计算机组成原理实验四：组合逻辑控制器部件教学实验

一、实验目的

     ~~~~      通过看懂教学计算中已经设计好并正常运行的几条典型指令的功能、格式和执行流程，然后自己设计几条指令的功能、格式、和执行流程，并在教学计算机上实现、调试正确。其最终要达到的目的是：

1. 深入理解计算机控制器的功能、组成知识。
2. 深入地学习计算机各类典型指令的执行流程。
3. 指令格式、寻址方式、指令系统、指令分类等建立具体的总体概念。
4. 学习组合逻辑控制器的设计过程和相关技术

二、实验设备与器材

     ~~~~      TEC-XP+教学实验系统和仿真终端软件PCEC。

三、实验说明和原理

控制器设计是学习计算机总体组成和设计的最重要部分。要在TEC-XP16教学计算机完成这项实验，必须清楚地懂得：

1. TEC-XP+教学机的组合逻辑控制器主要由MACH器件组成。
2. TEC-XP+教学机上已实现了29条基本指令。
3. 应了解监控程序的A命令只支持基本指令，扩展指令应用E命令将指令代码写入到相应的存储单元中；不能用T、P命令单步调试扩展指令，只能用G命令执行有扩展指令的程序。
4. 要明白TEC-XP+教学机支持的指令格式及指令执行流程分组情况；理解TEC-XP+教学机中已经设计好并正常运行的各类指令的功能、格式和执行流程、也包括控制器设计的实现中的具体路线的控制信号的组成。
5. 要明确自己要实现的指令功能、格式、执行流程设计中必须遵从的约束条件。
   为了完成自己设计几条指令的功能、格式和执行流程，并在教学计算机上实现、调试正确的内容，具体过程包括：
6. 确定指令格式和功能，要受到教学机已有硬件的约束，应尽量与已实现指令的格式和分类办法保持一致。
7. 划分指令执行步骤并设计每一步的执行功能，设计节拍状态的值，应参照已实现指令的处理办法来完成，特别注意的是，读取指令的节拍只能用原来已实现的，其他节拍的节拍状态也应尽可能地与原用节拍的状态保持一致和相近。
8. 在指令流程表中真写每一个控制信号的状态值，基本上是个查表填数的过程，应特别仔细，并有意识地体会这些信号的控制作用。
9. 在给出来mach的源文件中添加扩展指令的控制信号的逻辑表达式，编译适配后下载到MACH器件中。
10. 写一个包含你设计的指令的程序，通过运行该程序检查执行结果的正确性，初步判断你的设计是否正确；如果有问题，通过几种办法查出错误并改正，继续调试，直到完全正确。

四、实验内容

1. 完成控制器部件的教学实验，主要内容是由学生自己设计几条指令的功能、格式和执行流程，并在教学机上实现、调试正确。
2. 首先是看懂TEC-XP教学机的功能部件组成和线路逻辑关系，然后分析教学计算机中已经设计好并正常运行的几条典型指令的功能、格式和执行流程。
3. 设计几条指令的功能、格式和执行流程，并在教学计算机上实现、调试正确。
4. 单条运行指令。查看指令的功能、格式和执行流程。
5. 用监控程序的A、E命令编写一段小程序，观察运行结果。

五、实验步骤：

用教学计算机以实现的基本指令很扩展指令写程序并运行，测试扩展的指令是否正确。
1.接通教学机电源。
2.将教学机左下方的6个拨动开关置为111100.
3.按一下“RESET”按键。
4.通过16位的数据开关SWH、SWL置入16位的指令操作码。
5.在单步方式下，通过指示灯观察各类型基本指令的节拍。
（1）选择基本指令的A组指令中的ADD指令，观察其节拍流程：
1）置拨动开关SW＝00000000 00000001；
2）按RESET按键；节拍指示灯T3 ~T0显示1000；
3）按START按键；节拍指示灯T3~T0显示0000；
4）按START按键；节拍指示灯T3~T0显示0010；
5）按START按键；节拍指示灯T3~T0显示0011；
（2）选择基本指令的B指令中的PUSH指令，观察其节拍流程：
1）置拨动开关SW＝10000101 00000000；
2）按RESET按键；节拍指示灯T3 ~T0显示1000；
3）按START按键；节拍指示灯T3~T0显示0000；
4）按START按键；节拍指示灯T3~T0显示0010；
5）按START按键；节拍指示灯T3~T0显示0110；
6）按START按键；节拍指示灯T3~T0显示0100；
（3）选择基本指令的D组指令中的CALA指令，观察其节拍流程：
1）置拨动开关SW＝11000110 00000000；
2）按RESET按键；节拍指示灯T3 ~T0显示1000；
3）按START按键；节拍指示灯T3~T0显示0000；
4）按START按键；节拍指示灯T3~T0显示0010；
5）按START按键；节拍指示灯T3~T0显示0110；
6）按START按键；节拍指示灯T3~T0显示0100；
7）按START按键；节拍指示灯T3~T0显示0111；
8） 按START按键；节拍指示灯T3~T0显示0101；
6.单步方式下，通过指示灯观察各类基本指令的控制信号。
（1）选择指令的A组指令中的SHR指令，观察其执行过程中控制信号的变化，分析其作用。
（2）选择基本指令的B组指令中的JMPA指令，观察其执行过程中控制信号的变化，分析其作用。
（3）选择基本指令的D组指令中的CALA指令，观察其执行过程中控制信号的变化，分析其作用。
7.在以上几步实验的基础上，选择几条扩展指令，设计出扩展指令的节拍和每拍对应的控制信号。
单步方式下，通过指示灯观察各类扩展指令的节拍
（1）选择扩展指令的A组指令中的RCR指令，观察其节拍流程：
1）置拨动开关SW＝00101011 00010000；
2）按RESET按键；节拍指示灯T3 ~T0显示1000；
3）按START按键；节拍指示灯T3~T0显示0000；
4）按START按键；节拍指示灯T3~T0显示0010；
5）按START按键；节拍指示灯T3~T0显示0011；
（2）选择扩展指令的C级指令中的LDRA指令，观察其流程：
1）置拨动开关SW＝11100100 00000000；
2按RESET按键；节拍指示灯T3 ~T0显示1000；
3)按START按键；节拍指示灯T3~T0显示0000；
4)按START按键；节拍指示灯T3~T0显示0010；
5)按START按键；节拍指示灯T3~T0显示0110；
6)按START按键；节拍指示灯T3~T0显示0111；
7)按START按键；节拍指示灯T3~T0显示0101；
8.设计几条扩展指令的控制信号如下：
（1） 选择扩展指令ADC、STC、JRS、LDRX和JMPR。
（2） 根据设计的控制信号的表格用ABEL语言编写MACH的逻辑表达式。
(3)将编好的程序MACHC.JED下载到MACH芯片内

1. 编写ADC并测试运行：
   

2. 测试JMPR指令
   

3. 测试JPS指令
   

4. 测LDRX、STRX指令
   
   例2:测STRX指令
   

7实验心得

     ~~~~      通过此次试验,我深入理解计算机控制器的功能、组成知识,学习计算机各类典型指令的执行流程和组合逻辑控制器的设计过程和相关技术,掌握指令格式、寻址方式、指令系统、指令分类等建立具体的总体概念.经通过学习ADD,SHR,OUT,MVRD,JRC,RET,CALA等指令，对硬件运行流程以及汇编指令的控制和调试都有了新的进步。另外实验箱的A命令只支持基础命令，而不支持扩展指令，当需要用到扩展指令时，要用E命令输入，并且通过G命令执行。