计算机组成原理XP实验系统

1、计算机组成原理计算机组成原理 TEC-XP机机 实验系统简介实验系统简介TEC-XP实验机实验机 由清华大学专门为大学本科计算机教学实验而研制的由清华大学专门为大学本科计算机教学实验而研制的1616位位计算机计算机; ; TEC-XPTEC-XP机里面配置了小巧的机里面配置了小巧的 “ “运算器、控制器、存储器、运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备输入设备、输出设备”等计算机完整要素等计算机完整要素 。 TEC-XPTEC-XP机是一台软、硬件相对完整、配置小巧合理的完整机是一台软、硬件相对完整、配置小巧合理的完整计算机系统。用计算机系统。用“麻雀虽小，肝胆俱全麻雀虽小，肝胆俱全”这句话

2、描述很切这句话描述很切合实际合实际 。 通过学习，使学生能通过对一台具体的、完整的计算机的通过学习，使学生能通过对一台具体的、完整的计算机的深入学习，掌握计算机中核心部件深入学习，掌握计算机中核心部件“运算器、控制器、存运算器、控制器、存储器、外设储器、外设”的硬件组成、功能、控制方法及工作原理，的硬件组成、功能、控制方法及工作原理，了解计算机中了解计算机中“程序、数据的表示方法、运算方法程序、数据的表示方法、运算方法” ” ，以及指令流、数据流在计算机各部件中的流动、工作情况以及指令流、数据流在计算机各部件中的流动、工作情况。 TEC-XPTEC-XP实验系统的基本组成实验系统的基本组成 硬

3、件：硬件： 由总线将由总线将“运算器、控制器、存储器、运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备输入设备、输出设备 ” ”五大设备连接组成五大设备连接组成组成。组成。 软件：软件： 监控程序、通讯程序、交叉汇编程序等。监控程序、通讯程序、交叉汇编程序等。TEC-XP机的硬件组成机的硬件组成 TEC-XPTEC-XP机的基本系统做在了机的基本系统做在了2 2块印刷电路板上。全部块印刷电路板上。全部线路芯片均以芯片插座与线路板连接；逻辑线路按线路芯片均以芯片插座与线路板连接；逻辑线路按功能部件划分在印制板的不同区域；主板上安装有功能部件划分在印制板的不同区域；主板上安装有一定数量的开关、按键与指示

4、灯；线路板上布有适一定数量的开关、按键与指示灯；线路板上布有适当的量测孔，一定数量的跳线夹，用以人为设置机当的量测孔，一定数量的跳线夹，用以人为设置机器故障或变更设计。器故障或变更设计。 机器字长机器字长1616位位, , 即运算器、主存、数据总线、地址即运算器、主存、数据总线、地址总线都是总线都是1616位。位。 系统配置了两个不同实现方案的系统配置了两个不同实现方案的CPUCPU系统，一个系统，一个CPUCPU沿袭传统的设计思路，由中小规模的器件组成；另沿袭传统的设计思路，由中小规模的器件组成；另一个一个CPUCPU用大规模的用大规模的FPGAFPGA器件设计实现。器件设计实现。TPC-X

5、P实验系统硬件系统组成示意图实验系统硬件系统组成示意图整个系统组成：整个系统组成： 运算器：运算器：1616位，由位，由4 4片片4 4位的位的AM2901AM2901芯片级芯片级连构成，片间用串行进位方式传递进位信连构成，片间用串行进位方式传递进位信号。号。ALUALU实现实现8 8种算术与逻辑运算功能。种算术与逻辑运算功能。 内部包括内部包括1616个双端口读出、单端口写个双端口读出、单端口写入的通用寄存器（入的通用寄存器（1616位）位）, , 和一个能自行和一个能自行移位的乘商寄存器。移位的乘商寄存器。 设置设置C C（进位）、（进位）、Z Z（结果为（结果为0 0）、）、V V（溢出

6、）和（溢出）和S S（符号位）四个状态标志位。（符号位）四个状态标志位。 控制器：控制器： 控制器采用微程序和硬布线两种控制方案控制器采用微程序和硬布线两种控制方案实现，可由实验者自由选择。实现，可由实验者自由选择。 指令系统支持多种基本寻址方式。其中一指令系统支持多种基本寻址方式。其中一部分指令已实现，用于设计监控程序和用部分指令已实现，用于设计监控程序和用户的常规汇编程序，尚保留多条指令供实户的常规汇编程序，尚保留多条指令供实验者自己实现。验者自己实现。 实验人员可方便地修改已有设计，或加进实验人员可方便地修改已有设计，或加进若干条自己设计与实现的新指令，新老指若干条自己设计与实现的新指令

