计算机组成原理实验指导书 本文简介：
计算机组成原理实验指导书目录实验一8位算术逻辑运算实验1实验二带进位控制8位算术逻辑运算实验5实验三16位算术逻辑运算实验8实验四移位运算器实验12实验五存储器实验14实验六微控制器实验17实验七基本模型机的设计与实现25实验前说明本章将详细介绍每个实验的实验目的、实验原理、软硬件的设计方法等，在实
计算机组成原理实验指导书 本文内容：
计算机组成原理
实验指导书目
录实验一
8位算术逻辑运算实验
1实验二
带进位控制8位算术逻辑运算实验
5实验三
16位算术逻辑运算实验
8实验四
移位运算器实验
12实验五
存储器实验
14实验六
微控制器实验
17实验七
基本模型机的设计与实现
25实验前说明本章将详细介绍每个实验的实验目的、实验原理、软硬件的设计方法等，在实验前实验者必须重温计算机组成原理前序课程《数字逻辑》，它是完成本章实验的基础。通过本章实验让实验者加深对所学课程的理论知识的理解，力图使实验者的实验动手能力与综合能力进一步提高，同时可以完成对学生阅读计算机硬件逻辑图的综合培训。
在DVCC系列实验计算机上进行实验时，部分实验线路需要实验者自己连接，连接时，单个信号线相连时，选用单股实验导线，根据实验中的连线要求，将对应信号线相连；多个信号线相连时，选用排线（4芯、5芯、6芯、8芯），根据实验中的连线要求，将对应的信号插座连接起来，凡是多芯信号插座，都用一个白色小圆点作为第一脚的标志，只要一对一就行。
做实验前跳线设置：
（1）、J20，J21，J22，ZI2,CN4
CN0接上短路片，
（2）、JJ23，J24，J25，J26接左边；
（3）、J27,J28
右边；
（4）、J29不接；
（5）、JA1，JA2，JA3，JA4置“高阻”；
（6）、JA5置“接通”；
（7）、JA6置“手动”；
（8）、JA8置“微程序”
实验一
8位算术逻辑运算实验一、实验目的
1、
掌握简单运算器的数据传送通路组成原理。
2、
验证算术逻辑运算功能发生器
74LS181的组合功能。二、实验内容
1、
实验原理
实验中所用的运算器数据通路如图3－1所示。其中运算器由两片74LS181以并/串形成8位字长的ALU构成。运算器的输出经过一个三态门74LS245(U33)到内部数据总线BUSD0～D7插座BUS1～2中的任一个（跳线器JA3为高阻时为不接通），内部数据总线通过LZD0～LZD7显示灯显示；运算器的两个数据输入端分别由二个锁存器74LS273（U29、U30）锁存，两个锁存器的输入并联后连至内部总线BUS，实验时通过8芯排线连至外部数据总线EXD0～D7插座EXJ1～EXJ3中的任一个；参与运算的数据来自于8位数据开并KD0～KD7，并经过一三态门74LS245（U51）直接连至外部数据总线EXD0～EXD7，通过数据开关输入的数据由LD0～LD7显示。
图中算术逻辑运算功能发生器
74LS181（U31、U32）的功能控制信号S3、S2、S1、S0、CN、M并行相连后连至6位功能开关，以手动方式用二进制开关S3、S2、S1、S0、CN、M来模拟74LS181（U31、U32）的功能控制信号S3、S2、S1、S0、CN、M；其它电平控制信号LDDR1、LDDR2、ALUB`、SWB`以手动方式用二进制开关LDDR1、LDDR2、ALUB、SWB来模拟，这几个信号有自动和手动两种方式产生，通过跳线器切换，其中ALUB`、SWB`为低电平有效，LDDR1、LDDR2为高电平有效。
另有信号T4为脉冲信号，在手动方式下进行实验时，只需将跳线器J23上T4与手动脉冲发生开关的输出端SD相连，按动手动脉冲开关，即可获得实验所需的单脉冲。
2、实验接线
本实验用到4个主要模块：⑴低8位运算器模块，⑵数据输入并显示模块，⑶数据总线显示模块，⑷功能开关模块（借用微地址输入模块）。
