第十一章 模型机课程设计

计算机组成原理实验教程 基于多思网络虚拟实验系统 张雯雰

1. 实验目的

   1. 融会贯通所学知识，设计和调试一台模型计算机
   2. 进一步掌握计算机组成的基本原理，建立整机概念
   3. 培养工程设计和研究能力

2. 实验要求

   1. 独立思考，独立设计，独立调试。
   2. 用心思考，精心设计，细心调试。
   3. 写出课程设计报告

3. 实验任务

   1. 设计一台模型机，要求模型机的指令集如下表所示：
      

   2. 编写程序，求S=1+2+3+┈+N,0<N<20，N从数据开关输入，S存入存储器，并在模型机上运行此程序。

   3. 调试成功之后，整理出设计文档，包括：电路总框架图、微程序控制器电路图、微指令格式表、微程序流程图、微程序代码表、指令代码表、程序代码。

4. 设计思路与难点分析

   最简单的设计思路，就是从现有的系统出发，在此基础上进行修改。前面有些章节已经实现了一个非常简单的模型机。因此，可以从这个模型机入手，进行比较、分析和设计。

   先看指令的条数，与前面章节的简单模型机相比，本设计的模型机功能更强、指令数更多，从4条指令增加到10条指令，这就意味着对应的微程序及微指令也增加了。微指令多了，就会需要更多存储单元，微地址的位数就可能有变化。

   由于每一条微指令都包括下一条微指令的地址，微地址的位数必然影响微指令的长度，因此微指令的格式需要修改。

   另外，简单模型机中的微指令长度为24位，正好可以用3片EPROM2716来存放，如果指令长度增加，3片EPROM2716就放不下了。解决的办法一般有两种，一是使用4片EPROM2716，二是依旧使用3片EPROM2716，但在指令格式中使用译码字段、在电路中增加译码器来减少位数，保持指令的长度不变。为了电路的简洁，建议使用第一种方法。

   无论使用以上哪种方法，微地址形成电路都需要修改，因此以前的电路最多只能生成4位的微地址，显然满足不了现在的需求。

   再比较指令的功能，此模型机比前面章节的模型机多了4条算术逻辑运算指令和2条访存指令，其中比较特殊的是相等则跳转指令，这是一条条件转移指令，只有满足比较结果相等的条件才执行跳转操作。为实现此功能，需要做的主要工作有：

   1. 增加一片D型触发器74LS175作为状态条件寄存器，用于保存74LS181的A=B输出引脚的值。
   2. 在微指令格式中增加一个判别测试位P（2）和一个标志影响位LDSC。LDSC位高电平有效，只有此位为1的微指令才会影响状态条件寄存器的值，此位为0的微指令运算结果不存入状态条件寄存器。
   3. 修改微地址形成电路，在电路中使用P（2）来进行判别测试，并根据状态条件寄存器的值形成正确的跳转地址。

   微程序控制器设计是此实验的难点，其他电路模块几乎不需要修改，在设计时请开动脑筋、查阅相关资料。

5. 实验内容与步骤

   1. 模型机数据通路总体设计。根据指令集的功能要求设计模型机的数据通路，请将图1补充完整，标出各控制信号的名称。

2. 微程序控制器设计，请在下面画出微程序控制器详细电路图，并标出各种信号。
3. 微指令格式设计，请将微指令格式填入表11-2

4. 微程序流程设计，请完成图11.2的微指令流程图
   

5. 微程序代码设计，请将微程序代码填入表11-3
   

6. 指令设计，请将指令格式、操作码等填入表11-4
   

7. 程序设计,编写程序,求S=1+2+3+┈+N,0<N<20，N从数据开关输入，S存入存储器，填入表11-5
   
   

8. 按照以上设计修改电路，修改RAM内容，修改微程序存储器内容，在模型机上运行程序，观察运行过程和结果，如果有错误，找到并改正错误，一直到正确为止。注意电路的初始化过程和输入地址、数据的时机。

实验

图1：

表11-2 微指令格式

图11.2微指令流程图

表11-3 微程序二进制代码表

表11-4 机器指令表

序号	指令符号	指令二进制代码	长度
1	IN	00000000	8bit
2	ADD	00010000	16bit
3	STA	00100000	16bit
4	JMP	00110000	16bit
5	SUB	01000000	16bit
6	CMP	01010000	16bit
7	INC	01100000	8bit
8	CLA	01110000	8bit
9	LDA	10000000	16bit
10	BEQ	10010000	16bit

表11-5 内存中的程序与数据

内存地址	内容	含义
00	00000000	IN N
01	00100000	STA N
02	00011011
03	01110000	CLA
04	00100000	STA S
05	00011100
06	00100000	STA count
07	00011101
10	01100000	INC
11	00100000	STA count
12	00011101
13	00010000	ADD S
14	00011100
15	00100000	STA S
16	00011100
17	10000000	LDA count
20	00011101
21	01010000	CMP N
22	00011011
23	10010000	BEQ ->
24	00010111
25	00110000	JMP -> 10
26	00001000
27	10000000	LDA S
30	00011100
31	00110000	JMP ->
32	00011001
33		存放N
34		存放S
35		存放count
36
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实验总结：

实验结合了实验五的简单模型机，在理解了实验五的基础上进行实验。首先根据指令集写出微程序流程图，设计过程中发现CLA和CMP使用到了ALU的功能，查询功能表后使用了logical0功能和A=B接口，BEQ功能要实现跳转需要添加一个判别位P（2），CMP需要添加一个标志影响位LDSC；然后设计微指令格式，将uA0-4、S0-3放在一起；接着设计微程序代码，其中将BEQ跳转后设为相等跳转11111，不相等跳转01111，由P(2)和CMP的结果决定uA4；最后设计实验电路，在实验五的基础上，将EPROM2716C3替换为EPROM2716C4，并连接上各个控制信号，将原来的74LS175替换为74LS174，用于暂存新增的地址线uA4，并添加相应的或门与门，增加一片74LS175和两片与门，用于CMP中ALU的A=B输出的保存。

程序设计先写出伪代码，再转换成微程序，最后写出内存中的内容。

本次实验难点在于设计微程序代码，要将每一步的微程序理清和知道每个控制信号控制什么，还需要理解判别位的功能、选址的原理才能完成。

实验电路:https://download.csdn.net/download/weixin_43924621/18199717