合肥工业大学计算机组成原理实验报告

1、实验一 存储器实验1、 实验目的了解静态随机存取存贮器的工作原理；掌握读写存贮器的方法。二、实验原理实验仪的存贮器MEM单元选用一片静态存贮器6116（2K×8bit）存放程序和数据。CE：片选信号线，低电平有效，实验仪已将该管脚接地。OE：读信号线，低电平有效。WE：写信号线，低电平有效。A0.A10: 地址信号线。I/O0.I/O7:数据信号线。CEOEWE功能1××不选中6116001读010写000不确定SRAM6116功能表存贮器挂在CPU的总线上，CPU通过读写控制逻辑，控制MEM的读写。实验中的读写控制逻辑如下图：读写控制逻辑M_nI/O用来选择对M

2、EM还是I/O读写，M_nI/O = 1，选择存贮器MEM；M_nI/O = 0，选择I/O设备。nRD = 0为读操作；nWR = 0为写操作。对MEM、I/O的写脉冲宽度与T2一致；读脉冲宽度与T2+T3一致，T2、T3由CON单元提供。存贮器实验原理图存贮器数据信号线与数据总线DBus相连；地址信号线与地址总线ABus相连，6116的高三位地址A10.A8接地，所以其实际容量为256字节。数据总线DBus、地址总线ABus、控制总线CBus与扩展区单元相连，扩展区单元的数码管、发光二极管上显示对应的数据。IN单元通过一片74HC245(三态门)，连接到内部数据总线iDBus上，分时提供地

3、址、数据。MAR由锁存器（74HC574，锁存写入的地址数据）、三态门（74HC245、控制锁存器中的地址数据是否输出到地址总线上）、8个发光二极管（显示锁存器中的地址数据）组成。T2、T3由CON单元提供，按一次CON单元的uSTEP键，时序单元发出T1信号；按一次uSTEP键，时序单元发出T2信号；按一次uSTEP键，时序单元发出T3信号；再按一次uSTEP键，时序单元又发出T1信号，按一次STEP键，相当于按了三次uSTEP键，依次发出T1、T2、T3信号。其余信号由开关区单元的拨动开关模拟给出，其中M_nI/O应为高（即对MEM读写操作）电平有效，nRD、nWR、wMAR、nMAROE

4、、IN单元的nCS、nRD都是低电平有效。三、实验结果及分析四、思考题1本实验系统中所使用的存储芯片的容量有多大？系统中实际可访问的空间是多大? 2K*8位、256*8位本实验系统中存储器的读写控制信号如何得到的？它们各自在什么时候有效？通过手拨动开关来获得控制信号，OE：读信号线，低电平有效。WE：写信号线，低电平有效。实验二 系统总线和具有基本输入输出功能的总线接口实验一、实验目的理解总线的概念及其特性；掌握控制总线的功能和应用。二、实验内容由于存储器和输入、输出设备最终是要挂接到外部总线上，所以需要外部总线提供数据信号、地址信号以及控制信号。在该实验平台中，外部总线分为数据总线、地址总线

5、、和控制总线，分别为外设提供上述信号。外部总线和CPU内总线之间通过三态门连接，同时实现了内外总线的分离和对于数据流向的控制。地址总线可以为外部设备提供地址信号和片选信号。由地址总线的高位进行译码，系统的I/O地址译码原理见下图（在地址总线单元）。 由于使用A6、A7进行译码，I/O地址空间被分为四个区，如表所示：I/O地址译码原理图A07 A06片 选地址范围00IO_nCE000-3F01IO_nCE140-7F10IO_nCE280-BF11IO_nCE3C0-FFI/O地址空间分配CPU通过读写控制逻辑，控制MEM和I/O设备的读写。实验中的读写控制逻辑如下图：读写控制逻辑M_nIO用

6、来选择对MEM还是I/O读写，M_nIO = 1，选择存贮器MEM；M_nIO = 0，选择I/O设备。nRD = 0为读操作；nWR = 0为写操作。对MEM、I/O的写脉冲宽度与T2一致；读脉冲宽度与T2+T3一致，T2、T3由CON单元提供。在理解读写控制逻辑的基础上我们设计一个总线传输的实验。实验所用总线传输实验框图如下图所示，它将几种不同的设备挂至总线上，有存贮器、输入设备、输出设备、寄存器。这些设备都需要有三态输出控制，按照传输要求恰当有序的控制它们，就可实现总线信息传输。总线传输实验框图一、读写控制逻辑实验1、连线说明： CBus单元：M_nIO、nRD、nWR、nINTA(JP

