中山大学计算机组成原理实验报告

实验报告实 验人： 郑熙霖 学 号：09388334日 期：2011-04-10院（系）： 软件学院 专业（班级）：09软件工程（数字媒体技术）实验题目：TEC-2实验计算机运算器实验一. 实验目的1 了解和掌握 Am2901 运算器的组成结构和工作原理2. 认识和掌握TEC-2机运算器的组成和工作原理3. 了解和掌握TEC-2机运算器相关控制信号的含义和使用方法4. 了解和掌握运算器的进位时间的测试方法，及进一步掌握双踪示波器的使用方法。二. 实验原理（一）概述运算器部件是计算器五大功能部件中的数据加工部件。运算器的首要功能是完成对数据的算术和逻辑运算，由算术逻辑运算部件（ALU）实现， 它在给出运算结果的同时，还给出运算结果的标志，如溢出否、进位否、结果为零否和符号 正负等，这些标志都保存在一个状态寄存器中。运算器的第二项功能，是暂存将参加运算的数据和中间结果，由其内部的一组寄存器来 承担。因为这些寄存器可以被汇编程序直接访问与使用，因此将他们称为通用寄存器，以区 别于那些计算机内部设置的、不能为汇编程序员访问的专用寄存器。为了用硬件线路完成乘除指令运算，运算器内一般还有一个能自行左右移位的专用寄存 器，称为乘商寄存器。TEC-2试验机的运算核心组成部分是Am2901。Am2901芯片是一个4位的位片结构的完 整的运算器部件。（二）Am2901运算器1. Am2901芯片内部组成结构输岀YIs1?kIsA8000800: MOVR0，A000MOVR1,40000804: ADDR0,R1SUBR0，R1ORR0，R1ANDR0,R1XORR0,R1ADCR0，R1SHL R0INC R0RET（3）用“G”命令运行程序。在命令行提示符状态下输入：G800执行上面输入的程序（4）用“R”命令观察运行结果及状态。在命令行提示符状态下输入：R观察运行结果及状态屏幕显示：R0=8001 R1=4000 R2=0000 R3=0000 SP=FFFF PC=0800 IP=080C R7=0000 R8=0000R9=0000 R10=0000 R11=0000 R12=0000 R13=0000 R14=0000 R15=0000F=000111110800: 2C00 A000 MOV R0,A000（5）用“T”或“P”命令单步执行。在单步执行之前，先将寄存器RO、R1清空，输入命令：RR08OOO:-ORR14OOO:-O在命令行提示符状态下输入：T 或 P执行之后，观察运行结果及状态屏幕显示：TRO=AOOOR1=OOOOR2=OOOO R3=OOOO SP=OFDOPC=O8O2IP=OOCDR7=O16A R8=OOOOR9=OOOOR1O=OOOOR11=OOOO R12=OOOO R13=OOOOR14=OOOOR15=OOOOF=OOO11111O8O2: 2C1O 4OOOMOVR1,4OOOTRO=AOOO R1=4OOO R2=OOOO R3=OOOO SP=OFDO PC=O8O4 IP=OOCD R7=O16A R8=OOOOR9=0000 R10=0000 R11=0000 R12=0000 R13=0000 R14=0000 R15=0000F=000111110804: 0401ADD R0, R1TR0=E000 R1=4000R2=0000 R3=0000SP=OFD0PC=0805IP=00CDR7=016AR8=0000R9=0000 R10=0000R11=0000 R12=0000R13=0000R14=0000R15=0000F=000111110805: 0C01SUB R0, R1TR0=A000 R1=4000R2=0000 R3=0000SP= OFD0PC=0806IP=00CDR7=016AR8=0000R9=0000 R10=0000R11=0000 R12=0000R13=0000R14=0000R15=0000F=000111110806: 5801OR R0, R1TR0=E000 R1=4000R2=0000 R3=0000SP= OFD0PC=0807IP=00CDR7=016AR8=0000R9=0000 R10=0000R11=0000 R12=0000R13=0000R14=0000R15=0000F=000111110807: 5001AND R0, R1TR0=4000 R1=4000R2=0000 R3=0000SP= OFD0PC=0808IP=00CDR7=016AR8=0000R9=0000 R10=0000R11=0000 R12=0000R13=0000R14=0000R15=0000F=000011110808: 5401XOR R0, R1TR0=0000 R1=4000R2=0000 R3=0000SP= OFD0PC=0809IP=00CDR7=016AR8=0000R9=0000 