在复杂模型机上编写机器指令与微程序计算海伦公式——计算机组成原理课程设计

一、实验内容

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。

2. 实验目标

在充分理解复杂模型机原理的基础上，自行编写机器指令及其对应的微程序，达到使用复杂模型机计算海伦公式的目标。

3.实验设备

PC机一台，TD-CMA实验系统一套。

二、实验原理

1）数据格式

此次使用的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≤2^8-1。

2)指令设计

根据海伦公式计算中所需要的指令，设计三大类模型机指令共十五条，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、DEC、SUB、OR、SAR，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、DEC、SUB、OR、SAR、HLT和MOV）格式如下：

7 6 4 5	3 2	1 0
OP-CODE	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	选定的寄存器
00	R0
01	R1
10	R2
11	R3

IN和OUT的指令格式为：

7 6 5 4 (1)	3 2 (1)	1 0 (1)	7-0(2)
OP-CODE	RS	RD	P

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1（在地址总线单元）。

图1 I/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1所示：

表1 I/O地址空间分配

A7 A6	选定	地址空间
00	IOY0	00-3F
01	IOY1	40-7F
10	IOY2	80-BF
11	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，第一字节内容与上文同，第二字节为立即数。

7 6 5 4 (1)	3 2 (1)	1 0 (1)	7-0(2)
OP-CODE	RS	RD	data

LAD、STA、JMP和BZC指令格式如下。

7 6 5 4 (1)	3 2 (1)	1 0 (1)	7-0(2)
OP-CODE	M	RD	data

其中M为寻址模式，具体见表2，以R2作为变址寄存器RI。

表2 寻址方式

寻址模式M	有效地址E	说明
00	E=D	直接寻址
01	E=(D)	间接寻址
10	E=(RI)+D	RI变址寻址
11	E=(PC)+D	相对寻址

4)指令系统

根据实验计算海伦公式的目标，设计的15条基本指令如下，包括指令的格式、汇编符号、指令功能。

表3 指令描述

助记符号	指令格式	指令功能
MOV RD,RS	0100	RS
ADD RD,RS	0000	RS
SUB RD,RS	1000	RS
AND RD,RS	0001	RS
OR RD,RS	1001	RS
SAR RD,RS	1010	RS
DEC RD	0111	**
LAD M R,RD	1100	M
STA M R,RS	1101	M
JMP M D	1110	M
BZC M D	1111	M
IN RD,P	0010	**
OUT P,RS	0011	RS
LDI RD,R	0110	**
HALT	0101	**

三、总体设计

模型机的数据通路框图如图2所示。

图2 数据通路框图

实验使用的模型机指令多，寻址方式多，指令译码电路需要复杂设计。图3所示在IR单元的INS-DEC中实现。

图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4所示。

图4 寄存器译码原理图

根据设计的机器指令要求，设计微程序流程图及确定微地址，如图5所示。

按照系统建议的微指令格式，见表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，如表5，并将二进制代码表转化为联机操作时的十六进制格式文件。

