微控制器实验：打造一套自己的指令码

一开始其实我是一头雾水的，完全不知道要干什么，不过看了几个Example之后，也自己能猜的大概，然后试试，果真如此，非常开心。

下面就来一句句地实现。

首先指令是这样的格式：

现在是我来设计指令，那一切都是听我的，OP-CODE就完全是我自己定义的了，我想让他是多少就是多少。

第一条指令是INL，就是INPUT的低 $8$ 位送到寄存器DR，我想让这句话的OP-CODE是 $001$。

而RS在这里是不适用的，因为没有源寄存器，就是从I/O获得的数据，我用 $XX$ 表示。

RD是目标寄存器，是编码的时候确定的，我用 $YY$ 表示。

$0010XXYY$ 就是这条指令。

由于 $XXYY$ 是不确定的，所以显然不能用来散转，那么散转的指令就应该是 $0010$，是 $4$ 位操作码，因此，运用散转规则，得到的散转地址是 $11001000000$。

散转地址用 $16​$ 进制表示，就是 $640​$。

这意味着，我第一句指令，应该写在散转地址为 $640$ 的地方。

这之前的都不需要动，程序复位以后这两句话是没错的。

找到微地址为 $640$ 的地方。

这里要执行一句话，是从I/O到寄存器，取低 $8$ 位，也就是可以认为是偶字节传递。

目的编码应该是通用寄存器。

原编码应该是I/O。

因为是取第 $8$ 位，所以可以认为是偶字节传递。

这条指令到这里就执行完了，是一条长度为 $1$ 的指令。

因此，执行完以后，$\mu PC$ 需要做结尾变址，且 $PC = PC+1$。

单击“修改”，这条指令就被录入了，是在 $640$ 的地方。

接下来去指令系统定义这条指令。

这条指令的助记码是INL，需要的操作数只有一个寄存器R0，长度为 $1$。

指令码的话，如上所言，我定义的是 $0010XXYY$，用 $16$ 进制表示就是 $2X$，不妨就设置为 $20$。

那么，这条指令就应该被定义为：

INL R0 20 1

事实上，正如上面说的，指令码是 $2X$，所以其实定义为 $22$ 或者 $29$ 或者其他的形式都是可以的，最后程序装载、运行得到的散转地址都是 $640$，都能够正常运行。

为此，我还特意尝试过，确实是可以的。

但是定义操作码为 $30$ 显然不行，那就散转到 $660$ 去了。

类似地，定义第二条指令。

OUTL SR，是将源寄存器的低 $8$ 位取出，输出到I/O区域。

上面我用掉了 $001$，现在我想用 $010$。

那么这条指令就是 $0100XXYY$，取 $0100$ 进行散转，得到的散转地址是 $11010000000$，用 $16$ 进制表示就是 $680$，所以这一条指令应该写在散转地址为 $680$ 的地方。

是将寄存器的值输出到I/O，所以源地址是寄存器，目的地址是准双向输入输出，取的是低 $8$ 位，所以总线规则是偶字节传递，这是单条指令，执行完就好了，所以 $PC++$ 且 $\mu PC$ 是结尾变址回到 $0001$。

类似地，定义指令系统。

指令码应该是 $0100XXYY$，所以就是 $4X$，我定义的是 $40$。

OUTL R0 40 1

第三条指令，JMP。

下面轮到 $011$ 了，那就是 $11011000000$，换成 $16$ 进制是 $6C0$。

因为地址是 $16$ 位的，所以势必需要分批次将数据读入。

且，这条指令的长度为 $3$，其中第 $1$ 个字节是指令，后面 $2$ 个字节都是数据，因此，应该要做 $PC=PC+3$。

第 $1$ 步，由于要读内存，所以要先取出 $PC$ 的值放到 $AR$，这时候 $PC$ 做第 $1$ 次递增，微地址递增。

因此，指令是 $4307C0$。

第 $2$ 步，将内存里面的值取出一个字节来，放到低位，那就相当于是奇字节到偶字节，我放到了寄存器BX里面。

这时候，源地址就是内存，注意是RAM而不是ROM，所以选择了源是MRD以后，需要选上E/M，目的地址是我选择了BX， 都无所谓，总线规则是奇字节到偶字节。

因此，指令是 $850400$。

第 $3$ 步，和第 $1$ 步是一样的，指令是 $4307C0$。

第 $4$ 步，要读内存里面的下一个字节了，放到高位，那就相当于是奇字节到奇字节，与第 $2$ 步是类似的，只要稍微改动一点，指令是 $840400$。

第 $5$ 步，数据准备完毕就可以跳了，跳的本质上就是用跳转到的地址覆盖掉 $PC$ 里面的值，这样的话下一次 $PC$ 取指取出来的就是跳过去那个地方的下一条指令了。

所以，执行的是，$PC$ 装载。

我是把数据放在BX的，所以应该是源地址选择ALU。

而ALU是算数逻辑单元，现在我不需要计算 $A+B$ 或者 $A \& B$之类的东西，我只想要BX的值，所以选择的是

目的地址应该是选择 $PC$ 装载。

微变址是结尾变址，因为已经执行完了。

$PC$ 装载了，自然也不存在保持还是增量这一说。

因此，指令是 $C039F2$。

回去定义指令系统。

操作数是内存，所以是*，指令的长度是 $3$，操作码我刚才定义的是 $0110$，也就是$6X$，所以我写的是 $60$。

JMP * 60 3

指令全部设计好了，回过头看一眼，所有的微地址都是唯一的，不冲突，所以满足要求。

下面就可以编写汇编代码了。

这个就非常简单了。

data    segment         ;将程序装载到数据存储器
        assume ds:data
        org   0
start:  INL    r0
        OUTL   r0
        JMP   start
data    ends
        end   start

装载，看一眼，好像还挺正常。

微单步执行，正常取出第 $1$ 条指令 $20$，散转，得到 $640$，跳过去了。

然后执行INL，我输入的是 $5936$，取低 $8$ 位，放到了寄存器。

然后正常回去，取下一条指令，并产生下址。

我重置I/O为 $0000$，观察得到低 $8$ 位输出成功。

然后是JMP。

这时候BX的值已经是要回去的地址了，$0000$，然后ALU将BX的值存放到PC。

然后就跳回去了，回到起点了，$0000$。实现了循环往复。

程序到此就结束了。

最后完整的代码附于本文文末。

下面就是画指令流程图。

机器指令格式在上面已经解释过了。

INL是 $XXX0YYZZ$，OUTL是 $XXX0YYZZ$，JMP是 $XXX0YYYY[ADDR][ADDR]$。

至此，作业就写完了。

下面玩一些好玩的。

例如，我想从输入获得一个数，放到AX，从输入获得一个数，放到BX，然后执行 $AX+BX$，结果存到SP。

也是完全可以的。

最后附上代码：

data    segment         ;将程序装载到数据存储器
        assume ds:data
        org   0
start:  INL    r0
        OUTL   r0
        JMP   start
data    ends
        end   start

INL      R0                  20     1
OUTL     R0                  40     1
JMP      *                   60     3