7、42)开关区单元：K15.K12(JP92)CBus单元：nM_RD、nM_WR、nIO_RD、nIO_WR (JP50)扩展区单元：JP67 注意：nINTA(K12)置“1”，使中断响应信号不干扰读写存贮器。2、打开实验仪电源，按CON单元的nRST按键，复位实验仪3、如果EXEC键上方指示灯点亮，表示实验仪在运行状态；否则，按一次EXEC键，使EXEC键上方指示灯点亮4、对MEM进行读操作（M_nIO = 1、nRD = 0、nWR = 1），按CON单元的uSTEP键，在T2、T3时刻，扩展区单元JP67对应的DS159指示灯熄灭，DS160-DS162指示灯点亮，表示nM_RD读信号

8、在T2、T3时刻有效5、对MEM进行写操作（M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 0），按CON单元的uSTEP键，在T2时刻，扩展区单元JP67对应的DS160指示灯熄灭，DS159、DS161、DS162指示灯点亮，表示nM_WR写信号在T2时刻有效6、对I/O进行读操作（M_nIO = 0、nRD = 0、nWR = 1），按CON单元的uSTEP键，在T2、T3时刻，扩展区单元JP67对应的DS161指示灯熄灭，DS159、DS160、DS162指示灯点亮，表示nIO_RD读信号在T2、T3时刻有效7、对I/O进行写操作（M_nIO = 0、nRD = 1、nWR = 0），

9、按CON单元的uSTEP键，在T2时刻，扩展区单元JP67对应的DS162指示灯熄灭，DS159-DS161指示灯点亮，表示nIO_WR写信号在T2时刻有效二、基本输入输出功能的总线接口实验。1、根据挂在总线上的几个基本部件，设计一个简单的流程：输入设备将一个数打入R0寄存器。输入设备将另一个数打入地址寄存器。将R0寄存器中的数写入到当前地址的存储器中。将当前地址的存储器中的数通过OUT单元用LED数码管显示。2、连线说明：CBus单元：M_nIO、nRD、nWR、nINTA(JP42)开关区单元：K5.K12(JP92)ALU单元：rR0、wR0开关区单元：K9、K8ALU单元：IN0.IN

10、7(JP22)iDBus单元：JP37MAR单元：nMAROE、wMAR(JP13)开关区单元：K11、K10(JP94)MAR单元：D0.D7(JP14)iDBus单元：iD0.iD7(JP38)存贮器MEM单元：A0.A7(JP72)ABus单元：A00.A07(JP56)存贮器MEM单元：D0.D7(JP73)DBus单元：D0.D7(JP53)存贮器MEM单元：M_nRD、M_nWR(JP71)CBus单元：nM_RD、nM_WR (JP44)IN单元：IN0.IN7(JP101)DBus单元：D0.D7(JP52)IN单元：nRDCBus单元：nIO_RD(JP49)IN单元：nCS

11、扩展区单元：GNDOUT单元：nWR(JP68)CBus单元：nIO_WR(JP48)OUT单元：nCS扩展区单元：GNDOUT单元：JP69DBus单元：D0.D7(JP54)OUT单元：JP70扩展区单元：JP65注意：nINTA(K12)置“1”，使中断响应信号不干扰读写存贮器。3、具体操作步骤图示如下：在星研软件的工具条中选择“简单模型机实验”，打开简单模型机实验的数据通路图。(1)拨动开关区单元开关：M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1、nINTA = 1、rR0 = 1、wR0 = 1、wMAR = 1；nMAROE = 0(允许地址寄存器MAR输出到地址总线)(2)

12、 打开实验仪电源(3)通过输入设备（IN单元）将数据55H写入R0寄存器将IN单元置01010101，wR0 = 0,允许写寄存器R0，M_nIO = 0、nRD = 0、nWR = 1，点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，T2、T3时刻IN单元输出数据，在T3的下降沿IN单元输出的数据写入R0。wR0 = 1，结束写R0操作(4)读R0中数据写入存贮器MEM的15H单元将IN单元置00010101，wMAR = 0，允许写MAR，M_nIO = 0、nRD = 0、nWR = 1，点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T3的下降沿IN单

13、元输出的数据写入地址寄存器MAR。wMAR = 1,结束写MAR操作。rR0 = 0,允许读寄存器R0；M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 0，允许写存贮器；点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T2的时刻完成对存贮器的写入操作。rR0 = 1， M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1，结束写MEM操作。(5)将当前地址的存贮器中数据读出，写入R0寄存器中。将IN单元置00010101，wMAR = 0，允许写MAR，M_nIO = 0、nRD = 0、nWR = 1，点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T3的下