根据实验原理详细接线如下：
1、J20,J21,J22,接上短路片，
2、J24，J25，J26接左边；
3、J27,J28
右边；
4、J23
置右边T4选“
SD”
5、JA5
置“接通”；
6、JA6
置“手动”；
7、JA3
置“接通”；
8、JA1,JA2,JA4置“高阻”；
9、JA8
置上面“微地址”
10、EXJ1接BUS3
11、开关CE
、AR
置13、实验步骤
⑴
连接线路，仔细查线无误后，接通电源。
⑵
用二进制数码开关KD0～KD7向DR1和DR2寄存器置数。方法：关闭ALU输出三态门（ALUB`=1），开启输入三态门（SWB`=0），输入脉冲T4按手动脉冲发生按钮产生。设置数据开关具体操作步骤图示如下：
说明：LDDR1、LDDR2、ALUB`、SWB`四个信号电平由对应的开关LDDR1、LDDR2、ALUB、SWB给出，拨在上面为“1”，拨在下面为“0”，电平值由对应的显示灯显示，T4由手动脉冲开关给出。
⑶
检验DR1和DR2中存入的数据是否正确，利用算术逻辑运算功能发生器
74LS181的逻辑功能，即M=1。具体操作为：关闭数据输入三态门SWB`＝1，打开ALU输出三态门ALUB`＝0，当置S3、S2、S1、S0、M为1
1
1
1
1时，总线指示灯显示DR1中的数，而置成1
0
1
0
1时总线指示灯显示DR2中的数。
⑷
验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能（采用正逻辑）
在给定DR1=35、DR2=48的情况下，改变算术逻辑运算功能发生器的功能设置，观察运算器的输出，填入表3—1中，并和理论分析进行比较、验证。
实验二
带进位控制8位算术逻辑运算实验一、实验目的
1、
验证带进位控制的算术逻辑运算发生器的功能。
2、
按指定数据完成几种指定的算术运算。二、实验内容
1、实验原理
带进位控制运算器的实验原理如图3－2所示，在实验⑴的基础上增加进位控制部分，其中高位74LS181（U31）的进位CN4通过门UN4E、UN2C、UN3B进入UN5B的输入端D，其写入脉冲由T4和AR信号控制，T4是脉冲信号，在手动方式下进行实验时，只需将跳线器J23上T4与手动脉冲发生开关的输出端SD相连，按动手动脉冲开关，即可获得实验所需的单脉冲。AR是电平控制信号（低电平有效），可用于实现带进位控制实验。从图中可以看出，AR必须为“0”电平，D型触发器74LS74（UN5B）的时钟端CLK才有脉冲信号输入。才可以将本次运算的进位结果CY锁存到进位锁存器74LS74（UN5B）中。
2、实验接线
1、J20,J21,J22,接上短路片，
2、J24，J25，J26接左边；
3、J27,J28
右边；
4、J23
置右边T4选“
SD”
5、JA5
置“接通”；
6、JA6
置“手动”；
7、JA3
置“接通”；
8、JA1,JA2,JA4置“高阻”；
9、JA8
置上面“微地址”
10、EXJ1接BUS3
11、CE、299B
置“1”，AR置“0”；3、实验步骤
⑴
仔细查线无误后，接通电源。
⑵
用二进制数码开关KD0～KD7向DR1和DR2寄存器置数，方法：关闭ALU输出三态门ALUB=1，开启输入三态门SWB=0，输入脉冲T4按手动脉冲发生按钮产生。如果选择参与操作的两个数据分别为55H、AAH，将这两个数存入DR1和DR2的具体操作步骤如下：⑶
开关ALUB=0，开启输出三态门，开关SWB=1，关闭输入三态门，同时让LDDR1=0，LDDR2=0。
⑷
如果原来有进位，即CY=1，进位灯亮，但需要清零进位标志时，具体操作方法如下：
·S3、
S2、
S
1、S0、
M
的状态置为0
0
0
0
0，AR信号置为“0”电平（清零操作时DR1寄存
