重叠技术模型机实验

一、实验目的

1、了解微程序控制器是如何控制模型机运行的，掌握整机动态工作过程;

2、掌握重叠和流水线结构的工作原理及实现方法;

3、定义七条机器指令，编写相应微程序并具体上机调试。

二、实验环境

COP2000软件。

三、实验原理及说明

1、COP2000总体结构

COP2000 模型机包括了一个标准 CPU 所具备所有部件，这些部件包括：运算器 ALU、累加器 A、工作寄存器 W、左移门 L、直通门 D、右移门 R、寄存器组 R0-R3、程序计数器PC、地址寄存器 MAR、堆栈寄存器 ST、中断向量寄存器 IA、输入端口 IN、输出端口寄存器 OUT、程序存储器 EM、指令寄存器 IR、微程序计数器 uPC、微程序存储器 uM，以及中断控制电路、跳转控制电路。其中运算器和中断控制电路以及跳转控制电路用 CPLD 来实现，其它电路都是用离散的数字电路组成。微程序控制部分也可以用组合逻辑控制来代替。模型机为 8 位机，数据总线、地址总线都为 8 位，但其工作原理与 16 位机相同。相比而言 8 位机实验减少了烦琐的连线，但其原理却更容易被学生理解、吸收。

模型机的指令码为 8 位，根据指令类型的不同，可以有 0 到 2 个操作数。指令码的最低两位用来选择 R0-R3 寄存器，在微程序控制方式中，用指令码做为微地址来寻址微程序存储器，找到执行该指令的微程序。而在组合逻辑控制方式中，按时序用指令码产生相应的控制位。在本模型机中，一条指令最多分四个状态周期，一个状态周期为一个时钟脉冲，每个状态周期产生不同的控制逻辑，实现模型机的各种功能。模型机有 24 位控制位以控制寄存器的输入、输出，选择运算器的运算功能，存储器的读写。如图1所示。

图1

2、实验原理

叠技术模型机引入“指令预取”部件BIU，使指令预取与指令执行的工作重叠进行。这里，计算机“执行部件”数据通路的控制仍由微程序控制器来完成，而“指令预取”部件的数据通路由一片CPLD来模拟。“指令预取”部件的内部采用三字节的先进先出栈(FIFO），在程序运行过程中，预取部件将指令从存储器中取到FIFO里，满为止。执行部件从FIFO中取得指令，在预取与执行的过程中互不影响。当执行部件遇到访内的指令时，先给BIU发一个请求信号，BIU收到该请求信号后，停止给FIFO 写数，这时总线空闲，执行部件就可以对外部设备进行读写操作。

四、实验步骤

1、在 COP2000 软件中，用菜单的[文件|调入指令系统/微程序]功能，打开 COP2000 下的

“INST2.INS”，这就是流水操作的指令/微指令系统。

2、在 COP2000 软件中，用菜单的[文件|打开文件]功能，打开 COP2000 下的“EX1.ASM”。

源程序

MOV   A, #12h

    MOV   A, R0

    MOV   A, @R0

    MOV   A, 01H

    IN

    OUT

    END

3、按快捷图标的 F7，执行“单微指令运行”功能，观察执行每条微指令时，寄存器的

输入/输出状态，各控制信号的状态，PC 及 uPC 如何工作。特别是在每条指令的 T0 状态周期，取指操作是否和其它指令并行执行。

4、根据前面的实验步骤完成下列表格。