实验五 复杂模型机的设计与实现
一、实验目的
综合运用所学计算机原理知识，设计并实现较为完整的计算机。
二、实验设备
Dais-CMX16+计算机组成原理教学实验系统一台，实验用导线若干。
三、数据格式及指令系统
1. 数据格式
模型机规定采用定点补码表示数据，且字长为8位，其格式如下：
7 符号 6 5 4 3 2 1 0 尾 数 其中第7位为符号位，数值表示范围是：-1≤X＜1。 2. 指令格式
模型机设计四大类指令共16条，其中包括算术逻辑指令、I/O指令、访问及转移指令和停机指令。
⑴ 算术逻辑指令
设计9条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下：
7 6 5 4 OP-CODE 3 2 1 0 Rs Rd 其中，OP-CODE为操作码，Rs为源寄存器，Rd为目的寄存器，并规定：
Rs或Rd 00 01 10 11 选定的寄存器 R0 R1 R2 R3 其中R0=CL;R1=CH;R2=DL;R3=DH 9条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表5-1。 ⑵ 访问指令及转移指令
模型机设计2条访问指令，即存数（STA）、取数（LDA），2条转移指令，即无条件转移（JMP）、结果为零或有进
位转移指令（BZC），指令格式为：
7 6 5 4 0 0 M 3 2 2OP-CODE 1 0 Rd D（低八） D（高八）
其中“0 0 M ”为源码段，2OP-CODE为目的码段（LDA、STA指令使用）。D为十六位地址段（低八在前，高八随后），M为源寻址模式，其定义如下：
寻址模式M 有效地址E 说 明 00 01 10 11 E = D E = (D) 直接寻址 间接寻址 E = (SP)+D SP变址寻址 E = (PC)+D 相对寻址
⑶ I/O指令
输入（IN）和输出（OUT）指令采用单字节指令，其格式如下：
7 6 5 4 OP-CODE 3 2 0 0 1 0 Rd ⑷ 停机指令 指令格式如下：
7 6 5 4 OP-CODE 3 2 0 0 1 0 0 0 HALT指令，用于实现停机操作。
3. 指令系统
本模型机共有16条基本指令，其中算术逻辑指令9条，访问内存指令和程序控制指令4
条，输入输出指令2条，其它指令1条。下表列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。
表5-1 助记符 LDA M,D,Rd 0 0 STA M,D,Rd 0 0 JMP M,D BZC M,D MOV Rd,Rs ADC Rd,Rs SBC Rd,Rs AND Rd,Rs CLR Rd INC Rd CPL Rd RRC Rd RLC Rd IN Rd,I/O 0 0 0 0 指令格式 M M M M 00 Rd E→Rd 01 Rd Rd→E 10 00 E→PC 11 00 当CY=1或Z=1时，E→PC 功 能 0 1 0 0 Rs Rd Rs→Rd 0 1 0 1 Rs Rd Rs+Rd+CY→Rd 0 1 1 0 Rs Rd Rs-Rd-CY→Rd 0 1 1 1 Rs Rd Rs∧Rd→Rd 1 0 0 0 00 Rd 0→Rd 1 0 0 1 00 Rd Rd+1→Rd 1 0 1 0 00 Rd Rd→Rd 1 0 1 1 00 Rd CY→Rd 1 1 0 0 00 Rd CY→Rd 1 1 0 1 00 Rd I/O→Rd OUT Rd,I/O 1 1 1 0 00 Rd Rd→I/O HALT 1 1 1 1 00 00 停机
图5-1复杂模型机微程序流程图
按照系统建议的微指令格式，参照微指令流程图，将每条微指令代码化，译成二进制代码，并将二进制代码表转换成十六进制格式文件。