器中的数应不等于FF）。
·按动手动脉冲发生开关，CY=0，即清进位标志。
注：进位标志指示灯CY亮时表示进位标志为“1”，有进位；进位标志指示灯CY灭时，表示进位位为“0”，无进位。
⑷
验证带进位运算及进位锁存功能
这里有两种情况：
·进位标志已清零，即CY=0，进位灯灭，此时，使开关CN=0，再来进行带进位算术运算。例如步骤⑵参与运算的两个数为55H和AAH，当S3、
S2、
S1、
S0、
M
状态为1
0
0
1
0
，此时输出数据总线显示灯上显示的数据为DR1加DR2再加初始进位位“1”（因CN=0），相加的结果应为ALU=00，并且产生进位，此时按动手动脉冲开关，则进位标志灯亮，表示有进位。如果开关CN=1，则相加的结果ALU=FFH，并且不产生进位。
·原来有进位，即CY=1，进位灯亮，此时不考虑CN的状态，再来进行带进位算术运算。同样步骤⑵参与运算的两个数为55H和AAH，当S3、
S2、
S1、
S0、
M
状态为1
0
0
1
0
，此时输出数据总线显示灯上显示的数据为DR1加DR2再加当前进位标志CY，相加的结果同样为ALU=00，并且产生进位，此时按动手动脉冲开关，则进位标志灯亮，表示有进位。实验三16位算术逻辑运算实验一、实验目的
1、掌握16位算术逻辑运算数据传送通路组成原理。
2、进一步验证算术逻辑运算功能发生器
74LS181的组合功能。二、实验内容
1、实验原理
实验中所用16位运算器数据通路如图3－3所示。其中运算器由四片74LS181以并/串形成16位字长的ALU构成。低8位运算器的输出经过一个三态门74LS245（U33）到内部总线，低8位数据总线通过LZD0～LZD7显示灯显示；高8位运算器的输出经过一个三态门74LS245（U33`）到ALUO1`插座，实验时用8芯排线和高8位数据总线BUSD8～D15插座KBUS1或KBUS2相连，高8位数据总线通过LZD8～LZD15显示灯显示；参与运算的四个数据输入端分别由四个锁存器74LS273（U29、U30、U29`、U30、）锁存，实验时四个锁存器的输入并联连至内部数据总线再用8芯线连接到外部数据总线EXD0～D7插座EXJ1～EXJ3中的任一个；参与运算的数据源来自于8位数据开并KD0～KD7，并经过一三态门74LS245（U51）直接连至外部数据总线EXD0～EXD7，输入的数据通过LD0～LD7显示。
2、实验接线
本实验用到6个主要模块：⑴低8位运算器模块，⑵数据输入并显示模块，⑶数据总线显示模块，⑷功能开关模块（借用微地址输入模块），⑸高8位运算器模块，⑹高8位（扩展）数据总线显示模块。
根据实验原理详细接线如下：
1、J20,J21,J22,接上短路片，
2、J24，J25，J26接左边；
3、J27,J28
左边
4、J23
置右边T4选“
SD”
5、JA5
置“接通”；
6、JA6
置“手动”；
7、JA3
置“接通”；
8、JA1,JA2,JA4置“高阻”；
9、JA8
置上面“微地址”
10、EXJ1接BUS3
11、ALO1"接KBUS1
12、开关CE
、AR
置1
13、ZI2，CN4，CN0接上短路片3、实验步骤
⑴
连接线路，仔细查线无误后，接通电源。
⑵
用二进制数码开关KD0～KD7向DR1、DR2、DR3、DR4寄存器置数。方法：关闭ALU输出三态门应使ALUB`=1（即开关ALUB=1），开启输入三态门应使SWB`=0（即开关SWB=0），选通哪一个寄存器用对应开关LDDR1～LDDR4（高电平有效），其中LDDR3、LDDR4开关在高8位运算器上部，输入脉冲T4按手动脉冲发生按钮。设置数据开关具体操作步骤图示如下：说明：LDDR1、LDDR2、ALUB`、SWB`、LDDR3、LDDR4六个信号电平由对应的开关LDDR1、LDDR2、ALUB、SWB、LDDR3、LDDR4给出，拨在上面为“1”，拨在下面为“0”，电平值由对应显示灯显示；T4由手动脉冲开关给出。
