【计算机组成与体系结构Ⅰ】实验5 CPU组成与机器指令执行实验_cpu组成与机器指令执行实验报告

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运行几条机器指令（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、实验设备

TEC-4计算机组成原理实验系统（实验箱）和仿真软件。

三、实验内容

1：机器指令系统组成的简单程序进行译码

 

2：根据框图完成连线

 

控制器是控制部件，数据通路（包括数据通路总图中运算器、存储器及输入输出等各模块）是执行部件，时序产生器是时序部件。

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。

    以仿真面板为例，各部件（微程序控制器、数据通路、控制台）之间所需要的连线如下图所示：

 

 最终的连线结果如下图所示：

 

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

第一步：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。

 

 第二步：令SW=1111 1111，按下QD。即把RAM中的FF内存单元供设置通用寄存器使用，此步为选中RAM中的FF内存单元.

 第三步：令SW=0000 0010，按下QD。即把通用寄存器R2的寄存器号写入IR中。

 第四步：令SW=0110 0000，按下QD。即把60H写入IR指定的R2寄存器中。

 第五步：令SW=0000 0011，按下QD。即把通用寄存器R3的寄存器号写入IR中。

 第六步：令SW=0110 0001，按下QD。即把61H写入IR指定的R3寄存器中。

 第七步：按下CLR#，使实验系统恢复到初始状态。

 

●  存程序机器代码

第一步：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。

 

 第二步：令SW=0000 0000，按下QD。将00H写入AR1。

 第三步：令SW=0101 1000，按下QD。将58H写入存储器00H单元。AR1自动加1，变为01H。

 第四步：令SW=0101 1101，按下QD。将5DH写入存储器01H单元。AR1自动加1，变为02H。

 第五步：令SW=0000 0100，按下QD。使AR1+1，AR1此时为03H。

 第六步：令SW=0110 0000，按下QD。使AR1+1。AR1此时为04H。

 第七步：按CLR#，令SW=0110 0000，按下QD。将60H写入AR1。

 第八步：令SW=0010 0100，按下QD。将24H写入存储器60H单元。AR1自动加1，变为61H。

 第九步：令SW=1000 0011，按下QD。将83H写入存储器61H单元。

 第十步：按CLR#，使实验系统恢复到初始状态。

第十一步：查询01H、02H、03H、04H、60H、61H存储单元中在之前步骤中所存储的数据是否正确。

 

 

4：用单拍（DP）方式执行一遍程序

设置SWC=0，SWB=0，SWA=0，计算机处于PR启动程序阶段，同时设置DP=1，DB=0，DZ=0，用SW7-SW0设置这几条指令的起始地址00H，按QD单拍执行。观察执行过程微地址变化和执行结果如下表所示：

最终运行结果如下图所示：保存在R0处的数据为两数相加的结果A7（1010 0111）。

 

 

5：比较单拍和单指方式执行程序

两种条件下寄存器的数据如下表所示：

 

四、实验数据通路总图

 

 

五、分析问题

1：为什么IR0,IR1对应接RD0、RD1, 还要接WR0、WR1？

RDl、RD0选择从A端口读出的寄存器，WR0、WR1选择被写入的寄存器。由于运算结果需写回寄存器中，因此需要同时指WRl、WR0，即IR0和IR1需要同时连接RD0、RD1和WR0、WR1。

2：KLD方式的功能是什么？为什么要用到内存的一个存储单元？

    KLD的功能是加载寄存器堆。该存储单元供设置通用寄存器使用，在设置通用寄存器值的时候，该存储单元会暂存寄存器的编号。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0。在本次实验中选用的为FFH。

3：总结实验出现的问题、解决办法，实验体会。

1. CPU运行指令主要需要如下几个过程：
   取指令：CPU的控制器从内存读取一条指令并放入指令寄存器。指令的格式一般是操作码+操作数的地址；
   指令译码：指令寄存器中的指令经过译码，决定该指令应进行何种操作（操作码）、操作数的地址。
   执行指令：执行指令分为取操作和进行运算两个阶段。
   修改指令计数器，决定下一条指令的地址。
2. 模型计算机如何区分所取的８位是数据还是指令：数据和指令存放在RAM存储器中。执行指令的过程分为取指令、指令译码、取操作数、运算、送结果。程序运行时计算机会根据指令和数据的访问阶段不同来区分二者，在取指令阶段取出的为指令，在取操作数阶段取出的为数据。
3. 
   TEC4-A模型计算机一条机器指令的字长为8位，前4位为操作码、后4位为寄存器编号。具体的机器指令格式如下图所示：
   
4. 在本实验中，把数据和地址存入RAM中的操作是一样的，首先通过SW7～SW0选中RAM中的目标存储单元，然后将数据通过SW7～SW0存入目标存储单元中。
5. 在本实验中，我们从00地址开始存4个机器代码，对应4条机器指令。在 60H存入24H，用于给R0置初值；在61H存入 83H，用于给R1置初值。
6. CPU的内部结构可分为：控制单元、逻辑运算单元、存储单元三大部分。其中，控制单元完成数据处理整个过程中的调配工作；逻辑单元完成各个指令以便得到程序最终想要的结果；存储单元负责存储原始数据以及运算结果。
7. 数据通路的各端口和微程序控制器的各端口相连，是因为微程序控制器需要向数据通路发出控制信号，以控制数据通路的运行。
8. 在本实验中，我们首先设置了通用寄存器内的值，然后在RAM里面存入了程序机器指令，最后通过单拍或单指的方式执行了一遍程序。因此，程序编写和运行的过程整体同上，即先存指令，后点运行。
9. 在遇到不理解的信号或操作时，优先在《TEC4 模型计算机介绍》中使用control+F键进行查找。