计算机组织与体系结构课程设计 - 实验报告

一. 实验目的

1. 深入理解基本模型计算机的功能、组成知识。
2. 深入学习计算机各类典型指令的执行流程。
3. 学习微程序控制器的设计过程和相关技术，掌握 LPM_ROM 的配置方法。
4. 自己设计 5～8 条机器指令，并编写相应的微程序，上机调试，掌握计算机整机概念。掌握微程序的设计方法，学会编写二进制微指令代码表，全面了解并掌握微程序控制方式计算机的设计方法。

二. 实验原理

实验中，计算机数据通路的控制将由微过程控制器来完成，CPU 从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期，全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。

为了向 RAM 中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，还必须设计三个控制台操作微程序。

1. 存储器读操作（KRD）：下载实验程序后按总清除按键（CLR）后，控制台 SWA、SWB 为 “0 0” 时，可对 RAM 连续手动读操作。
2. 存储器写操作（KWE）：下载实验程序后按总清除按键（CLR）后，控制台 SWA、SWB 为 “0 1” 时，可对 RAM 连续手动写操作。
3. 启动程序（RP）：下载实验程序后按总清除按键（CLR）后，控制台 SWA、SWB 为 “1 1” 时，即可转入到微地址 “01” 号 “取指令” 微指令，启动程序运行。

设计指令说明

其中 IN 为单字长（8 位二进制），其余为双字长指令，XX H 为 addr 对应的十六进制地址码。

当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，设计出二进制微代码表（前提是去弄懂每一位的含义）。笔者在设计的时候为了方便查看，在下表中将每个在相同模块里的微指令用相同的颜色进行了标识。

微程序流程图

三. 实验步骤

（1）微程序的输入

根据设计出来的二进制微代码表，将微指令按顺序放入 LPM_ROM 配置文件 ROM_5.mif 里。

（2）编辑RAM中的内容

（3）指令功能的验证

1. 编译工程文件，将 .sof 文件上传至实验箱内。

2. 按 1 次系统复位键 8 ，并置键 8 为高电平，使 CPU 允许正常工作。

3. 控制开关（键 4 、键 3 ）设置为 SWB,SWA = 1,1 ，处于程序执行方式。

4. 通过键 2 、键 1 输入运算数据，如 34H ，按 4 次单步键 7，产生 2 个脉冲，执行 2 条微指令，微程序流程进入到控制台的 RP(11) ，此时的微指令地址是 23，微指令码 MC = 008001，IN = 34H。

5. 再用键 7 产生 1 个脉冲，执行 1 条微指令，微程序流程进入到 运行微程序 的最上块： 此时 PC = 00 送地址寄存器 AR = 00 ， PC 自动加 1 ，PC = 01， MC = 01ED82，IN = 34H。

6. 键 7 产生 1 个脉冲，执行微指令 MC = 00C048，RAM 中的第一条指令码 00 进入
   BUS，再由 BUS 进入指令寄存器 IR = 00。键 7 再进 1 个脉冲，进入 MC = 001001，执行指令 IN，送数 IN -> R0 = 34H。

7. 键 7 产生 1 个脉冲，执行完 IN 指令后，返回到初始端，执行微指令 MC = 01ED82。

8. 键 7 产生 2 个脉冲后，执行微指令 MC = 01ED83，即执行 SUB 指令的第 1 步：PC 送 AR = 02 ，PC + 1 = 03 ，这时 RAM 中在 02 地址的 0AH 进入 BUS = 0A。

9. 键 7 产生 1 个脉冲，执行微指令 MC = 00E004 ，即执行 SUB 指令的第 2 步： BUS 数据送 AR = 0A，由于 0A 是 SUB 指令的加数的间接地址，而在地址 0A 中放有 01H，最后完成的减法是 34H - 01H = 33H。

10. 键 7 产生 1 个脉冲，MC = 00B005 ，执行 SUB 的第 3 步：将 RAM 中 0A 地址的数据 01H 送 BUS ，再送 DR2 = 01H。注意，此时指令寄存器 IR 中仍放有 SUB 的操作码 10H， PC = 03 指向下一条指令 AND。

11. 键 7 产生 1 个脉冲，MC = 01A206，执行 SUB 的第 4 步（微地址是 05）， R0 送 DR1 = 34H。

12. 键 7 产生 1 个脉冲，MC = 619A01 ，执行 SUB 的最后一步，DR1 - DR2 = 33H，通过总线 BUS 送 R0 = 33H。 键 7 再产生 1 个脉冲，返回到初始端，执行微指令 MC = 01ED82。

13. 键 7 产生 2 个脉冲，MC = 01ED95，执行 AND 指令；键 7 再 4 个脉冲后，位运算与的结果 33H & 12H = 10H 被写入 R0 ，即 R0 = 10H 。键 7 产生 1 个脉冲后返回到初始端，执行微指令 MC = 01ED82。

14. 键 7 产生 2 个脉冲，MC = 01ED99，执行 MOV 指令；键 7 再 2 个脉冲后， RAM 中地址为 0C 的数字 00H 被写入 DR2，即 DR2 = 00H 。键 7 产生 1 个脉冲后返回到初始端，执行微指令 MC = 01ED82。

15. 键 7 产生 2 个脉冲，MC = 01A21B，执行 INC 指令；键 7 再 1 个脉冲后，R0 中的值加 1，即 R0 = 11H 。键 7 产生 1 个脉冲后返回到初始端，执行微指令 MC = 01ED82。

附：实验过程中的图片

四. 实验感想

由于「计算机组织与体系结构」是上学期的课程，时隔将近 4 个月后再接触到相关的知识，有一种熟悉又陌生的感觉，当时学到的一些知识已经有所遗忘。所以笔者在设计指令之前，又对 CPU 、数据通路、总线等相关知识进行了回顾与复习。在这次漫长的设计实验以后，我对这方面的知识理解得以更加深刻。

设计指令并构造 24 位微代码是十分辛苦的，在设计第一条指令时花费了很长时间。随着自己对每一位的含义的越来越熟悉，同时也发现了不同指令在某些地方的相似之处，我明白了老师课前所提到的“开头设计指令很慢，之后会越来越快”的含义：有些指令有许多部分是很相似的，在代码上的不同很少，主要是会因为执行下一条指令的位置不同而不同。

同时当时自己为了设计方便，构建微代码表时基本把相同的指令用到的微操作都放在了一起，不断向微地址大的地方累加，这也造成了本人微代码表中会有空行的出现（详见下图），这也是我在实验中意识到自己不足的一个地方。

总的来说这次实验虽然辛苦，但是我收获颇丰。当理论与实际结合起来，并通过自己的努力验证了理论的正确性的时候，心中的激动和成就感是很足的。

最后感谢老师在实验中耐心的答疑与同伴在我出现问题时的“拔刀相助”。