計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文
計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,是一門技術(shù)性、工程性和實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。下面是學(xué)習(xí)啦小編為大家整理的計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文，供大家參考。
計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文篇一
基于VRML的計(jì)算機(jī)組成原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文摘要
摘要：由于時(shí)間和空間的限制，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)往往不能滿足全部學(xué)生的需求，為此，設(shè)計(jì)出了一套基于VRML技術(shù)的計(jì)算機(jī)組成原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生只要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)就可以隨時(shí)隨地做實(shí)驗(yàn)，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足。
計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文內(nèi)容
關(guān)鍵詞：VRML技術(shù); 虛擬實(shí)驗(yàn);計(jì)算機(jī)組成原理
中圖分類號(hào)：TP301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044(2014)06-1220-03
The Design of Virtual Experiment System of Computer Organization and Architecture Based on VRML
HU Li-fang1， HU Zi-kai2
(1.Jiaozuo Teachers College of Computer and Information Engineering College， Jiaozuo 454000，China; 2 Puyang City Zi Elementary， Puyang 457000，China)
Abstract： Due to the limitation of time and space， the traditional experiment can’t meet all the needs of the students， therefore， designed a set of virtual experiment system of computer organization and architecture based on VRML technology， students can do the experiment anywhere， effectively overcomes the shortcoming of the traditional experiment.
Key words： VRML technology; virtual experiment; computer organization and architecture experiments
在高職院校中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)占有非常重要的地位，是提高學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)、動(dòng)手能力的一個(gè)重要手段。目前，由于各種原因，許多學(xué)校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和手段還不能完全滿足要求。與此同時(shí)，近年來(lái)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅速發(fā)展，為虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建提供了有效的支撐。
《計(jì)算機(jī)組成原理》是計(jì)算機(jī)專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程之一，做實(shí)驗(yàn)又是該課程的一個(gè)重要部分，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以深入了解計(jì)算機(jī)是如何進(jìn)行算術(shù)計(jì)算、怎樣存儲(chǔ)信息并且能更好的掌握計(jì)算機(jī)的硬件組成[1]。目前，國(guó)內(nèi)部分院校已開(kāi)發(fā)出了計(jì)算機(jī)組成原理課程的網(wǎng)絡(luò)課程，但這些網(wǎng)絡(luò)課程大多數(shù)為靜態(tài)的網(wǎng)頁(yè)展示或動(dòng)畫演示，并未開(kāi)發(fā)出具有3D虛擬場(chǎng)景，交互性較好的計(jì)算機(jī)組成原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[2]。因此，具有三維交互性的計(jì)算機(jī)組成原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就顯得非常重要。
1 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)
