实验结果： 《计算机组成原理》实验报告 -5-
3.4 复杂模型机的设计与实现 一、实验目的 综合运用所学计算机原理知识，设计并实现较为完整的模型计算机。 二、实验设备 Dais-CMX08+计算机组成原理教学实验系统一台，实验用导线若干。 三、数据格式及指令系统 1. 数据格式 模型机规定采用定点补码表示数据，且字长为8位，其格式如下： 7 符号 6 5 4 3 2 1 0 尾 数 2. 指令格式 模型机设计四大类指令共16条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访问及转移指令和停机指令。 ⑴ 算术逻辑运算指令 设计9条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下： 7 6 5 4 OP-CODE 3 2 1 0 Rs Rd 其中，OP-CODE为操作码，Rs为源寄存器，Rd为目的寄存器，并规定： Rs或Rd 00 01 10 11 选定的寄存器 R0 R1 R2 R3 ⑵ 访问指令及转移指令 模型机设计2条访问指令，即存数（STA）、取数（LDA），2条转移指令，即无条件转移（JMP）、结果为零或有进位转移指令（BZC），指令格式为： 7 6 5 4 0 0 M 3 2 2OP-CODE 1 0 Rd D（低八） ⑶ 停机指令 7 6 5 4 OP-CODE 3 2 0 0 1 0 0 0 其中“0 0 M ”为源码段，2OP-CODE为目的码段（LDA、STA指令使用）。D为十六位地址段（低八在前，高八随后），M为源寻址模式，其定义如下： 寻址模式M 有效地址E 说 明 00 E = D 直接寻址 01 E = (D) 10 E = (SP)+D 间接寻址11 E = (PC)+D SP变址寻址 《计算机组成原理》实验报告 -6-
相对寻址 ⑷ I/O指令 输入（IN）和输出（OUT）指令采用单字节指令，其格式如下： 7 6 5 4 1 1 0 M 3 2 2OP-CODE 1 0 Rd 格式中“1 1 0 M”为源码段，其中M=0为IN指令，M=1为OUT指令，Rd为源与目的寄存器。2OP-CODE为字与字节操作段。它的定义如下： 3 2 0 0 0 1 1 X 说明 偶递偶（字节） 奇递奇（字节） 字操作 3. 指令系统 本模型机共有16条基本指令，其中算术逻辑指令7条，访问内存指令和程序控制指令4 条，输入输出指令2条，其它指令1条。下表列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。助记符 LDA M,D,Rd 0 0 STA M,D,Rd 0 0 JMP M,D BZC M,D MOV Rd,Rs ADC Rd,Rs SBC Rd,Rs AND Rd,Rs CLR Rd INC Rd CPL Rd RRC Rd RLC Rd IN Rd,I/O 0 0 0 0 指令格式 M M M M 00 Rd E→Rd 01 Rd Rd→E 10 00 E→PC 11 00 当CY=1或Z=1时，E→PC 功 能 0 1 0 0 Rs Rd Rs→Rd 0 1 0 1 Rs Rd Rs+Rd+CY→Rd 0 1 1 0 Rs Rd Rs-Rd-CY→Rd 0 1 1 1 Rs Rd Rs∧Rd→Rd 1 0 0 0 00 Rd 0→Rd 1 0 0 1 00 Rd Rd+1→Rd 1 0 1 0 00 Rd Rd→Rd 1 0 1 1 00 Rd CY→Rd 1 1 0 0 00 Rd CY→Rd 1 1 0 1 00 Rd I/O→Rd OUT Rd,I/O 1 1 1 0 00 Rd Rd→I/O HALT 1 1 1 1 00 00 停机 《计算机组成原理》实验报告 -7-
图3-4-1 复杂模型机微程序流程图 按照系统建议的微指令格式，参照微指令流程图，将每条微指令代码化，译成二进制代码，并将二进制代码表转换成十六进制格式文件。 M23 M22 M21 M20 M19 M18 M17 M16 M15 M14 M13 M12 M11 M10 M9 M8 M7 M6 M5 M4 M3 M2 M1 M0 E/M IP MWR R/M 目的编码 OP M CN S2 S1 S0 源编码 XP W ALU Iu IE IR Icz Ids 《计算机组成原理》实验报告 -8-
源编码 M10 M9 X2 1 1 1 1 0 0 0 0 X1 1 1 0 0 1 1 0 0 M8 X0 1 0 1 0 1 0 1 0 功能 禁止 ALU SP IOR MRD XRD RRD PC 目的编码 M19 M18 M17 O2 1 1 1 1 0 0 0 0 O1 1 1 0 0 1 1 0 0 O0 1 0 1 0 1 0 1 0 功能 禁止 MAR BX AX SP IOW XWR RWR 实验列举的机器指令程序： 地址 指令代码 助记符 IN RX0 IN R2 ADC R0,R2 MOV R1,R0 RLC R0 BZC 00H HALT 功能 I/O→R0 IO奇→R2 RS+RD→RD RS→RD RLC RD BZC 00H 停机 000 D0 001 D6 002 58 003 41 004 C0 005 0C 00 007 F0 四、实验环境判断与设置 在进入实验操作之前对实验环境作如下判别 1、若处“搭接”态，必须卸去实验连接，然后参阅本书P124页5.2.2小节，把实验环境设为“微控”、“在线”。 2、若处非“微控”态，参阅本书P124页5.2.2小节，把实验环境设为“微控”、“在线”。 五、实验方法 ㈠键盘操作 ⑴机器程序与对应的微控制程序的写入： 在待令状态下，键入数字键“4”，然后再键入【减址】命令键，实验装置自动装载复杂模型机代码程序及对应的微程序。 ⑵运行程序 ①单拍运行：每按一次【单拍】按钮模型机运行一拍，系统提供可变时序，非“取指”微周期它的节拍按→T1→T3→T4→ 次序循环，在取指微周期按→T1→T2→T3→T4→ 次序循环。 ②微单步：每按一次【单步】命令键运行一条微指令，对照微程序流程，观察微址是否和流程一致。对照微指令表，观察执行结果是否和理论值一致。 ③宏运行（指令单步或宏调用）：每按动一次【宏运】命令键，运行一条机器指令。对照机器指令程序，观察PC地址是否和流程一致。 ④程序运行与暂停：按动【运行】命令键使模型机进入实时运行状态；在实时运行状态按左下方任一数字键即可暂停模型机程序的运行，以便实验者查看模型机现场。 《计算机组成原理》实验报告 -9-