7、，新老指令同时运行。令同时运行。TEC-XPTEC-XP机的硬件组成机的硬件组成 存储器：存储器：10KW10KW容量，由容量，由RAMRAM和和ROMROM构成。构成。 ROMROM：8KW8KW容量，由容量，由4 4片片58C65(28C6458C65(28C64）芯片组成，用）芯片组成，用于存放系统监控程序。地址于存放系统监控程序。地址0-1FFFFH0-1FFFFH之间。之间。 RAMRAM：2KW2KW容量，由容量，由2 2片片61166116芯片组成，用于存放用芯片组成，用于存放用户程序和数据。地址户程序和数据。地址2000H-3FFFH2000H-3FFFH之间。之间。 ROMR

8、OM、 RAM RAM均可以进行均可以进行8 8位或位或1616位操作。位操作。 还配置了另外还配置了另外2 2片存储器芯片的器件插座，可以方片存储器芯片的器件插座，可以方便地完成对便地完成对1616位字长的内存储器的容量扩展实验。位字长的内存储器的容量扩展实验。 对对ROMROM存储区可以选用紫外线擦除（存储区可以选用紫外线擦除（2727系列）或电系列）或电擦除（擦除（2828系列）的存储器芯片实现。系列）的存储器芯片实现。 总线：总线：由由1616位地址线和位地址线和1616位数据线及其它位数据线及其它控制信号、状态信号构成。控制信号、状态信号构成。 输入设备：输入设备：TEC-XPTEC

9、-XP机安装有约机安装有约2626个扭子开个扭子开关，关，3 3个按钮微动开关。完成程序、数据的个按钮微动开关。完成程序、数据的二进制输入及功能选择。二进制输入及功能选择。 输出设备：输出设备： 由由1616个发光二极管组成。每个发光二极管组成。每个发光管都用八选一（由个发光管都用八选一（由S2S2、S1S1、S0S0选择）选择）的的74LS15174LS151器件驱动，可选择显示有关内容。器件驱动，可选择显示有关内容。当输入信号为当输入信号为“1”1”时灯亮，为时灯亮，为“0”0”时灯时灯灭。灭。 （7 7）实验机主板上预留了一个）实验机主板上预留了一个4040芯的器件芯的器件插座插座, ,

10、 并给出了扩展操作可能用到的地址、并给出了扩展操作可能用到的地址、数据及控制信号的连接插孔。数据及控制信号的连接插孔。 同时还提供了完成中断教学实验所需要的同时还提供了完成中断教学实验所需要的全部支持全部支持（8 8）TEC-XPTEC-XP教学机串行接口教学机串行接口 TEC-XPTEC-XP教学机配置了两路串行接口教学机配置了两路串行接口COM1COM1口口和和COM2COM2口。这两个串口各自使用口。这两个串口各自使用1 1片串行接片串行接口芯片口芯片Intel 8251Intel 8251，共用，共用1 1片实现电平转换片实现电平转换的的MAX202MAX202芯片，各自通过一个芯片，

11、各自通过一个D D型型9 9芯的接芯的接插头与终端或插头与终端或PCPC机的串口相连。机的串口相连。 COM1COM1口是系统默认的串行口。通过口是系统默认的串行口。通过COM1COM1口口可实现实验机与可实现实验机与PCPC机仿真终端直接通讯。机仿真终端直接通讯。 COM2COM2口是留给用户扩展串行接口实验时使口是留给用户扩展串行接口实验时使用的。用的。设置设置COM1COM1口进行通讯的目的口进行通讯的目的 因为因为TEC-XPTEC-XP机输入输出设备是开关和发光管，机输入输出设备是开关和发光管，只能输入及显示二进制程序和数据，故通过只能输入及显示二进制程序和数据，故通过TEC-XPT

12、EC-XP串口与微机相连，充分利用微机强大串口与微机相连，充分利用微机强大的配置（主要是外设），完成实验用程序和的配置（主要是外设），完成实验用程序和数据的输入，再通过在微机上运行通讯软件，数据的输入，再通过在微机上运行通讯软件，将程序和数据通过串口传入将程序和数据通过串口传入TEC-XPTEC-XP机，以方机，以方便用户程序和数据的录入便用户程序和数据的录入。TEC-XPTEC-XP机运行状态控制开关机运行状态控制开关 在在TEC-XPTEC-XP实验系统左下方有五个黑色的开关实验系统左下方有五个黑色的开关K0K0、K1K1 、K2K2 、K3K3 、K4K4，用于设置机器运行状态控制。，用