VRML(Virtual Reality Modeling Language，虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言)是一種三維場(chǎng)景描述性語(yǔ)言，利用它能在網(wǎng)頁(yè)上創(chuàng)建具有導(dǎo)航及超鏈接功能的三維虛擬空間。VRML的工作原理可以簡(jiǎn)單描述成：文本描述、遠(yuǎn)程傳輸及本地計(jì)算生成。VRML并不是使用三維坐標(biāo)點(diǎn)描述物體的，而是使用了一種類似于HTML的標(biāo)記文本語(yǔ)言來(lái)描述三維場(chǎng)景，因此使用它編寫的文件所占的空間非常小，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求不高[3]。利用VRML技術(shù)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能為學(xué)生提供一個(gè)逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，具有超強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)感，可充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
該系統(tǒng)主要模擬仿真清華大學(xué)科教儀器廠生產(chǎn)的TEC—4計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀。使用VRML技術(shù)構(gòu)建三維虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并通過(guò)ASP技術(shù)及B/S(Browser/Server 瀏覽器/服務(wù)器)三層結(jié)構(gòu)的設(shè)置，構(gòu)建網(wǎng)頁(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上供學(xué)生使用。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
2 虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
2.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境的構(gòu)建
實(shí)驗(yàn)環(huán)境的構(gòu)建主要包括兩個(gè)方面：
1)靜態(tài)環(huán)境：主要指實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景的構(gòu)建。首先使用Vrmlpad建模工具對(duì)一些簡(jiǎn)單的形體(如實(shí)驗(yàn)臺(tái)、地板、墻壁等)進(jìn)行建模，再利用專業(yè)三維建模軟件3DSMax對(duì)導(dǎo)線、芯片、面包板等一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行建模。由于3DSMax對(duì)物體描述的精度比較高，因此使用它建造的一些形體轉(zhuǎn)到Vrmlpad后生成的文件中會(huì)存在大量多余代碼，所以必須進(jìn)行優(yōu)化處理[4]。建模過(guò)程如圖2所示：
圖2 建模過(guò)程
2)動(dòng)態(tài)環(huán)境：主要是指器材的功能顯示。即模仿真實(shí)實(shí)驗(yàn)的操作效果，例如用鼠標(biāo)單擊開(kāi)關(guān)按鈕后產(chǎn)生的按下和彈起的動(dòng)態(tài)過(guò)程、點(diǎn)擊導(dǎo)線之后出現(xiàn)的自動(dòng)連線效果等。
2.2 交互控制的設(shè)計(jì)
該部分的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求提供了面包板、連線等實(shí)驗(yàn)器材，并且還提供了一個(gè)操作標(biāo)記，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)者完成操作。學(xué)生通過(guò)鼠標(biāo)將指令直接傳送給虛擬空間，空間接到用戶請(qǐng)求，將消息傳遞給相應(yīng)的腳本程序，腳本程序經(jīng)過(guò)一系列的計(jì)算，然后以相應(yīng)的虛擬現(xiàn)實(shí)效果反饋給學(xué)生。
該部分功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠各種接觸傳感器節(jié)點(diǎn)(TouchSensor)、VRMLScript編寫的腳本程序以及ROUTE語(yǔ)句[3]。首先在系統(tǒng)中定義一系列的TouchSensor分布在每個(gè)需要進(jìn)行交互操作的虛擬物體上，當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到一定步驟時(shí)，將下步的傳感器激活，同時(shí)把其他步驟上需要的傳感器全置為無(wú)效，這樣即可實(shí)現(xiàn)讓實(shí)驗(yàn)者根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的要求按步進(jìn)行操作。在這個(gè)過(guò)程中，使用設(shè)置好的Script(腳本)節(jié)點(diǎn)來(lái)控制這些觸發(fā)事件的實(shí)現(xiàn)，這些腳本可以將用戶的操作進(jìn)行轉(zhuǎn)化，控制相應(yīng)的對(duì)象，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)虛擬交互功能。交互式虛擬實(shí)驗(yàn)事件驅(qū)動(dòng)體系的流程圖如圖3所示[5] 圖3 事件交互體系流程
下面以實(shí)現(xiàn)連線為例：