表4 微指令格式

图5 微指令流程图

表5 二进制码表

地址	十六进制表示	高五位	S3-S0	A字段	B字段	C字段	UA5-UA0
00	000001	00000	0000	000	000	000	000001
01	006D43	00000	0000	110	110	101	000011
03	107070	00010	0000	111	000	001	110000
04	002405	00000	0000	010	010	000	000101
05	04B201	00000	1001	011	001	000	000001
06	002407	00000	0000	010	010	000	000111
07	013201	00000	0010	011	001	000	000001
08	106009	00010	0000	110	000	000	001001
09	183001	00011	0000	011	000	000	000001
0A	106010	00010	0000	110	000	000	010000
0B	000001	00000	0000	000	000	000	000001
0C	103001	00010	0000	011	000	000	000001
0D	200601	00100	0000	000	011	000	000001
0E	005341	00000	0000	101	001	101	000001
0F	0000CB	00000	0000	000	000	011	001011
10	280401	00101	0000	000	010	000	000001
11	103001	00010	0000	011	000	000	000001
12	063201	00000	1100	011	001	000	000001
13	002414	00000	0000	010	010	000	010100
14	05B201	00000	1011	011	001	000	000001
15	002416	00000	0000	010	010	000	010110
16	01B201	00000	0011	011	001	000	000001
17	002418	00000	0000	010	010	000	011000
18	033201	00000	0110	011	001	000	000001
1B	005341	00000	0000	101	001	101	000001
1C	10101D	00010	0000	001	000	000	011101
1D	10608C	00010	0000	110	000	010	001100
1E	10601F	00010	0000	110	000	000	011111
1F	101020	00010	0000	001	000	000	100000
20	10608C	00010	0000	110	000	010	001100
28	101029	00010	0000	001	000	000	101001
29	00282A	00000	0000	010	100	000	101010
2A	04E22B	00000	1001	110	001	000	101011
2B	04928C	00000	1001	001	001	010	001100
2C	10102D	00010	0000	001	000	000	101101
2D	002C2E	00000	0000	010	110	000	101110
2E	04E22F	00000	1001	110	001	000	101111
2F	04928C	00000	1001	001	001	010	001100
30	001604	00000	0000	001	011	000	000100
31	001606	00000	0000	001	011	000	000110
32	006D48	00000	0000	110	110	101	001000
33	006D4A	00000	0000	110	110	101	001010
34	003401	00000	0000	011	010	000	000001
35	000035	00000	0000	000	000	000	110101
36	006D51	00000	0000	110	110	101	010001
37	001612	00000	0000	001	011	000	010010
38	001613	00000	0000	001	011	000	010011
39	001615	00000	0000	001	011	000	010101
3A	001617	00000	0000	001	011	000	010111
3B	000001	00000	0000	000	000	000	000001
3C	006D5C	00000	0000	110	110	101	011100
3D	006D5E	00000	0000	110	110	101	011110
3E	006D68	00000	0000	110	110	101	101000
3F	006D6C	00000	0000	110	110	101	101100

根据实验计算海伦公式的目标，以及基于此设计的机器指令，在模型机实现以下运算：从IN单元读入三角形三边（要求输入三边一定能构成三角形），求此三角形的面积平方，将所求结果存于61H单元，机器指令流程图如图6。

图6 机器指令流程图

根据流程图设计表6程序，地址和内容均为二进制。

表6 机器指令程序

地址	内容	助记符	说明
00000000	00100000	IN R0,00H	读入a
00000001	00000000
00000010	00100001	IN R1,00H	读入b
00000011	00000000
00000100	00100010	IN R2,00H	读入c
00000101	00000000
00000110	11010000	STA 60H,R0	将a存入60H
00000111	01100000
00001000	00000100	ADD R0,R1	a+b存入R0
00001001	00001000	ADD R0,R2	a+b+c存入R0
00001010	01100011	LDI R3,01H	将1存入R3
00001011	00000001
00001100	10101100	SAR R0,R3	a+b+c向右移一位，R0=P
00001101	01000011	MOV R3,R0	将p移入R3
00001110	10000100	SUB R0,R1	R0=P-B
00001111	01001101	MOV R1,R3	将P存入R1
00010000	10001001	SUB R1,R2	P-C存入R1
00010001	01000010	MOV R2,R0	将R0移入R2，作为乘数准备
00010010	01110001	DEC R1	将另一个乘数减1，做好准备
00010011	11110000	BZC RESULT	判断
00010100	00011011
00010101	00001000	LOOP:ADD R0,R2	开始乘法
00010110	01110001	DEC R1
00010111	11110000	BZC RESULT	判断
00011000	00011011
00011001	11100000	JMP LOOP	回到LOOP开始
00011010	00010101
00011011	01001101	MOV R1,R3	将P存回R1
00011100	01110001	DEC R1	将另一个乘数减1，做好准备
00011101	11110000	BZC RESULT	判断
00011110	00100110
00011111	01000010	MOV R2,R0	将R0移入R2，作为乘数准备
00100000	00001000	LOOP:ADD R0,R2	开始乘法
00100001	01110001	DEC R1
00100010	11110000	BZC RESULT	判断
00100011	00100110
00100100	11100000	JMP LOOP	回到LOOP开始
00100101	00100000
00100110	11000001	LAD 00 R1,60H	将a重新放入R1
00100111	01100000
00101000	10000111	SUB R3,R1	R3=P-A
00101001	01001101	MOV R1,R3	R3->R1
00101010	01000010	MOV R2,R0	R0->R2
00101011	01110001	DEC R1
00101100	11110000	BZC RESULT	判断
00101101	00110100
00101110	00001000	LOOP:ADD R0,R2	开始乘法
00101111	01110001	DEC R1
00110000	11110000	BZC RESULT	判断
00110001	00110100
00110010	11100000	JMP LOOP	回到LOOP开始
00110011	00101110
00110100	11010000	STA 61H,R0	将所得结果存入61H
00110101	01100001
00110110	00110000	OUT 40H,R0	将所得结果输出
00110111	01000000