13、于设置机器运行状态控制。 控制开关的功能在开关上、下方有标识；开关拨向上方表控制开关的功能在开关上、下方有标识；开关拨向上方表示示“1 1”，拨向下方表示，拨向下方表示“0 0”，“X X”表示任意。表示任意。 K0K0：设置单步运行、连续运行。：设置单步运行、连续运行。 K1K1：设置内存读指令、手动置指令。：设置内存读指令、手动置指令。 K2K2：设置组合逻辑控制、微程序控制。：设置组合逻辑控制、微程序控制。 K3K3：设置联机、脱机实验。：设置联机、脱机实验。 K4K4：设置：设置1616位、位、8 8位机实验。位机实验。控制开关开关介绍控制开关开关介绍 五个黑色控制开关的功能示意图如下

14、：五个黑色控制开关的功能示意图如下： （开关拨到上方表示为（开关拨到上方表示为1 1，拨到下方为，拨到下方为0 0；）；） 功能开关功能开关 K0 K1 K2 K3 K4K0 K1 K2 K3 K4 上面上面 单步单步 手动置指令手动置指令 组合逻辑组合逻辑 联机联机 8 8位位 下面下面 连续连续 从内存读指令从内存读指令 微程序微程序 脱机脱机 16 16位位常用的工作方式常用的工作方式（开关拨到上方表示为开关拨到上方表示为1 1，拨到下方为，拨到下方为0 0；）工作方式工作方式5 5个拨动开个拨动开关关连续连续运行、运行、组合逻辑控制器、联机、组合逻辑控制器、联机、1616位机位机001

15、1000110连续连续运行、运行、微程序控制器、联机、微程序控制器、联机、1616位机位机0001000010单步、手动置指令、组合逻辑控制器、联机、单步、手动置指令、组合逻辑控制器、联机、1616位机位机1111011110单步、手动置指令、微程序控制器、联机、单步、手动置指令、微程序控制器、联机、1616位机位机11010110101616位机、脱机运算器实验位机、脱机运算器实验1XX001XX00 TEC-XP TEC-XP机的软件组成机的软件组成 TEC-XPTEC-XP机的指令系统由基本指令和扩展指令组成，机的指令系统由基本指令和扩展指令组成，其中其中5353条指令已经采用微程序实现

16、，存放在条指令已经采用微程序实现，存放在2 2片片8 8位的控存位的控存ROMROM中，中，TEC-XPTEC-XP机的监控程序就由这些基机的监控程序就由这些基本指令编写，尚留部分扩展指令供实验者自己实本指令编写，尚留部分扩展指令供实验者自己实现。现。 所有微程序固化在所有微程序固化在TEC-XPTEC-XP机中控制存储器中。控机中控制存储器中。控存字长存字长4848位，由位，由6 6片片74LS611674LS6116芯片芯片RAMRAM组成，组成，TEC-TEC-XPXP机指令的执行是通过运行存放在控存中其对应机指令的执行是通过运行存放在控存中其对应的微程序实现的。的微程序实现的。 TEC

17、-XPTEC-XP机软件系统主要有：机软件系统主要有： 监控程序监控程序MonitorMonitor 共共20482048个字，固化在主存个字，固化在主存0000H0A2FH0000H0A2FH共共2K2K字的主存字的主存ROMROM中。新增加部分被固化在主存中。新增加部分被固化在主存0A30H1FFFH0A30H1FFFH共共2K2K字的主存字的主存ROMROM中。中。 完成功能：完成功能： 控制微机终端（键盘、显示器）与控制微机终端（键盘、显示器）与TEC-2TEC-2机机连接运行；连接运行； 接收并执行接收并执行TEC-XPTEC-XP机操作命令；机操作命令； 接收并汇编接收并汇编TEC

18、-XPTEC-XP机的单条汇编命令；机的单条汇编命令； 提供提供TEC-XPTEC-XP机汇编语言的可用子程序。机汇编语言的可用子程序。 交叉汇编程序交叉汇编程序ASECASEC 交叉汇编程序交叉汇编程序ASECASEC存放在存放在微机微机上，并且运行在上，并且运行在PCPC机上。机上。ASECASEC程序用程序用IBM/PCIBM/PC机的指令系统专门为机的指令系统专门为TEC-XPTEC-XP机设计，它机设计，它是一个符号汇编程序，能对用是一个符号汇编程序，能对用TEC-XPTEC-XP所定义的所定义的5353条指令编条指令编写的写的TEC-XPTEC-XP机源汇编程序进行汇编，得到一个在