實(shí)驗(yàn)者按照實(shí)驗(yàn)要求，點(diǎn)擊相應(yīng)的面包板上的插座，這時(shí)系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)連線。為了模擬這個(gè)過(guò)程，建模時(shí)事先使用Extrusion節(jié)點(diǎn)在相應(yīng)位置建成實(shí)驗(yàn)所需的全部連線，但是開(kāi)始時(shí)用Switch節(jié)點(diǎn)將它們隱藏起來(lái)。隨著實(shí)驗(yàn)過(guò)程的進(jìn)展，當(dāng)學(xué)生用鼠標(biāo)單擊指定位置時(shí)，在腳本程序的控制下，相應(yīng)位置就會(huì)顯示連線。圖4為連線完成后的效果：
圖4 連線完成效果圖
以下是實(shí)現(xiàn)該功能的部分程序代碼：
1)初始建模時(shí)隱藏導(dǎo)線的設(shè)置(以第一根導(dǎo)線為例)
DEF line_M2_VCC1_switch Switch {
#定義了插座M2和VCC1之間的連線
whichChoice -1 #表示初始時(shí)處于隱藏狀態(tài)
choice [
DEF line_M2_VCC1 Transform {
children[
Transform {
…… #省略了導(dǎo)線線身和插頭的定義
2) 控制導(dǎo)線顯示的腳本程序
DEF change_line0 Script {
eventIn SFBool input
eventOut SFInt32 output
url "javascript：
function input (value，time)
{
if (value==1)
output=0;
}"}
……
3) 路由表設(shè)置如下
ROUTE touch_vcc1.isActive TO change_line0.input
ROUTE change_line0.output TO line_M2_VCC1_switch.set_whichChoice
上述代碼表示當(dāng)插座VCC1上的觸發(fā)器被激活時(shí)，將發(fā)送一個(gè)消息給控制導(dǎo)線顯示腳本，腳本接到消息并經(jīng)過(guò)處理后，再發(fā)送命令給Switch節(jié)點(diǎn)，這樣就可以達(dá)到顯示導(dǎo)線的目的了。
3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)上發(fā)布
結(jié)合其它網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)構(gòu)建完成的三維虛擬實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景進(jìn)行整合[6]，如圖5所示。之后把該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)傳送到Web服務(wù)器上，學(xué)生只需要登錄就可以隨時(shí)隨地進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。
圖5 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景
4 結(jié)束語(yǔ)
該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式的時(shí)空限制，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)在時(shí)間和空間上得到有效的延伸。虛擬實(shí)驗(yàn)作為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)有益的補(bǔ)充，既能節(jié)約大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備經(jīng)費(fèi)，也有助于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。
計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文文獻(xiàn)
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計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文篇二
用于計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程教學(xué)的模擬器
計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文摘要
摘要：介紹基于開(kāi)源軟件包MML的計(jì)算機(jī)模擬器ARCH。ARCH實(shí)現(xiàn)了硬件結(jié)構(gòu)的邏輯門級(jí)映射，易修改和動(dòng)態(tài)運(yùn)行，并具有豐富的尋址方式和指令類型，克服了軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)抽象粒度過(guò)大和硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)交互性不強(qiáng)的問(wèn)題。
計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文內(nèi)容
關(guān)鍵詞：模擬器;計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu);MML;ARCH