14、降沿IN单元输出的数据写入地址寄存器MAR。wMAR = 1,结束写MAR操作。wR0 = 0,允许写寄存器R0；M_nIO = 1、nRD = 0、nWR = 1，允许读存贮器；点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，T2、T3时刻MEM单元输出数据，在T3的下降沿MEM单元输出的数据写入R0。wR0 = 1，M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1，结束写R0操作。(6)读R0寄存器，数据写入OUT单元，用数码管显示数据。rR0 = 0, 允许读寄存器R0；M_nIO = 0、nRD = 1、nWR = 0，允许写I/O设备；点击星研软件“单节拍运行”按扭

15、（运行一个机器周期），观察通路图，在T2的下降沿，R0寄存器输出的数据写入OUT单元。rR0 = 1、M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1，结束本次操作。三、实验结果及分析本次实验由于是2人完成，由我的学号作为地址，将另一个人的学号输出。四、思考题本实验系统中外设的读写控制信号如何得到的？对外设的读、写控制信号能不能同时发出？对存储器呢？本实验系统中外设的读写控制信号是拨开关得到的，对外设的读、写控制信号不能同时发出，对存储器的读、写控制信号也不能同时发出。总线上的部件输出数据时为什么要加三态门？三态门是一种扩展逻辑功能的输出级，也是一种控制开关。主要是用于总线的连接，因为总线只

16、允许同时只有一个使用者。通常在数据总线上接有多个器件，每个器件通过OE/CE之类的信号选通。如器件没有选通的话它就处于高阻态，相当于没有接在总线上，不影响其它器件的工作。实验三 具有中断控制功能的总线接口实验具有 DMA控制功能的总线接口实验一、实验目的DMA控制信号线的功能和应用；掌握在系统总线上设计 DMA控制信号线的方法。 二、实验内容直接存贮器传送DMA是指将外设的数据不经过CPU直接送入存贮器，或者，从存贮器不经过CPU直接送往外围设备。一次DMA传送只需要执行一个DMA周期，能够满足一些高速外设数据传输的需要。现在流行的ARM类CPU，内部集成有多个DMA控制器，允许SD卡、USB

17、、CAN、串口、AD、DA等与存贮器之间通过DMA方式传输数据，可以大大减少占用CPU的时间。DMA控制器（简称DMAC）传输数据时，需要占用总线，总线的控制权需要在CPU和DMAC之间切换，这就需要控制总线提供相应的信号，实现这种切换，避免总线竞争。外设需要DMA传输时，向DMAC提出请求，DMAC通过控制总线HOLD信号向CPU提出DMA请求；CPU在当前总线周期结束时，响应DMA请求：释放总线控制权，发出有效HLDA信号给DMAC；DMAC接受总线控制权，开始DMA传输，传送完毕后，撤销HOLD信号，释放总线控制权；CPU收回总线控制权，同时使HLDA信号失效。实验原理图如上图所示，CP

18、U在每个机器周期的T3时刻结束时锁存DMA请求HOLD，如果有DMA请求，生成有效的HLDA信号，（1）锁住CPU时钟信号，使T1、T2、T3均无效，冻住CPU（2）释放控制总线、数据总线、地址总线，外部总线都处于高阻状态；DMAC接受总线控制权，等DMA传输完毕，撤消HOLD信号；CPU在每个时钟周期，检查HOLD信号，监测到无效的HOLD的信号后，（1）CPU输出时钟信号，使CPU可以继续工作（2）收回控制总线、数据总线、地址总线控制权。在本实验中，检查U36（74HC245，CPU内外数据总线缓冲器）、U37（74HC245，CPU内外地址总线缓冲器）的OE脚，判断CPU是否失去数据总线

19、、地址总线的控制权；通过检查CBus单元的nIO_RD、nIO_WR、nM_RD、nM_WR信号，检查CPU对控制总线的控制权。三、实验结果及分析四、思考题响应中断的条件是什么？答：1、有中断源发出的中断请求；2、中断总允许位EA=1，即CPU开中断；3、申请中断的中断源的中断允许位为1，即中断没有被屏蔽；4、无同级或更高级中断正在被服务；5、当前的指令周期已经结束中断源的中断向量地址是通过数据线还是地址线送给？答：数据线响应请求后，其地址线、数据线和控制线引脚出现什么状态？答：高阻态实验四 基本运算器实验一、实验目的了解运算器的组成结构；掌握运算器的工作原理。二、实验内容运算器内部含有三个独

20、立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，要处理的数据存于暂存器A和暂存器 B，三个部件同时接受来自A和B的数据（有些处理器体系结构把移位运算器放于算术和逻辑运算部件之前，如ARM），控制信号S3.S0、CN_I决定哪个部件工作、对操作数进行何种运算，S3.S0通过多路选择开关选择这个部件的结果作为ALU的输出；如果运算影响进位标志FC、零标志FZ、正负标志位FS，在T3状态的下降沿，结果分别锁存到FC、FZ、FS ；I是中断允许标志位。ALU中所有模块集成在一片 CPLD中。逻辑运算部件由逻辑门构成，较为简单，后一节有专门的算术运算部件设计实验，在此对这两个部件不再赘述。移位运算采用的是8