四、实验步骤

1. 按图6连接实验线路，仔细检查连线后打开实验箱电源。

图7 实验连线图

2. 写入实验程序，并进行校验。

联机软件提供了微程序和机器程序下载功能，以代替手动读写微程序和机器程序，但是微程序和机器程序得以指定的格式写入到以TXT为后缀的文件中，本次实验程序如下，程序中分号'；'为注释符，分号后面的内容在下载时将被忽略掉。 TXT文件如下：

; //*************************************** // 
; //                                 // 
; //       复杂模型机实验指令文件    // 
; //                                 // 
; //       By TangDu CO.,LTD         // 
; //                                 // 
; //*************************************** // 
; //****** Start Of Main Memory Data ****** //
$P 00 20	;IN R0,00H
$P 01 00	
$P 02 21	;IN R1,00H
$P 03 00	
$P 04 22	;IN R2,00H
$P 05 00	
$P 06 D0	;STA 60H,R0
$P 07 60	
$P 08 04	;ADD R0,R1
$P 09 08	;ADD R0,R2
$P 0A 63	;LDI R3,01H
$P 0B 01	
$P 0C AC	;SAR R0,R3
$P 0D 43	;MOV R3,R0
$P 0E 84	;SUB R0,R1
$P 0F 4D	;MOV R1,R3
$P 10 89	;SUB R1,R2
$P 11 42	;MOV R2,R0
$P 12 71	;DEC R1
$P 13 F0	;BZC RESULT
$P 14 1B	
$P 15 08	;LOOP:ADD R0,R2
$P 16 71	;DEC R1
$P 17 F0	;BZC RESULT
$P 18 1B	
$P 19 E0	;JMP LOOP
$P 1A 15	
$P 1B 4D	;MOV R1,R3
$P 1C 71	;DEC R1
$P 1D F0	;BZC RESULT
$P 1E 26	
$P 1F 22	;MOV R2,R0
$P 20 08	;LOOP:ADD R0,R2
$P 21 71	;DEC R1
$P 22 F0	;BZC RESULT
$P 23 26	
$P 24 E0	;JMP LOOP
$P 25 20	
$P 26 C1	;LAD 00 R1,60H
$P 27 60	
$P 28 87	;SUB R3,R1
$P 29 4D	;MOV R1,R3
$P 2A 42	;MOV R2,R0
$P 2B 71	;DEC R1
$P 2C F0	;BZC RESULT
$P 2D 34	
$P 2E 08	;LOOP:ADD R0,R2
$P 2F 71	;DEC R1
$P 30 F0	;BZC RESULT
$P 31 34	
$P 32 E0	;JMP LOOP
$P 33 2E	
$P 34 D0	;STA 61H,R0
$P 35 61	
$P 36 30	;OUT 40H,R0
$P 37 40	
; //***** End Of Main Memory Data *****// 