計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程之一。它與匯編語(yǔ)言、微機(jī)原理、接口技術(shù)等課程一起構(gòu)成了硬件系列課程。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各個(gè)組成部分的工作原理、組成方法和相互關(guān)系，了解計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)和中央處理器的組織、數(shù)據(jù)傳遞路徑和指令控制流程、存儲(chǔ)管理、微程序設(shè)計(jì)、中斷系統(tǒng)和輸入/輸出系統(tǒng).等，具有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的初步概念。
“實(shí)踐出真知”這句話告訴我們：最理想的學(xué)習(xí)方式是把所學(xué)習(xí)的理論知識(shí)付諸實(shí)踐。在計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程教學(xué)過(guò)程中，如何把學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)付諸實(shí)踐，以及如何利用實(shí)踐驗(yàn)證和深化所學(xué)到的理論知識(shí)，這兩個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程是學(xué)生學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，許多高校已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)各種基于軟件和硬件的計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)輔助課程教學(xué)。這些實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可分為兩組：基于集成電路的硬件平臺(tái)和基于軟件的模擬平臺(tái)。
基于集成電路的硬件平臺(tái)具有完整的硬件結(jié)構(gòu)映射的優(yōu)點(diǎn)，但是存在操作復(fù)雜、電路容易故障、動(dòng)態(tài)演示困難等缺點(diǎn)，并且由于采用功能較為復(fù)雜的集成電路，硬件結(jié)構(gòu)的映射無(wú)法達(dá)到寄存器級(jí)別。而基于軟件的模擬平臺(tái)可以是完全基于編程語(yǔ)言(如C語(yǔ)言或其他高級(jí)語(yǔ)言)開(kāi)發(fā)模擬軟件，具有靈活、容易修改、動(dòng)態(tài)演示方便等優(yōu)點(diǎn)，但是由于軟件實(shí)現(xiàn)是基于算法級(jí)別的，偏重于工作原理，很難把程序代碼和具體的硬件結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)對(duì)應(yīng)起來(lái)。此外，已有的基于軟件的模擬平臺(tái)，在尋址方式和指令集方面覆蓋面不廣，不支持中斷和堆棧的操作，這也是一大缺陷。
下面筆者將介紹基于開(kāi)源軟件包Multimedia Logic(MML)所開(kāi)發(fā)的用于計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程教學(xué)的計(jì)算機(jī)模擬器ARCH。ARCH具有軟件的易動(dòng)態(tài)運(yùn)行、易修改、易二次開(kāi)發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了硬件結(jié)構(gòu)的邏輯門級(jí)映射，還具有豐富的尋址方式和指令類型，對(duì)中斷和堆棧的操作提供了基本支持，從而彌補(bǔ)了已有相關(guān)計(jì)算機(jī)教學(xué)模擬器的不足之處。
1 研究背景
2001年，Yehezkel，Yurcik，Pearson和Armstrong研發(fā)了3種計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)模擬平臺(tái)：EasyCPU，Little Man Compmer和RTLSim。其中EasyCPU是一個(gè)基于英特爾X86微處理器的入門級(jí)微型計(jì)算機(jī)的模擬器。它只是一個(gè)軟件程序，模擬Intel X86系列微處理器的主要尋址模式和指令集合。Little Man Computer和RTLSim是對(duì)EasyCPU的進(jìn)一步改進(jìn)和完善。
2006年，Arias和Garcia研發(fā)了計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)模擬平臺(tái)SimpleCPU。SimpleCPU是一個(gè)16位的模擬CPU。它采用了3種尋址模式：快速模式、寄存器模式、間接尋址。它除了包含8個(gè)通用寄存器外，還有程序計(jì)數(shù)器(PC)、狀態(tài)寄存器(SR)、ALU的時(shí)間輸入寄存器(TMPI)、ALU時(shí)間輸出寄存器(TMPO)、存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器(MDR)、內(nèi)存地址寄存器(MAR)和指令寄存器(IR)。
2007年，Stanley等基于MML軟件包完成了計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)模擬平臺(tái)：16位的Made。Marie具有13條指令，并使用直接和間接尋址模式，每個(gè)存儲(chǔ)單元是16位長(zhǎng)，指令字長(zhǎng)和存儲(chǔ)字長(zhǎng)相等。機(jī)器指令由兩個(gè)字段組成：2位操作碼和12位的地址。Made有7個(gè)寄存器。它們是累加器(AC)、內(nèi)存地址寄存器(MAR)、存儲(chǔ)器緩沖寄存器(MBR)、程序計(jì)數(shù)器(PC)、指令寄存器(IR)、輸入寄存器(InREG)和輸出寄存器(OutREG)，具有16位復(fù)用數(shù)據(jù)總線。