21、×8位桶形移位器，这样，可以使所有的移位操作都可以一次完成。下图是一个4×4位桶形移位器所有的输入通过交叉开关与所有的输出端相连。如右移2位，第2条对角线(右移2)上的2个交叉开关接通，即第3位(in3)右移至第1位(out1),第2位(in2)移至第0位(out0)。又如右环移1位，第3条对角线(右移1)和第7条对角线(左3，3=4-1)同时有效，即可方便地实现右环移。逻辑左移/右移只须把没连接的输出位同时充以“0”即可实现；算术右移也只须把没连接的输出位用符号位填充即可。运算器部件由一片CPLD实现。ALU的输出通过三态门连到CPU内部数据总线（iDBus）上，另外还有

22、指示灯标明进位标志FC、零标志FZ、正负标志FS。请注意：图中T1、T2、T3、nRST已与CON单元相连，其它信号都来自于ALU单元的排针上。实验仪所有单元的T1、T2、T3、nRST已与控制台（CON）单元的T1、T2、T3、nRst连接，nRst提供复位信号；T1、T2、T3是一个微指令周期的三个节拍，高电平有效，瞬间只有一个信号有效，初始状态T1、T2、T3都是低电平。wA（允许写暂存器A）、wB(允许写暂存器B）、rALU(允许ALU结果输出到内部数据总线（iDBus）上)，都是低电平有效。暂存器A和暂存器B的数据能在 LED灯上实时显示，原理如下图： 进位标志FC、零标志FZ、正负

23、标志FS、内部数据总线 iD7iD0的显示原理与此类似；B、寄存器R0-3、堆栈寄存器SP、标志寄存器PSW（含FC、FZ、FS、I）共用R_0.R_7八个发光二极管，通过Select按键选择，按键上方的发光二极管指示R_0.R_7显示那个寄存器的值。ALU功能表运算类型S3 S2 S1 S0CN_I功能逻辑运算00000F = A （直通）00001F = B （直通）0001XF = A + B （或）（FZ）0010XF = A * B （与）（FZ）0011XF = A B （异或）（FZ）0100XF = /A （取反）（FZ）移位运算01010F = A 不带进位循环右移B(取低3

24、位)位（FZ）1F = A 算术右移一位（FZ）01100F = A 逻辑右移一位（FZ）1F = A 带进位循环右移一位（FC，FZ）01110F = A 逻辑左移一位（FZ）1F = A 带进位循环左移一位（FC，FZ）算术运算10000F = A + B（FC，FZ，FS）1F = A + B + FC（FC，FZ，FS）10010F = A - B（FC，FZ，FS）1F = A - B - FC（FC，FZ，FS）10100F = A + 1（FZ）1F = NEG A (取补)（FZ）1011XF = A - 1（FZ）其它1100X置FC = CN_I（FC）1101X置I =

25、CN_I(I)1110（保留）1111（保留）S3、S2、S1、S0、CN_I为控制信号，FC-进位标志，FZ-零标志，FS-正负标志，I-中断允许标志；表中功能栏内的FC、FZ、FS表示当前运算会影响到该标志。*表中X表示任意值，下同1、连线说明：ALU单元：S0.S3(JP18)开关区单元：K20.K23(JP89)ALU单元：wA、wB、rALU、CN_I(JP19)开关区单元：K15.K12(JP92)ALU单元：ALU_D0.ALU_D7(JP25)扩展区单元：JP62ALU单元：IN0.IN7(JP22)开关区单元：K0.K7(JP97)2、打开实验仪电源，按CON单元的nRST按

26、键，将ALU的A、B、FC、FZ、FS、I清零；如果EXEC键上方指示灯不亮，请按一次EXEC键，点亮指示灯，表示实验仪在运行状态。3、给暂存器A赋初值（1）拨动开关区单元的K7.K0开关，形成二进制数01011000（或其它值）；指示灯亮，表示该位是1，灭为0。（2）拨动开关区单元K15(wA)、K14(wB)、K13(rALU)、K12(CN_I)开关，赋wA=0（允许写A）、wB=1（禁止写B）、rALU=1(不允许ALU输出)、CN_I=0，按CON单元的STEP按键一次,产生一个T1的下降沿，将二进制数01011000写入暂存器A中，ALU单元的A_7A_0LED上显示A中的值 4、

