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[合著] ＣＰＵ组成与机器指令执行实验

[ 2007-06-26 17:00:55 ]
　　引言/提要：与白中英老师等合著，《计算机组成原理题解、题库与实验》第三版，科学出版社，2000年。

　　关键词：计算机组成原理，实验仪，实验教材

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运行九条机器指令（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，牢固建立机器的整机概念。

二、实验电路
数据通路总体图

　　本次实验用到前面四个实验中的所有电路，包括运算器、存储器、通用寄存器组、程序计数器、指令寄存器、微程序控制器等，将几个模块组合成为一台简单计算机。因此，在基本实验中，这是最复杂的一个实验，也是最能得到收获的一个实验。
　　在前三个实验中，我们实验者本身作为“控制器”，完成数据通路的控制。而在本次实验中，数据通路的控制将由微程序控制器来完成。ＣＰＵ从内存取出一条机器指令到执行指令结束的一个机器指令周期，是由微指令组成的序列来完成的，即一条机器指令对应一个微程序。

三、实验设备
　　（１）ＪＹＳ－４计算机组成原理实验仪一台
　　（２）双踪示波器一台
　　（３）直流万用表一只
　　（４）逻辑测试笔一支

四、实验任务
　　（１）对机器指令系统组成的简单程序进行译码。
　　将下表的程序按指令格式手工汇编成十六进制机器代码，此项任务应在预习时完成。

地址	指令	机器代码
00	LDA　R0,[R2]
01	LDA　R1,[R3]
02	ADD　R0,R1
03	JC　+5
04	AND　R2,R3
05	SUB　R3,R2
06	STA　R3,[R2]
07	MUL　R0,R1
08	STP
09	JMP　00

　　（２）按照下面框图，参考前面实验的电路图完成连线，控制器是控制部件，数据通路（包括上面各模块）是执行部件，时序产生器时序部件。连线包括控制面板、时序部分、数据通路和微程序控制器之间的连接。其中，为把操作数传送给通用寄存器组ＲＦ，数据通路上的ＲＳ１、ＲＳ０、ＲＤ１、ＲＤ０应分别与ＩＲ３至ＩＲ０连接，ＷＲ１、ＷＲ０也应接到ＩＲ１、ＩＲ０上。

连线示意图

　　（３）将上述任务（１）中的程序机器代码用控制台（ＫＴ）微程序存入内存中，并根据程序的需要，用数码开关ＳＷ设置通用寄存器Ｒ２、Ｒ３及内存相关单元的数据。注意：由于设置通用寄存器时会破坏内存单元的数据，因此应先设置寄存器的数据，再设置内存数据。
　　（４）用单拍（ＤＰ）方式执行一遍程序，列表记录通用寄存器组ＲＦ中四个寄存器的数据，以及由ＳＴＡ指令存入ＲＡＭ中的数据（程序结束后从ＲＡＭ的相应单元中读出），与理论分析值作对比。单拍方式执行时注意观察微地址指示灯、ＢＵＳ／ＩＲ指示灯、ＡＲ１／ＡＲ２指示灯、微地址指示灯和判断字段指示灯的值，以跟踪程序中取指令和执行指令的详细过程（可观察到每一条微指令）。
　　（５）以单指（ＤＺ）方式重新执行程序一遍，注意观察ＢＵＳ／ＩＲ指示灯、ＡＲ１／ＡＲ２指示灯的值（可观察到每一条机器指令）。列表记录ＲＦ中四个寄存器的数据，以及由ＳＴＡ指令存入ＲＡＭ中的数据，与理论分析值作对比。注意：单指方式执行程序时，四个通用寄存器和ＲＡＭ中的原始数据与第一遍执行程序的结果有关。
　　（６）以连续方式（ＤＢ、ＤＰ、ＤＺ都设为０）再次执行程序。这种情况相当于计算机正常运行程序。由于程序中有停机指令ＳＴＰ，程序执行到该指令时自动停机。列表记录ＲＦ中四个寄存器的数据，以及由ＳＴＡ指令存入ＲＡＭ中的数据，与理论分析值作对比。同理，程序执行前的原始数据与第二遍执行结果有关。

五、实验要求
　　（１）务必做好实验预习，做到头脑清醒，思路清晰，以便进行实验时忙而不乱，心中有数。
　　（２）根据实验任务所提要求，实验进行前先列好必要的表格、数据和理论分析值，以便与实验结果相比较。
　　（３）本次实验中接线工作量稍多，务必仔细，以免信号线接错而控制出错，影响实验进度。
　　（４）写出实验报告，内容是
　　　１．实验目的；
　　　２．实验任务（１）－（６）的数据表格；
　　　３．值得讨论的其他问题。