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1、计算机组成原理实验课程计算机组成原理实验课程 实验四实验四 指令系统实验指令系统实验 实验目的：实验目的： 1. 读出系统已有的指令，并理解其含义。 2. 设计并实现一条新指令。 教学目标教学目标 1. 了解指令结构、PC寄存器的功能和指令系 统的基本工作原理。 2. 学习设计指令的方法。 一一. .背景知识(背景知识(1 1) 1. 1. 微程序和机器指令：微程序和机器指令： 通过前三次实验知道：一个计算机系统的硬件制作好以后，它的最 基本操作就确定了，即它的微指令系统就确定了。 必须有序地有序地使用一系列微指令才能完成一个实际需要的操作。在这些 “需要”的操作中，有一部分是使用频度很高，而。

2、且数条微指令即可完 成的简单操作，为方便使用，系统就把这部分简单操作的微指令序列序列固 定下来，存放在一个快速存储器中，这些微指令序列称为“微程序”， 这个快速存储器就是微程序存储器。 显然，一条微指令是最简单的微程序。 于是，用户在使用计算机时就以“微程序”为单位来排序简单操作， 达到解决实际复杂操作的目的。采用这种“硬件使用方式”的计算机系 统就叫微程序结构系统，调用微程序的方式就称为“机器指令”或“指 令”。 2. 2. 实验箱的机器指令系统：实验箱的机器指令系统： 实验箱每条(机器)指令都为4条微指令长度 (等长结构)，当实际需要的微指令数量不足4条时 用无效指令FFFFFFH补齐。最。

3、后一条有效微指令一定 是PC输出微指令，以执行下一条指令。 所有指令的微程序头尾相接地存放在微程序存储 器EM中。于是，每个微程序的起始地址(也叫入口 地址)的最后两位一定为00。因此，上次课介绍的图 2中上部161的P0和P1接地，IBUS不需要0号和1号线。 同时，这个地址就自然的成为这条(机器)指令 的二进制数表达形式，它就是指导书87页表中的“机 器码1”。这个机器码将按用户程序的编写顺序存放 在“指令存储器”EM中，等待PC寄存器的调用。 一一. .背景知识(背景知识(2 2) P0 Q0 P1 Q1 P2 Q2 P3 Q3 CEP CET CLK PE TC MR IBUS 2 I。

4、BUS 3 Ck IREN RST Vcc P0 Q0 P1 Q1 P2 Q2 P3 Q3 CEP CET CLK PE TC MR IBUS 6 IBUS 7 IBUS 4 IBUS 5 161 161 图 2 一一. .背景知识(背景知识(3 3) 3. 3. 实验箱机器指令系统的布线：实验箱机器指令系统的布线：a)EMa)EM布线和布线和IBUSIBUS信号的生成：信号的生成： RAM6116送出 的数据总上 IBUS去寻址 M微程序存储 器。低两位去 寻址寄存器 R0R3，形 成 101页表中 的“机器码1的 最后2位”。 A0 D0 D1 A7 A8 D2 A10 D7 G W E 。

5、A0 B0 B1 A2 A3 B2 A5 B7 A6 A7 E DIR A0 B0 A7 B7 DIR E Vcc 245 245 6116 ABUS07 EMRD EMWR CK EMEN DBUS07 IBUS27 SB SA ICOE 图1. EM原理图 ICOE=0 时送出中 断类型码 B8H 当EMEN0时数据 总线与RAM6116的 数据口接通， EMRD=0时读出数 据；EMWR=0时写 入数据。二者不能 同时为0。 ABUS的数据来自PC(取指令)或MAR(读 写数据)当来自MAR时，EMEN0，则数据通 过上边的245送上数据总线，这时系统使PC 的IREN1，所以IBUS上。

6、的值不影响PC。 一一. .背景知识(背景知识(4 4) 3. 3. 实验箱机器指令系统的布线：实验箱机器指令系统的布线：b)PCb)PC布线和布线和ABUSABUS信号的生成：信号的生成： PCOE=0时，CK上升沿 使PC寄存器的值加1， 并立即通过下部的245送 上地址总线(ABUS)，去 寻址指令寄存器EM。这 是PC的主功能。 LDPC=0时，CK上升沿 将数据总线(DBUS)的值 打入PC。 PCOE-D=0时，PC值立 刻送上数据总线。可以 通过打入操作再进入PC。 RST0时，使PC清0。 A0 B0 A3 B3 A4 B4 A7 B7 E DIR 245 DBUS03 ABU。

7、S07 P0 Q0 P3 Q3 CEP CET CLK PE TC MR P0 Q0 P3 Q3 CEP CET CLK PE TC MR A0 B0 A3 B7 A4 A7 E DIR 245 VccVcc DBUS47 CK LDPC RST PCOE-D PCOE 图2. PC原理图 161 161 一一. .背景知识(背景知识(5 5) 4. 4. 实验箱机器指令系统的工作原理：实验箱机器指令系统的工作原理： 一条指令的执行是从PC开始，PC通过地址总线(ABUS)发送 一个指令在程序存储器的地址到EM，EM把ABUS选定的存储单元的 值(指令的二进制数形式)的高6位通过IBUS送PC。

