16BIT计算机组成原理实验十一

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1、实验十一、基于重叠和流水线技术的CPU结构实验一、实验目的：1.了解微程序控制器是如何控制模型机运行的，掌握整机动态工作过程;2.掌握重叠和流水线结构的工作原理及实现方法;3.定义五条机器指令，编写相应微程序并具体上机调试。二、实验设备：EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套，排线若干。三、模型机结构：图11-1模型机结构框图图中运算器ALU由U7—U10四片74LS181构成，暂存器1由U3、U4两片74LS273构成，暂存器2由U5、U6两片74LS273构成。微控器部分控存由U13—U15三片2816构成。除此之外，CPU的其它部分都由EP1K

2、10集成（其原理见系统介绍部分）。存储器部分由两片6116构成16位存储器，地址总线只有低八位有效，因而其存储空间为00H—FFH。输出设备由底板上的四个LED数码管及其译码、驱动电路构成，当D-G和W/R均为低电平时将数据总线的数据送入数码管显示。在开关方式下，输入设备由16位电平开关及两个三态缓冲芯片74LS244构成，当DIJ-G为低电平时将16位开关状态送上数据总线。在键盘方式或联机方式下，数据可由键盘或上位机输入，然后由监控程序直接送上数据总线，因而外加的数据输入电路可以不用。注：本系统的数据总线为16位，指令、地址和程序计数器均为8位。当数据总

3、线上的数据打入指令寄存器、地址寄存器和程序计数器时，只有低8位有效。四、工作原理重叠技术的原理为：程序开始执行时，先将若干条指令取入一个先进先出（FIFO）的指令队列。然后在指令译码的同时，从FIFO队列中取出下一条指令，打入指令寄存器，使得“取指令”和“执行指令”具有时空上的并行性。流水线技术是建立在重叠技术的基础上。本实验采用二级流水线结构，其原理为：使取指和指令译码同时进行，当上一条指令执行完成后，不再进行下一条指令的取指，而直接进入译码、执行过程，如次循环。在本实验中当PC指针为“00000001”时，先将第一条指令由RAM读出并打入指令寄存器，然

4、后顺序取出第2、3、4、5条指令的操作码送入FIFO队列。本实验与其它实验不同的是：本实验指令译码过程中P1测试和P2测试同时有效（对应于F3字段为“011”），以指令寄存器的I7—I2作为测试条件，产生5路分支，占用5个固定的微地址单元。同时PC指针加1，并将FIFO队列中的第一个数据（即下一条指令）取出打入指令寄存器。当上一条指令执行完成后，直接返回到译码阶段。以上这些操作均由EP1K10实现，有兴趣的读者可查看随机工程文件total_2.gdf。在24位微指令中，Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３三个字段的编码方案如表11－2：F1字段F2字段F3字段151413选择

5、121110选择987选择000LDRi000RAG000P1001LOAD001ALU-G001AR010LDR2010RCG010P3011自定义011自定义011P1P2100LDR1100RBG100P2101LAR101PC-G101LPC110LDIR110299-G110P4111无操作111无操作111无操作表11－2系统涉及到的微程序流程见图11-2（图中各方框内为微指令所执行的操作，方框外的标号为该条微指令所处的八进制微地址）。当全部微程序流程图设计完毕后，应将每条微指令代码化，表11-3即为将图11-2的微程序流程按微指令格式转化而成

6、的微代码表。图11-2（a）图11-2（b）五、实验参考代码本实验采用的微代码如下：微地址(八进制)微代码(十六进)00007F9001005B5B02015BD9040029C5059403D910010FD911011F4120005B5221005B5422014FD723005B5A2401CFD82706F3D030FF73D131006EE032011F4133016FDC34017FDD35017FDE36017FDF37017FC241005B4842005B494502F1D946018FD9510041C4表11-3实验微指令代码表本实

7、验机器指令代码如下:地址(十六进制)机器指令(十六进制)助记符000000010048INAx,kIN020005MOVBx,01H030001040094ADDAx,Bx050044OUTDISP,Ax060008JMP00H000000表11-4实验机器指令表注：其中MOV、JMP为双字长（32位），其余为单字长指令。对于双字长指令，第一字为操作码，第二字为操作数；对于单字长指令只有操作码，没有操作数。上述所有指令的操作码均为低8位有效，高八位默认为0。而操作数8位和16位均可。KIN和DISP分别为本系统专用输入、输出设备。六、实验连线采用键盘方式时

8、见连线图11-3。（连线时应按如下方法：对于横排座，应使排线插头上