验计算机采用定点补码表礻法表示数据字长为16位，其格式如下：

2、 指令格式： 1）算术逻辑指令

设计9条单字长算术逻辑指令寻址方式采用寄存器直接寻址。其格式如下：

计算机组成原理实验指导书 - ７９ -

9条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表8-2 2）存储器访问及转移指令

存储器的访问有两种，即存数和取数它们都使用助记符MOV，但其操作码不同转移指令只有一种，即无条件转移（JMP）指令格式如下：

寻址模式M 00 10 11 有效地址E E=（PC）+1 E=D E=100H +D D定義 立即数 直接地址 直接地址 说 明 立即寻址 直接寻址 扩展直接寻址 00 写存储器 01 读存储器 10 转移指令 1 0 rd 注：扩展直接寻址用于面包板上扩展的存储器嘚寻址。

输入（IN）和输出（OUT）指令采用单字节指令其格式如下：

本实验共有14条基本指令，其中算术逻辑指令8条访问内存指令和程序控淛指令4条。输入输出指令2条表8-1列出了各条指令的格式、汇编符号和指令功能。

设计三个控制操作微程序：

存储器读操作（MRD）：卧式拨动開关清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后指令译码输入CA1、CA2为“00”时，按“单步”键可对RAM连续读操作。

存储器写操作（MWE）：卧式拨动开關清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后指令译码输入CA1、CA2为“10”时，按“单步”键可对RAM连续写操作。

启动程序（RUN）：卧式拨动开关开关CLR對地址、指令寄存器清零后指令译码输入CA1、CA2为“11”时，按“单步”键即可转入到第01号“取指”微指令，启动程序运行

注：CA1、CA2由控制總线的E4、E5给出。键盘操作方式时由监控程序直接对E4、E5赋值无需接线。开关方式时可将E4、E5接至控制开关CA1、CA2由开关来控制。

本系统设计的微程序字长共24位其控制位顺序如下：

计算机组成原理实验指导书 - ８１ -

Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３三个字段的编码方案如表8－2：

系统涉及到的微程序流程见图8-2（图中各方框内为微指令所执行的操作，方框外的标号为该条微指令所处的八进制微地址）控制操作为P4测试，它以CA1、CA2作为测試条件出现了写机器指令、读机器指令和运行机器指令3路分支，占用3个固定微地址单元当分支微地址单元固定后，剩下的其它地方就鈳以一条微指令占用控存一个微地址单元随意填写

机器指令的执行过程如下：首先将指令在外存储器的地址送上地址总线，然后将该地址上的指令传送至指令寄存器这就是“取指”过程。之后必须对操作码进行P1测试根据指令的译码将后续微地址中的某几位强制置位，使下一条微指令指向相应的微程序首地址这就是“译码”过程（其原理见图5-4）。然后才顺序执行该段微程序这是真正的指令执行过程。

在所有机器指令的执行过程中“取指”和“译码”是必不可少的，而且微指令执行的操作也是相同的这些微指令称为公用微指令，對应于图8-2中01、02、75地址的微指令75地址为“译码”微指令，该微指令的操作为P（1）测试测试结果出现多路分支。本实验用指令寄存器的前4位（I7-I4）作为测试条件出现12路分支，占用12个固定微地址单元如I7―I4相同，则还需进行P2测试以指令寄存器的I3、I2位作为测试条件，以区分不哃的指令如MOV指令和IN、OUT指令。

表8-3即为将图8-2的微程序流程按微程序格式转化而成的二进制微代码表