16BIT计算机组成原理实验十二

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1、实验十二、RISC模型机实验一、实验目的：1.掌握精简指令系统计算机(RISC)的含义及其工作流程。2.了解RISC处理器的设计方法。3.定义若干条机器指令，观察其运行过程和运行结果。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12-1RISC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。ALU的操作控制信号“S3S2S1S0MCn”设置为固定的电平信号“100101”，使其只能进行加法运算。除此之外，CP

2、U的其它部分都由EP1K10集成（其原理见系统介绍部分）。本实验与前面实验的不同之处在于，机器指令的执行不通过微程序控制，而通过指令译码器直接译出各部件的控制信号，以硬布线方式控制，使得指令的执行速度大大加快，这也是RISC处理器的最大特点。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

3、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1、本实验中RISC处理器定义了五条指令：MOV（寄存器寻址）、MOV（存储器寻址）、ADD、OUT、JMP。寻址方式采用寄存器寻址和立即数寻址两种。单字长指令格式为（高八位默任为0）：D7D6D5D4D3D2D1D0操作码RsRd双字长指令格式为（高八位均默任为0）：D7D6

4、D5D4D3D2D1D0操作码RsRd立即数Rs、Rd不同的状态选中不同的寄存器，具体如下表所示：Rs或Rd寄存器00Ax01Bx10Cx11DR1（加法暂存器1）以上所有的指令均在一个机器周期内实现。1、本实验所用指令如下：MOV：1000RsRd(寄存器寻址)ADD：100111RdJMP：000110RsMOV：000001Rd（存储器寻址）DATA(立即数)OUT：010001Rs指令说明：MOV（寄存器寻址）表示将Rs寄存器的数送给Rd寄存器。MOV（存储器寻址）表示将立即数DATA送给寄存器Rd。JMP为转移指令，跳转地址为Rs寄存器中的值。AD

5、D为加法指令，被加数固定为DR1，与加数Rd相加后送给Rd。OUT指令表示将寄存器Rs的数据输出至显示单元。3、本实验中也设置了对机器指令的三种操作状态，由CA2、CA1决定。CA2=1、CA1=0或CA2=0、CA1=1对应于写指令状态；CA2=0、CA1=0对应与读指令状态；CA2=1、CA1=1对应于指令执行状态，其流程见图12-2。（注：CA1、CA2由控制总线的E4、E5给出。键盘操作方式时由监控程序直接对E4、E5赋值，无需接线。开关方式时可将E4、E5接至控制开关CA1、CA2，由开关来控制。）4、指令译码器的内部逻辑见随机工程文件total_

6、3.gdf。五、实验参考代码本实验机器指令如下表所示：地址（H）内容（H）助记符说明000004MOVAx，0001H0001H—>Ax010001020005MOVBx，0001H0001H—>Bx030001040087MOVDR1，BxBx—>DR105009CADDAx，DR1Ax+DR1—>Ax060044OUTDISP,AxAx—>LED070005MOVBx，0002H02H—>Bx080002090019JMPBxBx—>PC表12-1RISC实验机器指令表注：DR1为累加器的暂存器1。其中MOV、JMP为双字长（32位），其余为单字长指令。

7、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。DISP为本系统专用输出设备。六、实验连线键盘方式见连线图12-3，开关方式见连线图12-4。（连线时应按如下方法：对于横排座，应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上；对于竖排座，应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上）七、实验步骤实验前首先将CPU板上的J1-J6跳线均接至EPC2OFF，然后通过CPU板上JTAG口将total_3.pof文件写入FPGA。Ι、键盘操作方式实验按照接线图12

8、-3将线全部接好。调整控制开关，使C-G=‘0’，S