27、给暂存器B赋初值（1）拨动开关区单元的K7.K0开关，形成二进制数10101011（或其它值）。（2）赋wA=1（禁止写A）、wB=0（允许写B）、rALU=1(不允许ALU输出)、CN_I=0，按CON单元的STEP按键一次,产生一个T2的下降沿，将二进制数10101011写入暂存器B中，ALU单元的R_7R_0LED上显示B中的值5、赋wA=1（禁止写A）、wB=1（禁止写B）、rALU(K10)=0,按uSTEP键，进入T3节拍，节拍DS169DS168T1、T2、T3无效（T1=0、T2=0、T3=0）00T1（T1=1、T2=0、T3=0）01T2（T1=0、T2=1、T3=0）10

28、T3（T1=0、T2=0、T3=1）11说明：1-亮；0-灭当rALU(K13)=0，如果S3S2S1S0的值是0000时，T2、T3节拍时，允许ALU结果输出；S3S2S1S0的值是其它数值，T3节拍时，允许ALU结果输出，显示于扩展区的二位数码管、DS94.DS101的LED上。6、根据后边的“运算结果表”，改变K20（S0）、K21（S1）、K22（S2）、K23（S3）、K12（CN_I）的值，观察并记录运算器的输出。例如：S0=0，S1=0，S2=0，S3=0，ALU的D7_D0 = 58H；FC、FZ、FS、I不变。注意：只有按CON单元的STEP按键一次，产生一个T3的下降沿，A

29、LU才将标志位FC、FZ、FS、I写入标志寄存器PSW中，才能在ALU单元的FZ、FC、FS、I指示灯上看到结果。如果实验仪、PC联机操作，则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果，方法是：打开软件，在星研软件的工具条中选择“运算器实验”，打开运算器实验的数据通路图。进行上面的手动操作，点击工具条上单节拍或单周期命令图标，数据通路图会反映当前运算器所做的操作。数据通路图重复上述操作，并完成下表。然后改变A、B、CN_I的值，验证 FC、FZ、FS、EI的锁存功能。运算结果表运算类型ABS3 S2 S1 S0CN_I结果逻辑运算58AB00000ALU=（58） FC=（0 ）FZ=（ 0） F

30、S=( 0)58AB00001ALU=（AB） FC=（0 ）FZ=（ 0） FS=( 0)58AB0001XALU=（FB） FC=（ 0）FZ=（0 ） FS=( 0)58AB0010XALU=（ 08 ） FC=（ 0）FZ=（ 0） FS=( 0)0011XALU=（F3 ） FC=（0 ）FZ=（0 ） FS=( 0)0100XALU=（A7 ） FC=（ 0）FZ=（0 ） FS=( 0)移位运算01010ALU=（ 0B ） FC=（ 0）FZ=（0 ） FS=( 0)01011ALU=（2C ） FC=（ 0）FZ=（ 0） FS=(0 )01100ALU=（ 2C ） FC=

31、（ 0）FZ=（0 ） FS=( 0)0110(FC=0)1ALU=（ 2C ） FC=（0 ）FZ=（0 ） FS=(0 )0110(FC=1)ALU=（ AC ） FC=（ 1）FZ=（0 ） FS=( 0)01110ALU=（B0 ） FC=（0 ）FZ=（0 ） FS=(0 )0111(FC=0)1ALU=（ B0 ） FC=（ 0）FZ=（0 ） FS=( 0)0111(FC=1)ALU=（B1 ） FC=（ 1）FZ=（ 0） FS=(0 )算术运算10000ALU=（ 03 ） FC=（1 ）FZ=（ 0） FS=(0 )1000(FC=0)1ALU=（ 03） FC=（ 0）F

32、Z=（ 0） FS=(0 )1000(FC=1)ALU=（ 04 ） FC=（ 1）FZ=（ 0） FS=( 0)10010ALU=（AC ） FC=（1 ）FZ=（ 0） FS=( 1)1001(FC=0)1ALU=（AC ） FC=（1 ）FZ=（0 ） FS=(1 )1001(FC=1)ALU=（ AD ） FC=（1 ）FZ=（ 0） FS=( 1)10100ALU=（ 59 ） FC=（ 0）FZ=（ 0） FS=( 0)1ALU=（ 58） FC=（ 0）FZ=（ 0） FS=(0 )1011XALU=（ 57 ） FC=（0 ）FZ=（ 0） FS=( 0)其它1100XFC=（

33、 X ）1101XEI=（ X）三、实验结果及分析A+B+FC fc=0 A+B+FC fc=1A-B-FC FC=0 A-B-FC FC=1 A B 循环移位四、思考题本实验系统中寄存器的写入在什么时刻进行？寄存器的写入在什么时刻进行？能否在一个机器周期内将、寄存器写入不同的数据？答：寄存器的写入在T1的下降沿，B寄存器的写入在T2的下降沿，能在一个机器周期内将、寄存器写入不同的数据。本实验系统中的求补功能与的求补指令功能是否相同？答：不同，只能对最高位为1的值进行求补实验五 微程序控制器实验一、实验目的(1) 掌握微程序控制器的组成原理。 (2) 掌握微程序的编制、写入，观察微程序的运行过