⑶
进一步验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能（采用正逻辑）。
·开关SWB=1，关闭输入三态门；
·开关ALUB=0，打开输出三态门；
·LDDR1～LDDR4四个开关全拨在“0”电平。
·根据下表3—2，置功能开关S3、S2、S1、S0、M、CN，以验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能。
说明：如果要实现16位带进位控制算术逻辑运算，只需在实验三的基础上将开关AR=1变成AR=0即可。实验四移位运算器实验一、实验目的
验证移位控制器的组合功能二、实验内容
1、实验原理移位运算实验原理如图3－4所示，使用了一片74LS299（U34）作为移位发生器，其八位输入/输出端通过74LS245引到总线，总线控制方式见图1—6，JA4接通时输出到总线。299B`信号由开关299B提供，控制其使能端，T4为其时钟脉冲，手动方式实验时将T4与手动脉发生器输出端SD相连，即J23跳线器上T4连SD。由信号S0
、S1、
M控制其功能状态，详细见下表3—3。2、实验接线
1、J20,J21,J22,接上短路片，
2、J24，J25，J26接左边；
3、J27,J28
右边；
4、J23
置右边T4选“
SD”
5、JA5
置“接通”；
6、JA6
置“手动”；
7、JA3，JA4
置“接通”；
8、JA1,JA2,置“高阻”；
9、JA8
置上面“微地址”
10、EXJ1接BUS3
11、CE、ALU_B
置“1”，
12、299B
置“0”3、实验步骤
⑴
连接实验线
路，仔细查线无误后接通电源。
⑵
置数，具体步骤如下：⑶
移位，参照上表改变S0、
S1、
M、
299B
的状态，按动手动脉冲开关以产生时钟脉冲T4，观察移位结果。
实验五存储器实验一、实验目的
掌握静态随机存取存储器RAM工作特性及数据的读写方法。二、
实验内容
1、实验原理
主存储器单元电路主要用于存放实验机的机器指令，如图3—5所示，它的数据总线挂在外部数据总线EXD0～EXD7上；它的地址总线由地址寄存器单元电路中的地址寄存器74LS273（U37）给出，地址值由8个LED灯LAD0～LAD7显示，高电平亮，低电平灭；在手动方式下，输入数据由8位数据开关KD0～KD7提供，并经一三态门74LS245（U51）连至外部数据总线EXD0～EXD7，实验时将外部数据总线EXD0～EXD7用8芯排线连到内部数据总线BUSD0～BUSD7，分时给出地址和数据。它的读信号直接接地；它的写信号和片选信号由写入方式确定。该存储器中机器指令的读写分手动和自动两种方式。手动方式下
，写信号由W/R`
提供，片选信号由CE`提供；自动方式下，写信号由控制CPU的P1.2提供，片选信号由控制CPU的P1.1提供。
由于地址寄存器为8位，故接入6264的地址为A0～A7，而高4位A8～A12接地，所以其实际使用容量为256字节。6264有四个控制线：CS1
第一片选线、CS2第二片选线、OE读线、WE写线。其功能如表3—4所示。CS1片选线由CE`控制（对应开关CE）、OE读线直接接地、WE写线由W/R`控制（对应开关WE）、CS2直接接+5V。
图中信号线LDAR由开关LDAR提供，手动方式实验时，跳线器LDAR拨在左边，脉冲信号T3由实验机上时序电路模块TS3提供，实验时只需将J22跳线器连上即可，T3的脉冲宽度可调。2、实验接线
1、J20,J21,J22,接上短路片，
2、J23，J24，J25，J26接左边；
3、J27,J28
右边；
4、JA5
置“接通”；
