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。

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。

PC机一台，TD-CMA实验系统一套。

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≤28-1。

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。

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

其中，OP-CODE为操作码，RS为源寄存器，RD为目的寄存器，并规定：

IN和OUT的指令格式为：

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

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。

LAD、STA、JMP和BZC指令格式如下。

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

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

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

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

图7 实验连线图

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：

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。

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

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。