19、机源汇编程序进行汇编，得到一个在TEC-XPTEC-XP机机上的可执行程序。上的可执行程序。 具体实现方法是：具体实现方法是： 在微机在微机PCPC机上用编辑软件机上用编辑软件EDITEDIT录入录入TEC-XPTEC-XP机汇编源程序到机汇编源程序到PCPC机磁盘上，然后用交叉汇编程序机磁盘上，然后用交叉汇编程序ASECASEC对此源程序进行汇对此源程序进行汇编翻译成在编翻译成在TEC-XPTEC-XP机上可运行的二进制可执行程序程序，机上可运行的二进制可执行程序程序，通过通过串口串口V70V70将微机与将微机与TEC-XPTEC-XP机连接，在机连接，在PCPC机上运行机上运行“TEC-X

20、PTEC-XP机与机与PCPC机通讯程序机通讯程序PCEC”PCEC”，将此可执行程序传入，将此可执行程序传入TEC-XPTEC-XP机内存中，从而实现，机内存中，从而实现，在在PCPC机上录入，在机上录入，在TEC-XPTEC-XP机机上执行上执行，以方便用户的实验操作。，以方便用户的实验操作。 TEC-XP TEC-XP机与机与IBM-PCIBM-PC机通讯程机通讯程序序PCEC16PCEC16 PCEC16PCEC16通讯程序通讯程序用用PCPC机汇编语言编写，由两部分机汇编语言编写，由两部分组成，一部分在组成，一部分在TEC-XPTEC-XP机监控程序中，另一部分机监控程序中，另一部分

21、在在PCPC机磁盘上。机磁盘上。 PCEC16PCEC16程序功能：程序功能： 实现实现PCPC机与机与TEC-XPTEC-XP机间文件传输；即可以把机间文件传输；即可以把PCPC机上程序、数据通过机上程序、数据通过PCECPCEC传入传入TEC-XPTEC-XP机，还可以机，还可以将将TEC-XPTEC-XP机上程序、数据传到机上程序、数据传到PCPC机进行显示处理。机进行显示处理。 将将PCPC机作为机作为TEC-XPTEC-XP机终端完成程序、数据的输机终端完成程序、数据的输入及显示。入及显示。 TEC-XP机硬件系统组成机硬件系统组成 （ 1 1）TEC-XPTEC-XP机的运算器部件

22、机的运算器部件 主要由主要由4 4片片AM2901AM2901和和1 1片片29022902组成，除外还组成，除外还有两片有两片Gal20V8Gal20V8，分别构成状态寄存器和移，分别构成状态寄存器和移位寄存器，运算器的输出，既可通过地址位寄存器，运算器的输出，既可通过地址寄存器寄存器ARAR加到加到地址总线地址总线上，也可以通过三上，也可以通过三态控制门送到态控制门送到内部数据总线内部数据总线上。上。 运算器内除算术逻辑运算器之外，还包括运算器内除算术逻辑运算器之外，还包括1616个工作寄存器（以个工作寄存器（以R0R0R15R15标记），其中标记），其中R0R0R3R3，R8R8R15R

23、15为一般工作寄存器，用于存放临为一般工作寄存器，用于存放临时数据或地址，时数据或地址，R4R4用作堆栈指针寄存器用作堆栈指针寄存器SPSP，R5R5为程序计数器为程序计数器PCPC，用于记录下一条待执行，用于记录下一条待执行指令的地址，指令的地址，R6R6用作当前指令指针寄存器用作当前指令指针寄存器IPIP，R7R7为单步操作专用寄存器。为单步操作专用寄存器。（2 2）TEC-XPTEC-XP机的控制器部件机的控制器部件 控制器的基本功能是将待执行的指令码由控制器的基本功能是将待执行的指令码由主存储器取至指令寄存器，并完成相应指主存储器取至指令寄存器，并完成相应指令的执行。令的执行。 控制部