5、JA6
置“手动”；
6、JA1,JA2,JA3，JA4置“高阻”；
7、JA8
置上面“微地址”
8、EXJ1接BUS33、实验步骤
⑴
连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。
⑵
形成时钟脉冲信号T3，方法如下：总清开关置“1”，在时序电路模块中有两个二进制开关“运行控制”和“运行方式”。将“运行控制”开关置为“运行”状态、“运行方式”开关置为“连续”状态时，按动“运行启动”开关，则T3有连续的方波信号输出，此时调节电位器W1，用示波器观察，使T3输出实验要求的脉冲信号；本实验中，“总清”开关置“1”，“运行方式”开关置为“单步”状态，每按动一次“启动运行”开关，则T3输出一个正单脉冲，其脉冲宽度与连续方式相同。
⑷给存储器的00地址单元中写入数据11，具体操作步骤如下：
如果要对其它地址单元写入内容，方法同上，只是输入的地址和内容不同。
⑸
读出刚才写入00地址单元的内容，观察内容是否与写入的一致。具体操作步骤如下：
实验六微控制器实验一、
实验目的
1、掌握时序信号发生电路组成原理。
2、掌握微程序控制器的设计思想和组成原理。
3、掌握微程序的编制、写入，观察微程序的运行。二、
实验内容
1、实验原理
实验所用的时序电路原理如图3—6所示,可产生4个等间隔的时序信号TS1～TS4
，其中SP为时钟信号，由实验机上时钟源提供，可产生频率及脉宽可调的方波信号。学生可根据实验要求自行选择方波信号的频率及脉宽。为了便于控制程序的运行，时序电路发生器设计了一个启停控制触发器UN1B，使TS1～TS4信号输出可控。图中“运行方式”、“运行控制”、“启动运行”三个信号分别是来自实验机上三个开关。当“运行控制”开关置为“运行”，“运行方式”开关置为“连续”时，一旦按下“启动运行”开关，运行触发器UN1B的输出QT一直处于“1”状态，因此时序信号TS1～TS4将周而复始地发送出去；当“运行控制”开关置为“运行”，“运行方式”开关置为“单步”时，一旦按下“启动运行”开关，机器便处于单步运行状态，即此时只发送一个CPU周期的时序信号就停机。利用单步方式，每次只运行一条微指令，停机后可以观察微指令的代码和当前微指令的执行结果。另外，当实验机连续运行时，如果“运行方式”开关置“单步”位置，也会使实验机停机。2、
微程序控制电路与微指令格式
⑴
微程序控制电路
微程序控制器的组成见图3－7，其中控制存储器采用3片E2PROM
2816芯片，具有掉电保护功能，微命令寄存器18位，用两片8D触发器74LS273（U23、U24）和一片4D触发器74LS175（U27）组成。微地址寄存器6位，用三片正沿触发的双D触发器74LS74（U14～U16）组成，它们带有清“0”端和预置端。在不判别测试的情况下，T2时刻打入微地址寄存器的内容即为下一条微指令地址。当T4时刻进行测试判别时，转移逻辑满足条件后输出的负脉冲通过强置端将某一触发器置为“1”状态，完成地址修改。
在该实验电路中设有一个编程开关，它具有三种状态：写入、读出、运行。当处于“写”状态时，学生根据微地址和微指令格式将微指令二进制代码写入到控制存储器2816中。当处于“读”时，可以对写入控制存储器中的二进制代码进行验证，从而可以判断写入的二进制代码是否正确。当处于“运行”状态时，只要给出微程序的入口微地址，则可根据微程序流程图自动执行微程序。图中微地址寄存器输出端增加了一组三态门（U12），目的是隔离触发器的输出，增加抗干扰能力，并用来驱动微地址显示灯。
⑵
微指令格式
微指令长共24位，其控制位顺序如下：
图3—7
其中UA5～
UA0为6位的后续微地址，A、B、C