34、程。 二、实验内容微程序设计思想是由剑桥大学的M.V.Wilkes教授首先提出的，为每一条机器指令编写一个微程序，每一个微程序包含一条或几条微指令，每一条微指令对应一个或几个控制各部件动作的微操作指令。然后把这些微程序存到一个控制存贮器中，用寻找用户程序机器指令的方法寻找每个微程序中的微指令。由于这些微指令是以二进制代码形式表示的，每位代表一个控制信号，因此，逐条执行每一条微指令，也就相应地完成了一条机器指令的全部操作；由于控制信号是以二进制代码的形式出现的，因此只要修改微指令的代码，就可改变操作内容，便于调试、修改、甚至增删机器指令，有利于计算机仿真。微程序控制器原理框图微程序控制器是严格按

35、照系统时序来工作的，因而时序控制对于控制器的设计是非常重要的，从前面的实验可以很清楚地了解时序电路的工作原理，本实验所用的时序由CON单元来提供，分为三拍T1、T2、T3。微程序控制器的组成见下图，采用四片6116或2816作为微存贮器，微命令寄存器32位，用四片8D触发器（74HC574）组成。在取指周期的T2下降沿，读取的8位指令数据锁存到指令寄存器(IR)中；T3时刻，根据IR、状态条件（例如：进位标志位、零标志位等），译码生成该机器指令对应的微地址（该机器指令对应uM的首地址），送入微地址寄存器(uPC)；如果不在取指周期，uPC的微地址来自于微指令寄存器的低8位（该机器指令对应的后续

36、微地址）；在T3的下降沿，将控制存贮器中输出的微指令锁存到微指令寄存器中。微程序控制器原理图CON单元有一组按键，与开关区的拨动开关组合，可用来对存贮器MEM、控制存贮器uM读写操作：EXEC按键上方有一指示灯，复位后，指示灯亮，表示实验仪处于运行状态，STEP键、uSTEP键、iSTEP键、PULSE键有效；按一次EXEC键，实验仪切换到编辑状态，ADDR键、+1键、-1键、uM/M键、nRD键、nWR键有效；再按一次EXEC键，实验仪又切换到运行状态。如果在编辑状态时，使用按键，修改过MEM或uM的地址、数据，从编辑状态切换到运行状态后，请按一次nRST复位键，使实验仪回复初始设置（复位P

37、C、uPC、微程序控制器等）。以向uM的00H单元中写入44332211为例，对控制存贮器进行写入的具体操作步骤如下：（1）如果EXEC键上方指示灯熄灭，表示实验仪在uM、MEM编辑状态，转第二步；否则，按一次EXEC键，使EXEC键上方指示灯熄灭（2）如果uM/M键上方指示灯亮，表示处于uM编辑状态，直接转第三步；否则，按uM/M键一次，使uM/M键上方指示灯点亮（3）IN单元开关给出uM的首地址（00000000），按一次ADDR键，uPC单元的8个发光二级管全熄灭（1：点亮，0：熄灭）（4）IN单元开关给出该控存单元数据的低八位（00010001），按一次nWR键，低八位数据写入6116

38、/2816的同时，打入uM7-0对应的锁存器中，uM单元的uM0、uM4灯点亮，uM1-3、uM5-7指示灯熄灭（5）按一次+1键，准备写该控存单元的15-8位；IN单元开关给出数据（00100010），按一次nWR键，15-8数据写入另一片6116/2816的同时，打入uM15-8对应的锁存器中，uM单元的uM9、uM13灯点亮，uM8、uM10-12、uM14-15指示灯熄灭（6）按一次+1键，准备写该控存单元的23-16位；IN单元开关给出数据（00110011），按一次nWR键，23-16位数据写入另一片6116/2816的同时，打入uM23-16对应的锁存器中，uM单元的uM16、u

39、M17、uM20、uM21灯点亮，uM18、uM19、uM22、uM23指示灯熄灭（7）按一次+1键，准备写该控存单元的最高8位；IN单元开关给出数据（01000100），按一次nWR键，最高8位数据写入最后一片6116/2816的同时，打入uM31-24对应的锁存器中，uM单元的uM26、uM30灯点亮，uM24-25、uM27-29、uM31指示灯熄灭如果再按一次+1键，uPC+1，uM单元uPC7-uPC0显示当前地址（00000001）编辑完成后进行校验。以校验00H单元为例，对于控制存贮器uM进行校验的具体操作步骤如下：（1）确认EXEC键上方指示灯熄灭；uM/M将上方指示灯点亮（2

