CPU-与简单模型机设计实验

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课后完成的题号与题数：

成绩: 自评成绩: 85

实验报告

实验名称：CPU 与简单模型机设计实验日期：2015.11.17

班级：10011302 学号：201302513 姓名：周小多

、实验目的：

1.掌握一个简单CPU 的组成原理。

2.在掌握部件单元电路的基础上，进一步将其构造一台基本模型计算机。

3.为其定义五条机器指令，编写相应的微程序，并上机调试掌握整机概念。

、实验内容：

1.

要实现一个简单的CPU，并且在此CPU 的基础上，继续构建一个简单的模型计算机。CPU 由运算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0），指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）组成, 如图2-1-1 所示。这个CPU 在写入相应的微指令后，就具备了执行机器指令的功能，但是机器指令一般存放在主存当中，CPU 必

须和主存挂接后，才有实际的意义，所以还需要在该CPU 的基础上增加一个主存和基本

的输入输出部件，以构成一个简单的模型计算机。

2.

本模型机和前面微程序控制器实验相比，新增加一条跳转指令JMP，共有五条指令：IN （输入）、ADD（二进制加法）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），HLT（停机），其指令格式如下（高４位为操作码）：

助记符机器指令码说明

IN 0010 0000 IN → R0

设计一段机器程序，要求从 IN 单元读入一个数据，存于 R0，将R0 和自身相加，结 果存于 R0，再将 R0 的值送 OUT 单元显示。根据要求可以得到如下程序，地址和内容均 为二进制数。

地址

内容

助记符

说明

00000000 00100000 ; START: IN R0 从 IN 单元读入数据送 R0

00000001 00000000 ; ADD R0,R0 R0 和自身相加，结果送 R0

00000010 00110000 ; OUT R0 R0

的值送 OUT 单元显示 00000011 11100000

; JMP START

跳转至 00H 地址

00000100 00000000

00000101

01010000

; HLT

停机

三、项目要求及分析：

1. 试修改现有的指令系统， 将加法指令的功能修改为 R0 的内容和某个存储单元的 内容相加;增加

存数、取数和减法三条机器指令， 指令助记符分别为 STA 、LAD 和 SUB ， 指令操作码分别为十六进制的 60、70和 80。

<1>R0和某个存储器相加， R0是可以直接读进来的， R0和另一个存储单元内容相加，如 果两个

值都是读入的话，就要将一个放在 R0中，可以直接读入，另一个放存在储单元。 可以先将值读入到 R0 中，在将 R0保存到其他的存储单元中，进行加法时从存储单元中 取出放在临时寄存器中，这样是两个寄存器相加减就可以。

具体步骤： 1）将R0中的数据送 ALU 中的A ； 2）给出另一个数在内存中的地址；

3）从内存中取出相应的数据并送 ALU 中的B ； 4）进行加法运算并将结果送 R0。

<2>对于增加存数、取数和减法三条机器指令，

存数指令 STA 具体操作过程如下：

1）从 IN 读入数据要存储的地址； 2）将地址送至 AR ； 3）从 IN 读入要存储的数据； 4）将数据送入内存中的相应存储单元。

对于取数指令 LAD 具体操作过程如下：

1）从 IN 读入数据的存储地址；

ADD

0000 0000 R0 + R0 →R0 OUT 0011 0000 R0→OUT JMP addr

HLT

1100 0000 0101 0000

addr → PC

停机

2）将存储地址送至AR ；

3）将取出的数据送至R0

减法指令的具体操作过程如下：

1）将被减数送至ALU 的Ａ；

2）将减数送至ALU 的Ｂ；

3）ALU 进行减法操作，结果送R0；

2. 利用修改后的指令系统编写一段程序，完成十六位二进制数的加减法运算。

答：十六进制比八进制多了一半，该内容利用的指令系统，编写相应的程序。可以先

将两个十六位的二进制数的高八位和低八位分别存入不同的地址，然后先取出两个数低

八位进行相加，送至OUT 单元显示，进位进行存储；再进行两个数低八位相加，结

果在数据总线出显示。

四、具体实现：

微程序设计流程图：

微代码

$M 00 000001 ; NOP

$M 01 006D42 ; PC->AR,PC

加1

$M 02 107073 ; MEM->IR, P<1>

$M 11 006412 ; pc->ar,PC++

$M 12 183013 ; mem->ar

$M 13 200401 ; mem->b

$M 15 006416 ; alu->r0 加法

$M 16 103001 ; pc->ar,PC++

$M 17 183018 ; mem->ar

$M 18 006419 ; mem->b

$M 19 102005 ; alu->r0 减法

$M 1D 105141 ; mem->ar

$M 2C 18302D ; R0->MEM STA

$M 2D 00642E ; m->ar

$M 2E 10202F ; m->r0 LAD

$M 2F 05B201 ; m->pc JMP PC++

$M 30 001417 ; R0->A 加法

$M 32 183001 ; R0->A 减法

$M 33 280401 ; pc->ar ,PC++ 置ro [AR]->R0 LAD

$M 35 000035 ; STA:PC->AR,PC++,mem->ar,R0->MEM(AR)

$M 36 183011 ; IN->R0 输入IN

$M 37 183015 ; R0->OUT 输出OUT

38 00142C ; pc

$M 3C 006D5D ; pc->ar JMP

<2>利用修改后的指令系统编写一段程序，完成十六位二进制数的加减法运算。

以下的一段程序用于实现两个16 位二进制数的加法，其思想为高位和低位分别对应相加，将低位的进位给高位，减法同理。结果的低八位在OUT单元显示，高八位数据在数据总线显示，最高位的进位忽略。

$P 00 60 STA 存加数的低八位

$P 01 60 STA 存被加数的低八位

$P 02 60 STA 存加数的高八位