三个译码字段，分别由三组译码控制电路译码产生各控制信号。C字段中的P（1）～P（4）是四个测试字位。其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码，使微程序转入相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行，其原理如图3－8所示，图中I7～I2为指令寄存器的第7～2位输出，SE5～SE1为微控器单元微地址锁存器的强置端输出。AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位，低电平有效。B字段中的RSB、RDB、RIB分别为源寄存器选通信号、目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1及R2的选通译码，其原理如图3－9，图中I0－I4为指令寄存器的第0～4位，LDRI为
打入工作寄存器信号的译码器使能控制位。
图3—8
图3—93、实验步骤
⑴
根据机器指令画出对应的微程序流程图，如图3—10所示；
⑵
根据微程序流程图设计微指令，并按微指令格式转换成二进制代码，如表3—5所示。
图3—10
微程序流程图
⑶
实验接线
1、J20，J21，J22，ZI2接上短路片，
2、JJ23，J24，J25，J26接左边；
3、J27,J28
右边；
4、J29不接；
5、JA1，JA2，JA3，JA4置“高阻”；
6、JA5置“接通”；
7、JA8置“微程序”
8、JA6
置“微控”⑷
仔细查线无误后接通电源
⑸
观测时序信号
用双踪示波器（或用PC示波器功能）观察方波信号源的输出。方法如下：“总清”开关置“1”,将“运行控制”开关置为“运行”、“运行方式”开关置为“连续”。按动“启动运行”开关，从示波器上可观察到TS1（J20）、TS2（J21）、TS3（J22）、TS4（J23）各点的波形，比较它们的相互关系，画出其波形，并标注测量所得的脉冲宽度，如下图3－11。⑹
进一步了解微程序控制器的工作原理
①
写微程序
A.
“编程开关”置为“写入”状态。
B.
“运行控制”开关置为“运行”，“运行方式”开关置为“单步”状态。
C.
用二进制模拟开关UA0～UA5置6位微地址，UA0～UA5的电平由LK0～LK5显示，高电平亮，低电平灭。
D.
用二进制模拟开关MK1～MK24置24位微代码，24位微代码由LMD1～LMD24显示灯显示，高电平亮，低电平灭。
E.
按动“启动运行”开关，启动时序电路，即可将微代码写入到E2PROM
2816的相应地址单元中。
F
.
重复C－E步骤，将表3－5的微代码全部写入E2PROM
2816中。
②
读微程序
A.
将“编程开关”设置为“读”状态。
B.
“运行控制”开关置为“运行”，“运行方式”开关置为“单步”状态。
C.
用二进制模拟开关UA0～UA5置6位微地址。
D.
按动“启动运行”开关，启动时序电路，读出微代码，观察显示灯LMD1～LMD24的状态，检查读出的微代码是否与写入的相同，如果不同，则将“编程开关”置为“写入”状态。重新执行①即可。
③
单步运行
A.
“编程开关”置于“运行”状态。
B.
“运行控制”开关置为“运行”，“运行方式”开关置为“单步”状态。
C.
系统总清，即“总清”开关拨0→1。使微地址寄存器U14～U16清零，从而明确本机的运行入口微地址为000000（二进制）。
D.
按动“启动运行”开关，启动时序电路，则每按动一次，运行一条微指令后停机，此时实验机上的微地址显示灯和微程序显示灯将显示所读出的一条指令。
④ 连续运行
A.
将“编程开关”置为“运行”状态。
B.
“运行控制”开关置为“运行”，“运行方式”开关置为“连续”状态。
C.
系统总清，即“总清”开关拨0→1。使微地址寄存器U14～U16清零，从而明确本机的运行入口微地址为000000（二进制）。
D.
