实验报告
实验名称：
CPU 与简单模型机设计实验
学号：
日期： 姓名：
2015.11
班级：
一、 实验目的：
(1) 掌握一个简单CPU 的组成原理。
(2) 在掌握部件单元电路的基础上，进一步将其构造一台基本模型计算机。 (3) 为其定义五条机器指令，编写相应的微程序，并上机调试掌握整机概念。
二、实验内容：
本实验要实现一个简单的CPU，并且在此CPU 的基础上，继续构建一个简单的模型计算机。CPU 由运算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0），指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）组成,如图2-1-1 所示。这个CPU 在写入相应的微指令后，就具备了执行机器指令的功能，但是机器指令一般存放在主存当中，CPU 必须和主存挂接后，才有实际的意义，所以还需要在该CPU 的基础上增加一个主存和基本的输入输出部件，以构成一个简单的模型计算机。
图1-4-1 基本CPU 构成原理图
除了程序计数器（PC），其余部件在前面的实验中都已用到，在此不再讨论。系统的程序计数器（PC）由两片74LS161 和一片74LS245 构成，其原理如图1-4-2 所示。PC_B 为三态门的输出使能端，CLR 连接至CON 单元的总清端CLR，按下CLR 按钮，将使PC 清零，LDPC 和T2 相与后作为计数器的计数时钟，当LOAD 为低时，计数时钟到来后将CPU 内总线上的数据打入PC。
图1-4-2 程序计数器(PC)原理图
本模型机和前面微程序控制器实验相比，新增加一条跳转指令JMP，共有五条指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），HLT（停机），其指令格式如下（高４位为操作码）：
助记符 IN ADD OUT JMP addr HLT
其中JMP 为双字节指令，其余均为单字节指令，********为addr 对应的二进制地址码。微程序控制器实验的指令是通过手动给出的，现在要求CPU 自动从存储器读取指令并执行。根据以上要求，设计数据通路图，如图1-4-3 所示。
本实验在前一个实验的基础上增加了三个部件，一是PC（程序计数器），另一个是AR（地址寄存器），还有就是MEM（主存）。因而在微指令中应增加相应的控制位，其微指令格式如表1-4-1 所示。
机器指令码 说明
0010 0000 IN→R0 0000 0000 R0 + R0→R0 0011 0000 R0→OUT
1100 0000 ******** addr→ PC 0101 0000 停机
图1-4-3 数据通路图
系统涉及到的微程序流程见图1-4-4 所示，当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段为P<1>测试。指令译码原理见图1-3-3 所示，由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P<1> 的测试结果出现多路分支。本机用指令寄存器的高6 位（IR7—IR2）作为测试条件，出现５路分支，占用５个固定微地址单元，剩下的其它地方就可以一条微指令占用控存一个微地址单元随意填写，微程序流程图上的单元地址为16 进制。
当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表1-4-2 即为将图1-4-2 的微程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制微代码表”。
00NOP01PC->ARPC加103MEM->IR30P<1>ADD30IN32OUT33HLT35JMP3CR0->A04IN->R0R0->OUTNOPPC->ARPC加11DR0->B05010135MEM->PCA加B->R00101
图1-4-4 简单模型机微程序流程图
表1-4-2 二进制微代码表
地址 十六进制 高五位 S3-S0 A字段 B字段 C 字段 MA5-MA0 00 01 03 04 05 1D 30 32 35 3C 00 00 01 00000 00 6D 43 00000 10 70 70 00010 00 24 05 00000 04 B2 01 00000 10 51 41 00010 00 14 04 00000 18 30 01 00011 28 04 01 00101 00 00 35 00000 00 6D 5D 00000 0000 0000 0000 0000 1001 0000 0000 0000 0000 0000 0000 000 110 111 010 011 101 001 011 000 000 110 000 110 000 010 001 000 010 000 010 000 110 000 101 001 000 000 101 000 000 000 000 101 000001 000011 110000 000101 000001 000001 000100 000001 000001 110101 011101 设计一段机器程序，要求从IN 单元读入一个数据，存于R0，将R0 和自身相加，结果存于R0，再将R0 的值送OUT 单元显示。根据要求可以得到如下程序，地址和内容均为二进制数。
地址 00000000 00000001 00000010 00000011 00000100 00000101
内容
助记符
说明
00100000 00000000 00110000 11100000 00000000 01010000
; START: IN R0 ; ADD R0,R0 ; OUT R0 ; JMP START ; HLT
从 IN 单元读入数据送 R0
R0 和自身相加，结果送 R0 R0 的值送 OUT 单元显示 跳转至 00H 地址 停机
三.实验步骤：
联机写入和校验
联机软件提供了微程序和机器程序下载功能，以代替手动读写微程序和机器程序，但是微 程序和机器程序得以指定的格式写入到以TXT 为后缀的文件中，微程序和机器程序的格式如下：
本次实验程序如下，程序中分号‘；’为注释符，分号后面的内容在下载时将被忽略掉：
; //*************************************// ; // // ; // CPU与简单模型机实验指令文件 // ; // // ; //*************************************// ; //***** Start Of Main Memory Data *****//
$P 00 20 ; START: IN R0 从IN单元读入数据送R0 $P 01 00 ; ADD R0,R0 R0和自身相加，结果送R0 $P 02 30 ; OUT R0 R0的值送OUT单元显示 $P 03 E0 ; JMP START 跳转至00H地址 $P 04 00 ;
$P 05 50 ; HLT 停机 ; //***** End Of Main Memory Data *****// ; //** Start Of MicroController Data **// $M 00 000001 ; NOP
$M 01 006D43 ; PC->AR,PC加1 $M 03 107070 ; MEM->IR, P<1> $M 04 002405 ; R0->B $M 05 04B201 ; A加B->R0 $M 1D 105141 ; MEM->PC $M 30 001404 ; R0->A $M 32 183001 ; IN->R0 $M 33 280401 ; R0->OUT $M 35 000035 ; NOP
$M 3C 006D5D ; PC->AR,PC加1 ; //** End Of MicroController Data **/
选择联机软件的“【转储】—【装载】”功能，在打开文件对话框中选择上面所保存的文件，软件自动将机器程序和微程序写入指定单元。
选择联机软件的“【转储】—【刷新指令区】”可以读出下位机所有的机器指令和微指令，并在指令区显示，对照文件检查微程序和机器程序是否正确，如果不正确，则说明写入操作失败，应重新写入，可以通过联机软件单独修改某个单元的指令，以修改微指令为例，先用鼠标左键单击指令区的‘微存’TAB 按钮，然后再单击需修改单元的数据，此时该单元变为编辑框，输入6 位数据并回车，编辑框消失，并以红色显示写入的数据。
运行程序
联机运行
将MC 单元的编程开关置为‘运行’档，MEM 单元的编程开关也置为‘运行’档，进入软件界面，选择菜单命令“【实验】—【简单模型机】”，打开简单模型机数据通路图。 按动CON 单元的总清按钮CLR，然后通过软件运行程序，选择相应的功能命令，即可联机运行、监控、调试程序，当模型机执行完JMP 指令后，检查OUT 单元显示的数是否为IN 单元值的2 倍。在数据通路图和微程序流中观测指令的执行过程，并观测软件中地址总线、数据总线以及微指令显示和下位机是否一致。
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