M23 M22 M21 M20 M19 M18 M17 M16 M15 M14 M13 M12 M11 M10 M9 M8 M7 M6 M5 M4 M3 M2 M1 M0 E/M IP MWR R/M 目的编码 OP M CN S2 S1 S0 Icz Ids 源编码 XP W ALU Iu IE IR 源编码
M10 M9 X2 1 1 1 1 0 0 0 0 X1 1 1 0 0 1 1 0 0 M8 X0 1 0 1 0 1 0 1 0 功能 禁止 ALU SP IOR MRD XRD RRD PC
目的编码
M19 M18 M17 O2 1 1 1 1 0 0 0 0 O1 1 1 0 0 1 1 0 0 O0 1 0 1 0 1 0 1 0 功能 禁止 MAR BX AX SP IOW XWR RWR
实验所用的机器指令程序：
地址 指令代码 助记符 IN R0 IN R2 ADC R0,R2 MOV R1,R0 RLC R0 功能 IOL→R0 IOL→R2 R0+R2→R0 R0→R1 RLC R0 BZC 000H 停机 000 D0 001 D2 002 58 003 41 004 C0 005 0C 00 00 BZC 000H 008 F0 HALT
四、实验方法
㈠键盘操作
⑴首先卸去实验连接，然后按如下操作，把系统工作方式设为“微控／在线”。 在待命状态0下按【减址】键，LCD显示器显示工作模式选项：
Dais-CMX16+ ’XXX KLD MUD PLD
选择手动模式
按【增址】键，将光标移到“MUD”微程序模式，按【减址】键确定后，系统先询问用户是否使用搭接方式，按【增址】键选择“y”（搭接）或“n”（在线），按【减址】键确定：
Dais-CMX16+ ’mud lst y/n I/O y/n 是，选择搭接方式，须连线
Dais-CMX16+ ’mud lst y/n I/O y/n 否，选择在线方式，零连线
接着系统询问用户是否使用扩展I/O方式，按【增址】键选择“y”（扩展I/O）或“n”（微控制器关联），按【减址】键确定：
Dais-CMX16+ ’mud lst y/n I/O y/n 是，扩展I/O方式
Dais-CMX16+ ’mud lst y/n I/O y/n 否，选择微控制器关联方式
确定设置后，系统返回待命状态0。
Dais-CMX16+ ’mud M 设置完毕，返回待命状态
⑵机器程序与对应的微控制程序的写入：
在待令状态下，键入数字键“4”（复杂模型机代号），然后再键入【减址】命令键，实验装置自动装载由数字键定义的模型机机器程序及对应的微程序，装载完毕自动返待令态。
⑶运行程序
①单拍运行：每按一次【单拍】按钮模型机运行一拍，系统提供可变时序，非“取指”微周期它的节拍按→T1→T3→T4→ 次序循次序循环，在取指微周期按→T1→T2→T3→T4→ 环。
②微单步：每按一次【单步】命令键运行一条微指令，对照微程序流程，观察微址是否和流程一致。对照微指令表，观察执行结果是否和理论值一致。
③宏运行（指令单步或宏调用）：每按动一次【宏运】命令键，运行一条机器指令。对照机器指令程序，观察PC地址是否和流程一致。
④程序运行与暂停：按动【运行】命令键使模型机进入实时运行状态；在实时运行状态按左下方任一数字键即可暂停模型机程序的运行，以便实验者查看模型机现场。
㈡联机运行
双击桌面“Dais-CMX 集成开发环境”图标进入联机模式
在联机状态下，首先应打开mxj4.asm（复杂模型机机器指令及对应微指令代码文件），然后点击工具栏“装载”按钮开始装载，如源程序无语法错误即可完成装载，进入调试状态。可点击工具栏快捷按钮，详细操作如下：
? 单节拍：单击菜单“运行 → 单拍运行微指令”命令或单击工具栏“单拍”按钮，
以单节拍方式按T1~T4顺序逐步运行微程序。 ? 单周期：单击菜单“运行 → 单步运行微指令”命令或单击工具栏“微单步”按钮，
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