按动“启动运行”开关，启动时序电路，则连续运行。
实验七基本模型机的设计与实现一、 实验目的
1、在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统以构造一台基本模型实验计算机。
2、设计五条机器指令，并编写相应的微程序，具体上机调试，掌握整机软硬件组成概念。二、实验内容
1、实验原理
部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本次实验将能在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令的功能。这里，实验计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。
⑴有关微控制器部分在前一实验中已详细介绍
⑵
主存储器的读、写和运行
为了向主存储器RAM中装入程序或数据，并且检查写入是否正确以及能运行主存储器中的程序，必须设计三个控制操作微程序。
·存储器读操作：拨动总清开关后，置控制开关SWC、SWA为“0
0”时，按要求连线后，连续按“启动运行”开关，可对主存储器RAM连续手动读操作。
·存储器写操作：拨动总清开关后，置控制开关SWC、SWA为“0
1”时，按要求连线后，再按“启动运行”开关，可对主存储器RAM进行连续手动写入。
·运行程序：拨动总清开关后，置控制开关SWC、SWA为“1
1”时，按要求连线后，再按“启动运行”开关，即可转入到第01号“取址”微指令，启动程序运行。
上述三条控制指令用两个开关SWC、SWA的状态来设置，其定义如下：
SWC
SWA
控制台指令
0
0
1
0
1
1
读内存
写内存
启动程序
⑶
指令寄存器介绍
指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到缓冲寄存器中，然后再传送到指令寄存器。指令划分为操作码和地址码字段，由二进制构成，为了执行任何一条给定的指令，必须对操作码进行测试P(1)，通过节拍脉冲T4的控制以便识别所要求的操作。“指令译码器”根据指令中的操作码进行译码，强置微控器单元的微地址，使下一条微指令指向相应的微程序首地址。
⑷
输入/输出设备
本系统有两种外部I/O设备，一种是二进制代码开关KD0～KD7，它作为输入设备INPUT；另一种是数码显示块，它作为输出设备OUTPUT。例如：输入时，二进制开关数据直接经过三态门送到外部数据总线上，只要开关状态不变，输入的信息也不变。输出时，将输出数据送到外部数据总线上，当写信号（W/R）有效时，将数据打入输出锁存器，驱动数码块显示。
⑸
设计指令
根据基本模型机的硬件设计五条机器指令：外设输入指令IN、二进制加法指令ADD、存数指令STA、输出到外设指令OUT、无条件转移指令JMP。指令格式如下：助记符
机器指令码 说 明
IN
0000 0000
；
“外部开关量输入”K70～KD0的开关状态→R0
ADD
addr 0001
0000
XXXXXXXX；
R0+[addr]→R0
STA
addr
0010 0000
XXXXXXXX；
R0→[addr]
OUT
addr
0011 0000
XXXXXXXX；
[addr]→BUS
JMP
addr 0100 0000
XXXXXXXX；
[addr]→PC
说明：
指令IN为单字节指令，其余均为双字节指令，
XXXXXXXX为addr对应的主存储器二进制地址码。
⑹
基本模型机监控软件的设计
本模型机监控软件主要完成从输入设备读入数据，进行简单算术运算后，将结果存入内存的某个单元，最后通过输出设备输出结果。
监控软件详细如下：
地 址 内容 助记符
说 明
0000 0000
0000 0000 IN ；“INPUT DEVICE”→R0
0000 0001
0001 0000 ADD［0AH］；
R0＋［0AH］→R0
0000 0010
0000 10100000 0011
0010 0000 STA［0BH］；
R0→［0BH］
0000 0100
0000 1011
0000 0101
0011 0000 OUT［0BH］；
[0BH］→BUS
0000 0110
0000 1011
0000 0111
0100 0000 JMP［00H］
；00H→PC
0000 1000
0000 0000
0000 1001
0000 1010
0000 0001
；自定义参加运算的数
0000 1011 ；求和结果存放单元2、实验步骤
⑴
根据实验原理设计数据通路框图，如图3－12。
⑵
根据机器指令画出对应的微程序流程图
本实验的微程序流程见图3－13，当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段为P（1）测试。由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P（1）的测试结果出现多路分支。本机用指令寄存器的前4位I7～I4作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定微地址单元。
