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1、计算机组织与体系结构大型实验报告主题：机器指令设计实验题目：上下震荡班级：学号：学生姓名：指导老师：提交日期：一、实验目的（1）通过实验分析简单模型机结构，了解计算机工作原理。（2）掌握计算机微程序控制器的控制方法，掌握计算机指令执行过程。（3）简单模型计算机部件构架、微程序控制器中微程序代码功能实现、微程序流程、指令系统定义和简单模型计算机汇编语言程序进行验证。（4）在简单模型计算机基础上设计新的技巧指令，在第二章实验八的基础上实施，使用的实验部件和接线不变，增加5条新机器指令，目的是提高学生对计算机机器指令的理解
2、，锻炼学生自己动手设计模型计算机机器指令的能力。二、实验原理1.简单模型计算机构架简单模型计算机逻辑结构如图1所示，构成简单模型计算机的实验部件以总线为基本连接通道，主要有以下7个：（1）算术逻辑运算部件ALUUNIT进行算术逻辑运算操作。（2）存储器部件MEMUNIT，存储模型计算机汇编语言程序和操作数据。（3）地址寄存器部件ADDRESSUNIT,包含两部分电路，地址寄存器AR：接收存储器程序中的指令地址和指令中的数据地址；指令地址计数器PC：用于指示程序中的指令地址并通过地址缓冲器送往地址寄存器AR。（4）指令
3、寄存器部件INSUNIT，寄存器当前正在执行的机器指令，此指令的指令码通过指令译码器向微程序控制器指示相应的微程序入口地址；此指令的地址码指示的操作数地址，送往地址寄存器AR。（5）输入/输出部件INPUT/OUTPUT,操作数据的输入与输出显示。（7）通用寄存器部件REGUNIT,暂存运算的中间数据。（7）微程序控制器部件MAINCONTROLUNIT，控制各部件完成指令的功能。图1-简单模型计算机逻辑结构图1.简单模型计算机指令系统此简单模型计算机的指令系统包括控制台指令与机器指令。共三条控制台指令，由手动控制单
4、元（MANUALUNIT）的KB,KA开关设定。控制台指令只能由手工操作一条条指令，不能编写在汇编程序中。实验八已经给出5条机器指令。分别是输入指令INR0，PORTAR，算术加指令ADDR0，[ADDR]，寄存器内容送存储器指令STA[ADDR],R0，输出指令OUT[PORTAR],[ADDR]，转移指令JMPPORTAR。如表1所示。另外根据微指令格式，可以设计出实验要求的5条指令。先进行微指令译码分析，然后详细说明如何设计。表1-简单模型计算机机器指令表注：该模型机的输入输出设备端口号（PORTAR）只有一个
5、，为00H。DR指示4个通用寄存器中的一个。JMP为跳转地址为直接地址，即将ADDR赋值给PC。（1）微指令译码分析：当模型机的一条指令执行时，由指令译码器确定一个与此指令对应的微程序入口地址，经地址缓冲器送微控制存储器的地址通道，然后从微控制存储器相应单元中读出24位微指令代码，其中高17位送微指令控制代码段寄存器，由微指令译码器产生控制信号，低7位送微指令地址代码段寄存器（7位），指出微控制存储器中下一微指令的地址。微指令代码共分7段：（1）BTO:数据从总线送部件控制段，3位。（2）OTB：数据从部件送总线控制
6、端，3位。（3）FUNC：地址转移、读写功能控制端，3位。（1）FS：方式功能控制段：1位。（2）S3，S2，S1，S0，M，Ci:模式功能控制段，6位。（3）N：备分段，1位。（4）NEXT:下一条微指令地址段，7位。表2-微指令字段编码表编码+译码BTOOTBFS=1FS=0FUNC000 PC+1(T4) 001BUS>DA1(T4)ALU>BUS#J(1)M-W#(T3)010BUS>DA2(T4)299>BUS#J(2)M-R#(T2)011BUS>IR(T3)SR>BUS#J(3)I/O-W#(T3)1
7、00BUS>DR(T4)DR>BUS#J(4)I/O-R#(T2)101BUS>SP(T4)SI>BUS#J(5)INT-R#(T2)110BUS>AR(T3)SP>BUS#CyCn#INT-E#(T3)111BUS>PC#PC>BUS#CyNCn# 说明：DA1:运算器第一数据寄存器DA2:运算器第二数据寄存器IR：指令寄存器DR：R0-R3通用寄存器SP：堆栈寄存器AR：地址寄存器PC：指令地址寄存器SR：源寄存器SI：变址寄存器表3-散转微地址形成规则表散转条件散装微地址形成规则J(1)条件指令码I7I6=11
8、时,散转入口地址=微代码下址（OR）0,1,0,I5,I4,I3,I2指令码I7I6≠11时,散转入口地址=微代码下址（OR）0,0,0,I7,I6,I5,I4J(2)条件散转入口地址=微代码下址（OR）0,0,0,0,0,I3,I2J(3)条件散转入口地址=微代码下址（OR）0,0,0,0,0,KB,KAJ(4)条件散转入口地址=微代码下址（