R10=0000R11=0000 R12=0000R13=0000R14=0000R15=0000F=010011110809: 0801ADC R0, R1TR0=4000 R1=4000R2=0000 R3=0000SP= OFD0PC=080AIP=00CDR7=016AR8=0000R9=0000 R10=0000R11=0000 R12=0000R13=0000R14=0000R15=0000F=00001111080A: 6000SHL R0TR0=8000 R1=4000R2=0000 R3=0000SP= OFD0PC=080BIP=00CDR7=016AR8=0000R9=0000 R10=0000R11=0000 R12=0000R13=0000R14=0000R15=0000F=00001111080B: 7400 INC R0TR0=8001 R1=4000 R2=0000 R3=0000 SP= OFD0 PC=080C IP=00CD R7=016A R8=0000R9=0000 R10=0000 R11=0000 R12=0000 R13=0000 R14=0000 R15=0000 F=00011111080C: AC00 RET六. 思考题1. 在脱机方式下进行运算器实验室，在按STEP键之前和按STEP键之后，ALU的输出结果及 状态SVZC有何不同，为什么？根据Am2901运算器的组成结构及其工作原理加以说明。从Am2901运算器的组成结构可以看出，A口和B口的寄存器在将数据传入ALU之前，会 经过对应的A锁存器和B锁存器。而由图IIAm2901时钟信号的作用图中可以看出，在一个时 钟周期内，CP高电平时寄存器的内容通过两个锁存器传送到输入端R和S中，且通用寄存器 不接收数据。由于ALU是组合逻辑电路，不受时钟信号影响，因而ALU输出的数据即为当前 状态下的运算结果。在按下STEP前ALU输出当前运算结果，SVZC显示当前的状态结果；当 按下STEP后，CP下降沿到来时，A、B锁存器锁存数据，通用寄存器开始接收新数据，此时 在下降沿，ALU将输出的结果存入通用寄存器中，ALU则根据通用寄存器中新的数据再次进 行运算，因而ALU输出新的运算结果，而SVZC状态寄存器则将上次的状态记录下来。2. 写出实现以下功能操作微码：(按下表形式书写)A. (Ro+Rio)Q RoQ,联合左移。B. D- B B,其中D为数据，B为B口寄存器。C. 0 R0,要求不要用立即数传送实现。功能操作MI876MI543MI210A 口地址B 口地址A. (R10+R0)QfR0Q联合左移11000000110100000功能操作MI876MI543MI210A 口地址B 口地址B. D - B BB Q00000001100000000D - Q B01101011000000000C. 0 R0R0 R0 R001111000100000000七. 实验心得本次实验是第一次在TEC-2实验机上完成，一开始对庞大的TEC-2实验机的知识体系感到 恐惧，想要做起实验也相当困难。但是后来认真地阅读了实验手册上前3章关于TEC-2实验机 及其指令系统的介绍后，特别是对于图IAm2901内部结构图的认真研究之后，渐渐明白了其 工作原理。本次实验最大的收获就是基本理解Am2901的工作原理。对于Am2901,认识到它是用来实 现算数和逻辑运算的，结合第一次实验设计4位ALU，明白ALU只是一个组合逻辑电路，它能 直接对输入的数据进行运算，不会受到时钟信号的影响。芯片有16个4位通用寄存器，通过A、B地址的选择，可以选择其中的两个寄存器参与当前的 运算，但这两个寄存器的内容在传入ALU前，还必须经过对应的A、B锁存器才能进入ALU的两 个输入端口，这是用来确保运算过程中数据一致性的问题的。而锁存器只有在脉冲信号的边 沿端才会起作用，因此实验中会涉及到按压STEP手动产生脉冲信号，使数据锁存。另外，对 于ALU的运算结果，它可以输出到Y,同时又可以将结果保存在B通用寄存器或Q寄存器中。立 即数数据不可以经过寄存器传入ALU，它必须直接通过R输入端进入ALU。其中还没有完全弄明白的是移位器的工作原理。对于如何选择左移和右移的控制码SSH 以及为什么要进行对应的操作比较不理解。算数移位和逻辑移位又应该在什么情况下使用和 操作，以及它与标志位状态寄存器之间的关系都还有待进一步学习理解。基本了解了 TEC-2的工作原理后，设计起指令微码来也相对比较轻松。联机实验则让我 明白了每一步汇编指令在寄存器内部发生的变化。以后还必须继续深入了解其工作原理，为 以后的汇编实验设计打下基础。经过这次实验更加进一步体会到模拟机的强大，它在验证我的指令微码时起到重要作 用，用起来也相当方便。总之实验的过程中不需要担心内容繁杂难懂，边学边做，边做边理解，不断回滚之前学 过的掌握的知识，就可以比较顺利地理解和完成实验内容。