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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12-1 RISC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,CPU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
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):
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 操作码 Rs Rd 双字长指令格式为(高八位均默任为0):
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 操作码 Rs Rd 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 00 Ax 01 Bx 10 Cx 11 DR1(加法暂存器1) 以上所有的指令均在一个机器周期内实现。
本实验所用指令如下:
MOV: 1000 Rs Rd (寄存器寻址)
ADD: 1001 11 Rd
JMP: 0001 10 Rs
MOV : 0000 01 Rd(存储器寻址)
DATA(立即数)
OUT: 0100 01 Rs
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。
ADD 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_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
00 0004 MOV Ax,0001H 0001H—Ax
0001
0005 MOV Bx,0001H 0001H—Bx
0001
0087 MOV DR1,Bx Bx—DR1
009C ADD Ax,DR1 Ax+DR1—Ax
0044 OUT DISP, Ax Ax—LED
0005 MOV Bx,0002H 02H—Bx
0002
0019 JMP Bx Bx—PC
表12-1 RISC实验机器指令表
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