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2025-02-12 发布于北京
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5.3复杂模型机设计实验

5.3.1实验目的

综合运用所学计算机组成原理知识，设计并实现较为完整的计算机。

5.3.2实验设备

PC机一台，TD-CMA实验系统一套。

5.3.3实验原理

下面讲述一下模型计算机的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法表示数据，字长为８位，8位全用来表示数据（最高位不表示符号），数值表示范围是：0≤X≤28－1。

2．指令设计

模型机设计三大类指令共十五条，其中包括运算类指令、控制转移类指令，数据传送类指令。运算类指令包含三种运算，算术运算、逻辑运算和移位运算，设计有6条运算类指令，分别为：ADD、AND、INC、SUB、OR、RR，所有运算类指令都为单字节，寻址方式采用寄存器直接寻址。控制转移类指令有三条HLT、JMP、BZC，用以控制程序的分支和转移，其中HLT为单字节指令，JMP和BZC为双字节指令。数据传送类指令有IN、OUT、MOV、LDI、LAD、STA共6条，用以完成寄存器和寄存器、寄存器和I/O、寄存器和存储器之间的数据交换，除MOV指令为单字节指令外，其余均为双字节指令。

3．指令格式

所有单字节指令（ADD、AND、INC、SUB、OR、RR、HLT和MOV）格式如下：

７６５４

３２

１０

OP-CODE

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

选定的寄存器

IN和OUT的指令格式为：

７６５４（1）

３２（1）

１０（1）

7—0（2）

OP-CODE

其中括号中的1表示指令的第一字节，2表示指令的第二字节，OP-CODE为操作码，RS为源寄存器，RD为目的寄存器，P为I/O端口号，占用一个字节，系统的I/O地址译码原理见图5-3-1（在地址总线单元）。

图5-3-1I/O地址译码原理图

由于用的是地址总线的高两位进行译码，I/O地址空间被分为四个区，如表5-3-1所示：

表5-3-1I/O地址空间分配

A7A6

选定

地址空间

IOY0

00-3F

IOY1

40-7F

IOY2

80-BF

IOY3

C0-FF

系统设计五种数据寻址方式，即立即、直接、间接、变址和相对寻址，LDI指令为立即寻址，LAD、STA、JMP和BZC指令均具备直接、间接、变址和相对寻址能力。

LDI的指令格式如下，第一字节同前一样，第二字节为立即数。

７６５４（1）

３２（1）

１０（1）

7—0（2）

OP-CODE

data

LAD、STA、JMP和BZC指令格式如下。

７６５４（1）

３２（1）

１０（1）

7—0（2）

OP-CODE

其中M为寻址模式，具体见表5-3-2，以R2做为变址寄存器RI。

表5-3-2寻址方式

寻址模式M

有效地址E

说明

E=D

E=（D）

E=（RI）+D

E=（PC）+D

直接寻址

间接寻址

RI变址寻址

相对寻址

4．指令系统

本模型机共有15条基本指令，表5-3-3列出了各条指令的格式、汇编符号、指令功能。

表5-3-3指令描述

5.3.4总体设计

本模型机的数据通路框图如图5-3-2所示。

图5-3-2数据通路框图

和前面的实验相比，复杂模型机实验指令多，寻址方式多，只用一种测试已不能满足设计要求，为此指令译码电路需要重新设计。如图5-3-3所示在IR单元的INS_DEC中实现。

图5-3-3指令译码原理图

本实验中要用到四个通用寄存器R3…R0，而对寄存器的选择是通过指令的低四位，为此还得设计一个寄存器译码电路，在IR单元的REG_DEC（GAL16V8）中实现，如图5-3-4所示。

图5-3-4寄存器译码原理图

根据机器指令系统要求，设计微程序流程图及确定微地址，如图5-3-5所示。

按照系统建议的微指令格式，见表5-3-4，参照微指令流程图，将每条微指令代码化，译成二进制代码表，见表5-3-5，并将二进制代码表转换为联机操作时的十六进制格式文件。

表5-3-4微指令格式

图5-3-5微程序流程图

表5-3-5二进制代码表

地址

十六进制表示

高五位

S3-S0

A字段

B字段

C字段

UA5-UA0

000001

00000

0000

000

000001

006D43

00000

0000

110

101

000011

107070

00010

0000

111

000

001

110000

002405

00000

0000

010

011

000

000101

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