24、件由指令寄存器、地址映射器、微控制部件由指令寄存器、地址映射器、微程序定序器、控制存储器、微指令寄存器程序定序器、控制存储器、微指令寄存器和指令写入寄存器等组成。和指令写入寄存器等组成。 控制器的主要部件有：控制器的主要部件有： 微程序控制存储器微程序控制存储器 由由2 2片片58C6558C65芯片（记作芯片（记作CM1CM1、CM0CM0）和）和MACHMACH器件内部器件内部的一些电路组成。用于存放的一些电路组成。用于存放4848位字长微指令构成的位字长微指令构成的微程序。微程序。用于存放用于存放TEC-XPTEC-XP机机4848位字长微指令构成的位字长微指令构成的的微程序的微程序。

25、4848位字长微指令由位字长微指令由1616位的下地址字段位的下地址字段（来自（来自 CM1 CM1、CM0 CM0 ）和）和3232位的微命令字段位的微命令字段（来自（来自MACH MACH ）组成。）组成。 需要注意的是需要注意的是，TEC-XPTEC-XP机微控制存储器的字长是机微控制存储器的字长是4848位，只使用位，只使用8 8位地址寻址。位地址寻址。 微指令寄存器微指令寄存器 微指令寄存器由微指令寄存器由1 1片片8 8位的寄存器芯片位的寄存器芯片7474 LS374LS374和和1 1片片74LS27374LS273及及MACHMACH（3232位）组成。位）组成。 用以存放当前

26、微指令的内容（用以存放当前微指令的内容（4848位）。位）。 微指令寄存器的输出直接用于驱动相应的微指令寄存器的输出直接用于驱动相应的硬件电路。硬件电路。 微程序定序器微程序定序器 微程序定序器微程序定序器AM2910AM2910芯片是控制器的核心，芯片是控制器的核心，其功能是其功能是依据机器的运行状态与当前微指依据机器的运行状态与当前微指令的有关内容等令的有关内容等，正确形成下一条微指令，正确形成下一条微指令的地址，以保证微程序按要求，自动地逐的地址，以保证微程序按要求，自动地逐条衔接执行。条衔接执行。 微程序定序器微程序定序器AM2910AM2910的组成与工作原理是的组成与工作原理是TE

27、C-XPTEC-XP机的重要内容，也是难点内容。在机的重要内容，也是难点内容。在本教材后面控制器中要详细讲解。本教材后面控制器中要详细讲解。程序计数器程序计数器PCPC和当前指令地址寄存和当前指令地址寄存器器IPIP、指令寄存器、指令寄存器IRIR 控制器还包括一个程序计数器控制器还包括一个程序计数器PCPC和当前指令地址寄和当前指令地址寄存器存器IPIP，在，在TEC-XPTEC-XP机中它们是用运算器中通用寄存机中它们是用运算器中通用寄存器组里的器组里的R5R5、R6R6代替的，只需通过运算器中的代替的，只需通过运算器中的A A地址地址和和B B地址端口予以正确指定即可。地址端口予以正确指

28、定即可。 指令寄存器指令寄存器IRIR：用于存放当前正执行的指令内容，用于存放当前正执行的指令内容，它是由主存储器取出经外部数据线它是由主存储器取出经外部数据线DBDB和内部数据线和内部数据线IBIB传送来的机器指令码（传送来的机器指令码（1616位）。位）。总线部分总线部分 两组总线，即地址总线两组总线，即地址总线ABAB和数据总线（和数据总线（IBIB、DBDB），），其宽度均为其宽度均为1616位。位。 地址总线地址总线：其输入信号均由：其输入信号均由地址寄存器发出地址寄存器发出，地址，地址寄存器只能接收来自运算器的运算结果信号。地址寄存器只能接收来自运算器的运算结果信号。地址总线的输出

29、可送往：总线的输出可送往：主存储器；主存储器；各外设的各外设的I/OI/O接口，如串行接口、并行接口等；接口，如串行接口、并行接口等；微程序控制存储器，供用户通过微程序控制存储器，供用户通过LDMCLDMC指令向微程序指令向微程序控制存储器装入用户自己设计的微指令。控制存储器装入用户自己设计的微指令。供驱动点燃发光二极管器件，以便于用户随时查看供驱动点燃发光二极管器件，以便于用户随时查看地址总线地址总线的当前内容。的当前内容。 数据总线（数据总线（IBIB、DBDB） 分为分为内部内部数据总线数据总线IBIB（在（在CPUCPU一方）与一方）与外部外部数数据总线据总线DBDB（在主存与外设接口一方），它们之（在主存与外设接口一方），它们之间通过间通过2 2片片8 8位的双向三态驱动器位的双向三态驱动器74LS24574LS245连接。连接。三态门上有两个控制