实验机控制操作为P（4）测试，它以控制开关SWC、SWA作为测试条件，出现了3路分支，占用3个固定微地址单元。当分支微地址单元固定后，剩下的其它地方就可以一条微指令占用控存一个微地址单元随意填写。
注意：微程序流程图上的单元地址为16进制。
⑶
根据微程序流程图设计微指令并转换成16进制代码文件。
当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，即按微指令格式将图3—13微程序流程图转化成二进制微代码表，如表3—6所示，再转换成16进制代码文件。
图3—13微程序流程图
监控程序的16进制文件格式（文件名C8JHE1）：
程序：
机器指令格式说明
＄P00
00$PXX
XX
＄P01
10
十六进制地址
机器指令
＄P02
0A
＄P03
20
＄P04
0B
＄P05
30
＄P06
0B
＄P07
40
＄P08
00
＄P0A
01
微程序：
＄M00
108105
微指令格式说明
＄M01
82ED05
$MXX
XXXXXXXX
＄M02
48C004
十六进制地址
微指令代码
＄M03
04E004
＄M04
05B004
＄M05
06A205
＄M06
019A95
＄M07
0DE004
＄M08
011004
＄M09
83ED05
＄M0A
87ED05
＄M0B
8EED05
＄M0C
96ED05
＄M0D
018206
＄M0E
0FE004
＄M0F
15A004
＄M10
92ED05
＄M11
94ED05
＄M12
17A004
＄M13
018005
＄M14
182004
＄M15
010A07
＄M16
81D104
＄M17
100A07
＄M18
118A06⑷
实验接线
1、J20，J21，J22接上短路片，
2、JJ23，J24，J25，J26接左边；
3、J27,J28
右边；
4、J29不接；
5、JA1，JA2，JA3置“接通”；
6、JA4置“高阻”；
7、JA5置“接通”；
8、JA8置“微程序”
9、JA6
置“微控”
10、EXJ1接BUS3⑸
读写程序
①手动方法写微程序参看实验六。
手动方法写代码程序（机器指令）步骤如下：
通过上一步将
机器指令对应的微代码正确地写入E2ROM
2816芯片后，再进行机器指令程序的装入和检查。
A.
将“编程开关”置“运行”位置，“运行控制”开关置“运行”位置，“运行方式”开关置“单步”位置。
B.
拨动总清开关（0→1），微地址寄存器清零，程序计数器清零。然后使控制开关SWC、SWA开关置为“0
1”，按动一次“启动运行”开关，微地址显示灯LUA0～LUA5显示“010001”，再按动一次“启动运行”开关，微地址显示灯LUA0～LUA5显示“010100”，此时数据开关的内容置为要写入的机器指令，再按动一次“启动运行”开关，即完成该条指令的写入。若仔细阅读微程序流程，就不难发现，机器指令的首地址只要第一次给出即可，PC会自动加1，所以，每次按动“启动运行”开关，只有在微地址灯显示“010100”时，才设置内容，直到所有机器指令写完。
C.
写完程序后须进行检验。拨动总清开关(0→1)后，微地址清零，PC程序计数器清零，然后使控制开关SWC、SWA为“0
0”,按动“启动运行”开关，微地址灯将显示“010000”，再按“启动运行”开关，微地址灯显示为“010010”，第三次按“启动运行”开关，微地址灯显示为“010111”，此时总线数据显示灯LZD0～LZD7显示为该首地址的内容，再按动一次“启动运行”开关，微地址灯显示为“010000”，2位数码管即显示RAM中的程序。不断按动“启动运行”开关，可检查后续单元内容。
注意：每次仅在微地址灯显示为“010000”时，2位数码管显示的内容才是相应地址中的机器指令内容。②
联机读/写微程序和机器指令
用联机软件的装载功能将16进制格式文件（文件名为C8JHE1）装入实验系统即可（详细操作见随机软件的README）。微指令代码是将表3-6的24位微代码从左到右分成三个8位，将此三个8位二进制代码化为相应的十六进制数，如表3-6第一行转化为108105。⑹
运行程序
①
单步运行程序
A.
“编程开关”置“运行”状态，“运行方式”开关置为“单步”状态,“运行控制”开关置为“运行”状态。
B.
拨动总清开关(0→1)，微地址清零，PC计数器清零，程序首地址为00H。
C.
按动“启动运行”开关，即单步运行一条微指令。对照微程序流程图，观察微地址显示灯是否和流程一致。
② 连续运行程序
A.
“编程开关”置“运行”状态，“运行方式”开关置为“连续”状态,“运行控制”开关置为“运行”状态。
B.
拨动总清开关，清微地址及PC计数器，按动“启动运行”开关，系统连续运行程序。如果要停止程序的运行，只需将“运行控制”开关置为“停止”状态，系统就停机。
C.
停机后，可检查数码管显示数值或存数单元0BH中的结果是否正确。
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