除了Marie之外，Stanley等還研發(fā)了兩種不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模擬器：哈佛體系結(jié)構(gòu)和馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)。馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)模擬器有4條指令，具有8位的程序計(jì)數(shù)器，8位的指令寄存器，8位的累加器和8位的存儲(chǔ)器。指令中操作碼占用2位，其余的被分配給地址碼，每條指令的執(zhí)行周期包含3個(gè)時(shí)鐘周期。8位哈佛體系結(jié)構(gòu)模擬器有8條指令，每條指令的執(zhí)行周期包含1個(gè)時(shí)鐘周期。
筆者在Stanley和Oztekin的工作基礎(chǔ)上所提出的計(jì)算機(jī)模擬器ARCH的所有單元是基于MML包進(jìn)行邏輯門級(jí)設(shè)計(jì)，并有38個(gè)指令。這些指令是當(dāng)今的商業(yè)微處理器的核心指令。它有6種不同的尋址模式，同時(shí)支持中斷和堆棧操作。此外，因?yàn)樗乃袉卧窃谶壿嬮T級(jí)設(shè)計(jì)的，所以，學(xué)生可以很容易檢查在模擬器中的所有單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。表1所示是各種計(jì)算機(jī)模擬器的基本屬性。
2 ARCH結(jié)構(gòu)和指令
2.1 總體結(jié)構(gòu)
ARCH是用于本科生計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程教學(xué)的模擬器。它有38條指令，包含11條存儲(chǔ)器和累加器操作類指令，6條指令的變址和堆棧操作指令，13條無(wú)條件和有條件轉(zhuǎn)移指令，6條指令的條件碼寄存器操作指令和2條指令輸入/輸出指令。它支持6個(gè)不同的尋址模式，包括立即、直接、間接、變址、相對(duì)、隱含尋址模式。它有11個(gè)寄存器，包括地址寄存器(AR)、程序計(jì)數(shù)器(PC)、暫存器(TR)、變址寄存器(IX)、16位長(zhǎng)的堆棧指針(SP)、指令寄存器(IR)、輸入寄存器(INPR)、輸出寄存器(OUTR)和8位長(zhǎng)的條件碼寄存器(CCR)。ARCH的數(shù)據(jù)路徑寬度為16位，地址寄存器的寬度為16位，所以ARCH有64KB的內(nèi)存區(qū)域。ARCH中有一個(gè)專用的有效地址生成部件。該部件可以根據(jù)尋址模式計(jì)算出一個(gè)有效的地址，而不是采用通用ALU進(jìn)行地址計(jì)算。該有效地址生成部件需要6個(gè)時(shí)鐘周期生成有效地址。MML開(kāi)發(fā)環(huán)境中ARCH核心部件ALU和CU結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2.2 指令系統(tǒng) ARCH的指令包含操作碼和地址碼兩部分。操作碼包含兩個(gè)字段：操作類型和尋址模式。在內(nèi)存空間中，隱含尋址模式的指令占用1個(gè)字節(jié)，直接、間接和立即尋址模式的指令占用3個(gè)字節(jié)，相對(duì)和變址尋址模式的指令占用2個(gè)字節(jié)。所有尋址方式指令的第1個(gè)字節(jié)是操作碼。操作碼的第4、5和6位表示6個(gè)不同尋址模式的其中之一，其余操作碼位表示指令的操作類型。
1)累加器操作指令。
累加器操作共有11種不同指令。采用立即、直接和間接尋址模式的累加器操作指令占用3個(gè)字節(jié)，而采用變址尋址模式的累加器操作指令占用2個(gè)字節(jié)，此外采用隱含尋址模式的累加器操作指令僅占用1個(gè)字節(jié)。各種累加器操作指令如表2所示。
2)變址指令和堆棧指令。
變址和堆棧指令使用立即、直接、間接、變址和隱含尋址模式。在存儲(chǔ)器中，前3種模式占據(jù)3個(gè)字節(jié)，第4種模式占用2個(gè)字節(jié)，第5種模式占用1個(gè)字節(jié)。各種變址指令和堆棧指令如表3所示。
3)有條件或無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令。
有條件和無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令可以改變程序流程。只不過(guò)一些是有條件轉(zhuǎn)移，其他的則是無(wú)條件轉(zhuǎn)移。絕大多數(shù)轉(zhuǎn)移指令使用相對(duì)尋址模式，只有返回主程序指令使用隱含尋址模式。各種有條件或無(wú)條件轉(zhuǎn)移分支指令如表4所示。
4)帶條件寄存器操作指令。
在執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時(shí)，帶條件寄存器操作指令有特別重要的作用。它們?nèi)坎捎秒[含尋址模式，并在取指和譯碼階段的最后一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行。表5所示是各種帶條件寄存器操作指令。
5)輸入/輸出指令。
為了與外設(shè)(如鍵盤)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，ARCH使用8位的鍵盤作為輸入單元，使用可用的8位LED顯示單元作為輸出單元。數(shù)據(jù)從鍵盤被轉(zhuǎn)移到輸入寄存器(INPR)，并且進(jìn)一步被轉(zhuǎn)移到LED顯示單元，存儲(chǔ)于輸出寄存器(OUTR)。ARCH支持有兩種輸入/輸出指令：IN和OUT。IN指令是將從鍵盤輸入的數(shù)據(jù)傳送到INR中存儲(chǔ)起來(lái)，OUT指令是將數(shù)據(jù)從OUTR傳送到LED顯示單元。