8、，低两位送SA 和SB，PC收到的6位值就是这条指令的微程序人口地址的高6位， PC据此生成EM的地址，并通过PC 总线送到EM，EM把 PC值选定单元的24位值送上控制总线CBUS，完成第一条微指令 的功能；同时PC 加1，输出这条指令的第二条微指令，直到执 行一条“取指令”微指令，则PC加1。开始执行下一条指令。 一一. .背景知识(背景知识(6 6) 5. 5. 实验箱实验箱PCPC的打入原理：的打入原理： 一条指令执行完毕PC会自动加1，系统顺序执行下一条指令， 但系统要进入一个新的指令序列时，如跳转、转子程序等，必须 给PC打入新的起始值新指令序列的入口地址。实验箱用图3 的电路实现。

9、把数据总线的值(目标地址)打入PC的操作，以更新PC 值。图中151是8选1输出器，选择功能如表1。 表表1 151选择表选择表 C B A ELP IR3 IR2 Z LDPC 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 X X Cy Z 0 0 1 I0 I1 Z I2 I3 Z I4 I7 A E B C Z Cy LDPC Vcc IR3 IR2 ELP 151 图3. PC打入电路 由表1可知：当ELP1时， LDPC1，无效，PC的值不会 被修改。当ELP0 0时，PC分三 种情况被修改： IR3、IR200，Cy(进位标志) 有效则修改PC；IR3、IR201， Z(0标。

10、志)有效则修改PC； IR3、 IR210和11，无条件修改PC。 图图4. 程序存储器模式的操作方法 一一. .背景知识(背景知识(7 7) 6. 6. 程序存储器模式下的操作：程序存储器模式下的操作： 在这个模式下可以观察和修改程 序存储器的内容，实现把一个指 令放在指定地址的存储单元中， 然后用PC输出这个地址，使这个 指令运行。操作方法如图4所示。 二二. . 实验任务实验任务 1. 考察机器指令考察机器指令64的各微指令信号，验证该指令的功能。的各微指令信号，验证该指令的功能。 (假设假设R0=77H, A=11H, 77地址单元存放地址单元存放56H数据数据,64指令指令 的下一条。

11、指令为的下一条指令为E8) 2. 修改机器指令修改机器指令E8，使其完成，使其完成“输出输出AW的结果左移一的结果左移一 位后的值到位后的值到OUT”操作。操作。 三三. 实验过程举例实验过程举例 实验任务：查看指令F8的各微指令的编码，推断F8的功能，然后将其 改为：“AINCy”后右移一位的值送OUT。 1、查看指令F8的各微指令的编码 由于指令(最低2位置0)是其微程序的入口地址,所以在EM中,在Adr字 段送入F8,按NX键,可查看其对应的微指令。 可以看到指令F8对应的各微指令码为：CBFFFF、FFFFFF、FFFFFF 和FFFFFF。 由控制总线功能对应表可知：FFFFFF微指。

12、令是无操作，CBFFFF是 EMRD、PCOE 和IREN三条控制线有效。 由图2知：PCOE0则PC1，并立即送上ABUS，即执行EM的下一 个单元中的机器指令读指令操作。而 EMRD0是读出EM的数据， IREN0是把读出的EM数据打入指令寄存器IR和微指令计数器PC。三者 同时有效正是读出下一条指令并立即执行。 提示：执行完“取址”(CBFFFFF)后，将执行下一条指令。所以后 续的三条微指令将不被执行。 2. 分解任务： 由于运算器只有AWCy的操作，所以第一步要把IN的内 容送W；第二步完成AWCy；并把“右移一位的值送OUT”； 第三步完成取指令。 3. 编制微指令： 由“控制总线。

13、功能对应表”， Ci： C23 C22 C21C20 C19 C18 C17 C16 功能：XRD EMWR EMRD PCOE EMENIREN EINT ELP C15 C14 C13 C12 C11 C10 C9 C8 MAREN MAROE OUTEN STEN RRD RWR CN FEN C7 C6 C5 C4 C3 C2 C1 C0 X2 X1 X0 WEN AEN S2 S1 S0 可确定这四步基本操作的微指令码为： FFFF0F FFDEBC CBFFFF FFFFFF 4. 操作: A. 在程序存储器EM模式下,将F8指令送入某个地址单元(如A0单元),则在 Adr下打入A。

14、0, DB下打入F8。 B.在微程序存储器EM模式下，输入此指令对应的四条微指令，即在Adr下 打入F8,MH、MM、ML下打入FFFF0F；按NX键进入F9地址，打入 FFDEBC，FA为CBFFFF，FB为FFFFFF。 C.在内部寄存器pc模式下赋值、执行 给pc打入值 (如00(任意取指指令))， PC(A0)，A(11)， W IN：22H(K16-K23)， 第一步取指 (STEP) 取指令F8 第二步实现功能(STEP) IN送W(22) 第三步实现功能 (STEP) A(11)+W(22)+Cy R门为19，再按一次STEP。则OUT寄存器中为19。 四四. 参考资料参考资料 实验指导书P.3743。 P.5463。 P.8788。 五五. 思考题思考题 在微指令结构的计算机中，一条指令从启在微指令结构的计算机中，一条指令从启 动到产生功能经过那些环节？动到产生功能经过那些环节？ 下次实验下次实验:综合应用(综合应用(1)，要求学生不能)，要求学生不能 随意走动，请做好预习工作。随意走动，请做好预习工作。。