40、）IN单元开关给出uM的首地址（00000000），按一次ADDR键，uPC单元的8个发光二级管全熄灭（1：点亮，0：熄灭）（3）按一次nRD键，从6116/2816（低八位）读出数据，打入uM7-0对应的锁存器中，uM7-0指示灯显示数据（00010001） （5）按一次+1键，准备读该控存单元的15-8位；按一次nRD键，从另一片6116/2816（中八位）读出数据，打入uM15-8对应的锁存器中，uM15-8指示灯显示数据（00100010）（6）按一次+1键，准备读该控存单元的23-16位；按一次nRD键，从另一片6116/2816（高八位）读出数据，打入uM23-16对应的锁存器中，

41、uM23-16指示灯显示数据（00110011）（6）按一次+1键，准备读该控存单元的31-24位；按一次nRD键，从另一片6116/2816（最高八位）读出数据，打入uM31-24对应的锁存器中，uM31-24指示灯显示数据（01000100）如果再按一次+1键，uPC+1，uM单元uPC7-uPC0显示当前地址（00000001）如果按一次-1键，uPC-1，uM单元uPC7-uPC0显示当前地址（00000000）；按nRD或nWR键一次，对uM31-24（最高八位）对应的芯片操作；继续按-1键，依次对高八位、中八位、低八位对应的芯片操作；减至低8位后，再按动-1键一次，微地址uPC会自

42、动减一，继续对下一个单元的操作。如校验的微指令出错，则返回输入操作，修改该单元的数据后再进行校验，直至确认输入的微代码全部准确无误为止，完成对微指令的输入。微指令字长共 32位，控制位顺序如下表：微指令格式位3130292827262524232221信号名iEndwAwBwIRSP_nOErRDirRirALUA字段wPSW位20191817161514131211-8信号名CN_IrPCPC+1nMAROEnPCOEnINTAnWRnRDM_nIOS3.S0位7-0信号名uM_PC7.uM_PC0A字段2322选择00NOP01wRi10wPC11wMAR其中uM_PC7.uM_PC0为8

43、位后续微地址，A为译码字段，由二个控制位译码出多位。本实验用到的控制位：wA：写暂存器A。wA低电平，在T1的下降沿，将iDBus上数据写到暂存器A。wB：写暂存器B。wB低电平，在T2的下降沿，将iDBus上数据写到暂存器B。wIR:写指令寄存器IR。wIR为低电平，在T2的下降沿，将iDBus上数据写到IR。rRDi：读通用寄存器。rRDi低电平，在T1时刻，通用寄存器中数据输出到内部数据总线iDBus上。rRi: 读通用寄存器。rRi低电平，在T2时刻，通用寄存器中数据输出到内部数据总线iDBus上；在T3时刻，如果rALU信号为高电平，通用寄存器中数据也输出到iDBus上。rALU：允

44、许ALU结果输出到iDBus上。rALU低电平，在T3时刻，ALU的运算结果输出到iDBus上，这时rRi、nRD只在T2时刻有效，T3时刻让出iDBus。wRi：写通用寄存器。wRi低电平，在T3的下降沿，将iDBus上数据写到通用寄存器中。CN_I、S3.S0：控制ALU执行何种操作，详细请参阅基本运算器实验M_nIOnRDnWR有效期读I/O(nIO_RD)001T2，T3（rALU=1）写I/O(nIO _WR)010T2本系统上的指令译码规则：机器码IR7.IR0译码输出地址IR_A7.IR_A0微地址范围IR_A7.IR_A0说明00-7FH00001，IR6.IR408H-0FH

45、80-9FH00110, IR4.IR230H-37HA0-DFH00，IR6.IR2,010H-2FHB8-BFH译码为1EHE0-EFH010,IR3.IR0,040H-5FHF0-F3H04H-07H04H-07HF8-FFH00111,IR2.IR038H-3FH指令译码电路在IR单元的CPLD中实现本实验只使用了微控器产生的部分控制信号；除了ALU、通用寄存器R0、指令寄存器IR、指令译码电路外，还要用到IN和OUT单元,由微控器出来的信号M_nIO、nWR和 nRD三个信号控制，所以对这两个单元的读写信号还应先经过译码，其译码原理如下图：读写控制逻辑IR单元原理图R0原理图 OUT