ARCH模擬器支持查詢輸入/輸出方式，這時(shí)輸入標(biāo)志(FGI)和輸出標(biāo)志(FGO)必須在輸入/輸出的操作過(guò)程中不斷地檢查。如果其中的一個(gè)控制標(biāo)志是邏輯1，那么計(jì)算機(jī)開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。然而，由于計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸率是非常低的，所以這種數(shù)據(jù)傳送方法不是很有效。
另一種方式是采用下述中斷方式。當(dāng)輸入/輸出單元已經(jīng)準(zhǔn)備好了，利用中斷方式通知ARCH。ARCH立即離開(kāi)主程序執(zhí)行，并啟動(dòng)必要的輸入/輸出操作傳送數(shù)據(jù)。當(dāng)ARCH完成輸入/輸出操作后將返回主程序。
6)中斷。
ARCH模擬器的工作周期包含中斷周期和指令周期兩種。觸發(fā)器C用于區(qū)分中斷周期和指令周期。如果觸發(fā)器C是邏輯1，那么模擬器是在中斷周期，否則，是在指令周期。在指令周期中，通過(guò)控制機(jī)制來(lái)檢查中斷標(biāo)志。如果實(shí)驗(yàn)人員不希望模擬器進(jìn)入中斷周期，則可以清除觸發(fā)器C。
ARCH模擬器中設(shè)置了兩個(gè)指令可以將條件碼寄存器的中斷標(biāo)志設(shè)置為邏輯1或0。STI指令在中斷標(biāo)志設(shè)置為邏輯1，而CLI指令清除中斷標(biāo)志。
ARCH模擬器在進(jìn)人中斷周期之前，能保存一些寄存器的內(nèi)容。這些寄存器的內(nèi)容被保存在堆棧區(qū)域，這些堆棧區(qū)域是從E000h開(kāi)始的4KB的內(nèi)存。保存寄存器到堆棧區(qū)的操作按以下順序進(jìn)行：程序計(jì)數(shù)器、變址寄存器、累加器、條件碼寄存器。
3 ARCH的應(yīng)用
下面以計(jì)算f(x)=x2+x+1為例說(shuō)明基于ARCH的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程。首先，約定x的值被存儲(chǔ)在ARCH的64KB存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)段中，并且最后運(yùn)算結(jié)果f(x)的結(jié)果也存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)段中數(shù)據(jù)段是從地址為A000h開(kāi)始的占用4KB的內(nèi)存空間。
該計(jì)算過(guò)程對(duì)應(yīng)的匯編代碼如下：
0100h：LDA#1234h\累加器裝載十六進(jìn)制1234H。
0103h：STA[00h]\累加器內(nèi)容轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)段。
0105h：LDA[00h]\數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)段提取。
0107h：MUL[00h]\在累加器中的數(shù)據(jù)乘以數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到累加器。
0109h：ADD[00h]\在累加器中的數(shù)據(jù)加上數(shù)據(jù)段中的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到累加器。
010Bh：INC\累加器中的值遞增并存儲(chǔ)到累加器。
010Ch：STA[00h]\累加器的值被存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)段。
010Eh：HLT\程序停止。
上述匯編代碼可以手動(dòng)或者通過(guò)匯編程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換成為二進(jìn)制代碼，并存儲(chǔ)于文件中。
在MML開(kāi)發(fā)環(huán)境中運(yùn)行ARCH，此時(shí)二進(jìn)制代碼文件中的代碼和數(shù)據(jù)被自動(dòng)載入存儲(chǔ)器中并執(zhí)行。我們可以通過(guò)ARCH包含的LED查看相應(yīng)的執(zhí)行結(jié)果。
4 結(jié)語(yǔ)
在計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課程教學(xué)過(guò)程中，為了把學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)付諸實(shí)踐，利用實(shí)踐驗(yàn)證和深化所學(xué)到的理論知識(shí)，許多高校已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)各種教學(xué)用的計(jì)算機(jī)模擬平臺(tái)。針對(duì)基于軟件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的抽象粒度過(guò)大和基于硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)交互性不強(qiáng)的問(wèn)題，筆者提出了基于開(kāi)源軟件包MML計(jì)算機(jī)模擬器ARCH。ARCH不僅具有軟件的易動(dòng)態(tài)運(yùn)行、易修改、易二次開(kāi)發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了硬件結(jié)構(gòu)的邏輯門級(jí)映射，并具有豐富的尋址方式和指令類型，對(duì)中斷和堆棧的操作提供了基本支持，從而彌補(bǔ)了已有相關(guān)教學(xué)模擬器的不足之處。
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