; //** Start Of MicroController Data **//
$M 00 000001    ; NOP   
$M 01 006D43    ; PC->AR, PC加1   
$M 03 107070    ; MEM->IR, P<1>   
$M 04 002405    ; RS->B   
$M 05 04B201    ; A加B->RD   
$M 06 002407    ; RS->B   
$M 07 013201    ; A与B->RD   
$M 08 106009    ; MEM->AR   
$M 09 183001    ; IO->RD   
$M 0A 106010    ; MEM->AR   
$M 0B 000001    ; NOP   
$M 0C 103001    ; MEM->RD   
$M 0D 200601    ; RD->MEM   
$M 0E 005341    ; A->PC   
$M 0F 0000CB    ; NOP, P<3>   
$M 10 280401    ; RS->IO   
$M 11 103001    ; MEM->RD   
$M 12 063201    ; A减1->RD   
$M 13 002414    ; RS->B   
$M 14 05B201    ; A减B->RD   
$M 15 002416    ; RS->B   
$M 16 01B201    ; A或B->RD   
$M 17 002418    ; RS->B   
$M 18 033201    ; A右移->RD   
$M 1B 005341    ; A->PC   
$M 1C 10101D    ; MEM->A   
$M 1D 10608C    ; MEM->AR, P<2>   
$M 1E 10601F    ; MEM->AR   
$M 1F 101020    ; MEM->A   
$M 20 10608C    ; MEM->AR, P<2>   
$M 28 101029    ; MEM->A   
$M 29 00282A    ; RI->B   
$M 2A 04E22B    ; A加B->AR   
$M 2B 04928C    ; A加B->A, P<2>   
$M 2C 10102D    ; MEM->A   
$M 2D 002C2E    ; PC->B   
$M 2E 04E22F    ; A加B->AR   
$M 2F 04928C    ; A加B->A, P<2>   
$M 30 001604    ; RD->A   
$M 31 001606    ; RD->A   
$M 32 006D48    ; PC->AR, PC加1   
$M 33 006D4A    ; PC->AR, PC加1   
$M 34 003401    ; RS->RD   
$M 35 000035    ; NOP   
$M 36 006D51    ; PC->AR, PC加1   
$M 37 001612    ; RD->A   
$M 38 001613    ; RD->A   
$M 39 001615    ; RD->A   
$M 3A 001617    ; RD->A   
$M 3B 000001    ; NOP 
$M 3C 006D5C    ; PC->AR, PC加1   
$M 3D 006D5E    ; PC->AR, PC加1   
$M 3E 006D68    ; PC->AR, PC加1   
$M 3F 006D6C    ; PC->AR, PC加1 

3. 运行程序

进入软件界面，选择菜单命令"【实验】—【CISC 实验】"，打开相应的数据通路图，选择相应的功能命令，即可联机运行、监控、调试程序。

按动CON单元的总清按钮CLR，然后通过软件运行程序，当模型机执行完OUT指令后，检查OUT单元显示的数是否正确。在数据通路图和微程序流中观测指令的执行过程，并观测软件中地址总线、数据总线以及微指令显示和下位机是否一致。

五、实验结果

考虑到模拟机的硬件约束，因此采用边长分别为3、4、5的三角形来测试程序。

按程序步骤依次输入3、4、5后，程序最终输出24H（即十进制36），结果符合预期，可认为机器指令及对应的微程序设计正确，模型机可按海伦公式计算三角形面积的平方。

图8 实验结果图

六、实验中遇到的问题与分析

海伦公式的实现需要用到乘法，程序中使用累加的方式实现乘法，但乘数一开始是从原数开始累加，而不是从0开始累加，因此需要在乘法前就需要将另一个乘数减1，否则执行乘法时会多加一次。