46、单元原理图扩展区电路（辅助电路）同时使用二位数码管、8个发光二极管显示8位数据使用二位数码管显示8位数据使用8个发光二极管最多显示8位数据本实验安排了四条机器指令，分别为ADD（0000 0000）、IN（1010 1000）、OUT（1010 1100）和HALT（1111 1111），括号中为各指令的二进制代码，指令格式如下：助记符机器指令码说明IN1010 1000IN -> R0ADD0000 0000R0 + R0 -> R0OUT1010 1100R0 -> OUTHALT1111 1111停机实验中机器指令码由开关区的拨动开关手动给出，其它控制信号由uM单元自动

47、产生，为此实验设计的通路图如下：数据通路图几条机器指令对应的参考微程序流程图如下图所示。图中一个矩形方框表示一条微指令，方框中的内容为该指令执行的微操作，右上角的数字是该条指令的微地址，右下角的数字是该条指令的后续微地址，所有微地址均用16进制表示。向下的箭头指出了下一条要执行的指令。取指后译码，根据条件使微程序产生分支。微程序流程图将全部微程序按微指令格式变成二进制微代码：地址HEX高八位A字段21，19-12位CN_IS3-S0uM_PC7.uM_PC0006F0ED0016F000 111011010000001083B0AF0093B000 101011110000009095D0AF

48、00A5D000 10101111000000A0A7E4AF8007E010 101011110100000147F49C0007F010 100111000000000167D09A0007D000 1001101000000003F7F0AF03F7F000 10101111000003F二进制微代码表三、实验结果及分析四、思考题试解释控制存储器号单元中微指令的功能（微指令中有效控制信号的功能）。微程序存放的入口地址若将你学号的后两位当成十六进制数，并将其作为机器指令代码，则根据本系统的译码规则得到的微地址是什么？学号后两位为43，第6-4位为100，所以微地址为0CH实验六 CPU与简

49、单模型机设计实验一、实验目的(1) 了解并掌握一个基础的CPU的组成原理(2) 在前几章介绍的各单元电路的基础上，构造一个简单模型计算机(3) 给简单模型机设计4条机器指令，并编写每条机器指令的微指令，上机调试，掌握整机概念。二、实验内容本节要实现一个简单的CPU，它包含运算器（ALU）、通用寄存器（R0）、程序计数器（PC）、地址寄存器（MAR）、指令寄存器（IR）、微程序控制器（uM）等部件，如下图：简单CPU原理图在这个CPU的微程序存贮器（uM）中写入微指令，就可以执行机器指令了。在此CPU的基础上，配置存贮器（用于存放机器指令）、基本的输入输出设备，就可以构建一个简单模型计算机。本实

50、验在第三章微程序控制器实验的基础上，加上程序计数器（PC）、地址寄存器（MAR）、存贮器MEM。PC由带预置功能的计数器（二片74HC161）、输出到地址总线三态门、输出到内部数据总线iDBus的三态门、PC显示电路组成。按下CON单元的nRst键，可以复位PC；wPC低电平，在T3的下降沿将iDBus上数据写到PC中；PC+1信号高电平，在T3的下降沿，PC+1->PC；rPC有效，在T1、T2时刻，PC数据输出到iDBus上；nPCOE有效，PC数据输出到地址总线上。程序计数器(PC)原理图地址寄存器(MAR)原理图本实验安排了四条机器指令，分别为ADD（0000 0000）、IN（

51、1010 1000）、OUT（1010 1100）和JMP（1110 0111），括号中为各指令的二进制代码，指令格式如下：助记符机器指令码说明IN1010 1000IN -> R0ADD0000 0000R0 + R0 -> R0OUT1010 1100R0 -> OUTJMP addr81110 0111 *addr8->PC无条件跳转指令JMP是双字节指令，11100111是指令码，*是8位二进制地址码。微程序控制器实验的指令是通过开关区的拨动开关手动给出的，本实验由CPU通过PC单元提供8位地址、控制总线单元CBus提供存贮器读写信号nM_RD、nM_WR，从存

52、贮器MEM单元读取指令并运行。新的数据通路图如下：数据通路图在数据通路图中可以看出，在微程序控制器实验的基础上增加了三个部件：MAR、PC、MEM。在微指令中需要增加相应的控制位。微指令字长共 32位，控制位顺序如下表：微指令格式位3130292827262524232221信号名iEndwAwBwIRSP_nOErRDirRirALUA字段wPSW位20191817161514131211-8信号名CN_IrPCPC+1nMAROEnPCOEnINTAnWRnRDM_nIOS3.S0位7-0信号名uM_PC7.uM_PC0A字段2322选择00NOP01wRi10wPC11wMAR其中uM_PC7.uM_PC0为8位后续微地址，A为译码字段，由二个控制位译码出多位。wA：写暂存器A。wA低电平，在T1的下降沿，将iDBus上数据写到暂存器A。wB：写暂存器B。wB低电平，在T2的下降沿，将iDBus上数据写到暂存器B。wIR