TEC计算机组成实验系统

1、中国地质大学计算机组成原理实验报告姓名：刘欣凯班级：192102-21学院：计算机学院学号：20101003356日期：2011年12月指导老师：刘 超课程设计组成一：实验介绍及原理；二：实容验内及实验报告；三：心得体会；实验内容：1:数据通路组成实验；2:常规型微程序控制组成实验；3: CPU组成与机器指令执行实验;4:中断原理实验实验报告组成：1:实验目的；2:实验设备；3:实验电路；4:实验任务；5:实验数据；一、实验介绍及原理一：TEC-4计算机组成实验系统简介TEC-4计算机组成实验系统由清华同方教学仪器设备公司研制。它是一个典型的计算机模型实验仪器，可用于将大专、本科、硕士研究生计

2、算机组成原理课 程、计算机系统结构课程的教学实验。该仪器将提高学生的动手能力就，提高学 生对计算机整体和各组成部分的理解，提高学生对计算机系统的综合设计能力。二：TEC-4计算机组成实验系统的组成.控制台.数据通路.控制器.用户自选器件实验区.时序电路.电源部分三：时序发生器时序发生器器产生计算机模型的时序。 TEC-4计算机组成原理实验的时 序电路如图一，电路采用2片GAL22V10 (U6,U7)，可产生两级等间隔时序新号 T1-T4和W1-W4。其中一个W由一轮T1-T4循环组成，相当于一个微指令周期； 而一轮W1-W4循环可供硬连线控制器执行一条机器指令。CLR#为复位新号，低有效。试

3、验仪处于任何状态下令CLR#=0,都会使时序发生器和微程序控制器复位；CLR#=0时，则可以正常运行。TJ是停机新号，是控制器的输出新号之一。连续运行时，如果控制信号停 机=1,会使机器停机，停止发送时序脉冲，从而暂停程序。QD是启动信号，是运 行程序的标志。DP, DZ, DB是来自控制台的开关信号。DP表示单拍，当DP=1 时，每次只执行一条微指令；DZ表示单指，当DZ=1时，每次只执行一条机器 指令；当DP, DB, DZ都为0时，机器连续运行TIMERI耻2加0TIIER2加？加024 cm/23 cmiimz22INTE3wcvocINIDINIDIM10IN10INIDINIDIN

4、10TH10INIDINID加IK图一四：数据通路TEC-4计算机组成原理实验的数据通路的设计采用了数据总线和指令 总线双总线形式，使得流水实验能够实现。它还使用了大规模在系统可编程器件 作为运算器和寄存器堆，使得设计简单明了，可修改性强。数据通路位于实验系 统的中部。如图二 其包括如下主要部件：运算器ALU它有一片ispLSI 1024 (U47)组成，在选择端 S2, S1, S0 控制下，对数据A和B加、减、与、直通、乘五种运算。DR1和DR2运算操作数寄存器；多端口通用寄存器堆RF暂存寄存器ER程序计数器P C、地址加法器A LU2 :地址缓存器R 4 ;等等JkR KINS3W_6U

5、5 f控制信号tkAUI I A1_J加F41IAP DBUSfrDP4(T?)ffl胭 fri . no RD1.孙 RSL砰 ILDIRW我口将树河而CELN刑1不控制器C. INTO五：控制器控制器位于本实验系统的中上部，产生数据通路操作所需的控制信号。如 图三彳下q-介SWCTiaS#uDO一血，JUKFJ1六：控制台控制台位于TEC-4计算机组成原理实验系统的下部，主要由指示灯和若干拨动开关组成，用于给数据通路设置数、设置控制信号、显示各种数据使用二、实验内容及实验报告实验一：常规型微程序控制器组成实验一、实验目的：.掌握时序产生器的组成原理。.掌握微程序控制器的组成原理。.掌握伪指

6、令格式的化简和归并。二、实验设备：.TEC-4计算机组成原理实验仪一台.双踪示波器一台.直流万用表一只.逻辑测试笔一支三、实验电路：1 :微指令格式与微程序控制器电路根据给定的1 2条机器指令功能和数据通路总体图的控制信号，采用的XV It!， IHVCI 。上1 Ii 5.”乂KtaJ ns-MIMVr ttwsa iz 壮睛二M SH 廿 fw!5ff Iu-WKIJTx 05 力 ftl5IU U 5 C Z Z 3士-图四微指令字长共3 5位，其中顺序控制部分10位，后续微地址6位，判别字段2 5位，各位进行直接控制。微指令格式中，信号名带有后缀的信号为低有效，不带有后缀“#的信号为高

7、有效信号。对应微指令格式，微程序控制器的组成见图六，控制器采用5片E E P R O M28c 64 (U8, U9, U10, Ull, U12)。微地址寄存器 6 位，用一片6 D触发器7 4 H C 1 7 4 (U 1 )组成，带有清零端。两级与门、或门 构成微地址转移逻辑，用于产生下一微指令的地址。在每个T 1上升沿时刻，新 的微指令地址会打入微地址寄存器中，控制存储器随既输出相应的微命一码。，六盾 I -皆 II喈 LI周;sll In mJ rrw2 3 三 MCM428C64 受 W wwCM3 28C44 受Z = UH/二 u o 二 4 a n nCW28cM工艺二 n三

8、二a adq 0nCMl28C64n1CMO 2X64 * V V T V至冬五2、机器指令与微指令本实验仪使用1 2条机器指令，均为单字长(8位)指令。指令功能及格式 如表四所示。指令的高4位提供给微程序控制器，低4位提供给数据通路。上诉12条指令的微程序流程设计如图七，每条微指令可按前述的微指令格式转换成二进制代码，然后写入 5个28C64中为了写入的正确，还设计了一下五个控制台操作数程序：存储器写操作（KWE）:按下复位按钮CLR#后，微地址寄存器状态为全零。此时置SWC=0, SWB=1, SWA=0,按启动按钮后微指令地址转入 27H,从而可 对RAM连续进行手动写入。存储器读操作（

9、KRD）：按下CLR#后，置SWC=0, SWB=0 , SWA=1,可 对RAM连续进行读操作。启动程序（PR）:按下CLR#后，置SWC=0, SWB=0, SWA=0,用数据开关SW7-SW0设置内存中程序的首地址，可以执行“取指”微命令。名称助记符功能指令格式R7 R6 R5 R4R3 R2R1 R0加法ADD Rd,RsRd+Rs - Rd0 0 0 0RS1 RS0RD1 RD0减法SUB Rd , RsRd-Rs - Rd0 0 0 1RS1 RS0RD1 RD0乘法MUL Rd , RsRd*Rs fRd0 0 10RS1 RS0RD1 RD0逻辑与AND Rd , RsRd&

10、Rs一Rd0 0 11RS1 RS0RD1 RD0存数STA Rd, RsRd 一 Rs0 10 0RS1 RS0RD1 RD0取数LDA Rd , RsRs 一 Rd0 10 1RS1 RS0RD1 RD0无条件转移JMP RsRs 一 PC10 0 0RS1 RS0X X条件转移JC D若C=1则PC+D -PC10 0 1D3 D2D1 D0停机STP暂停运行0 110X XX X中断返回IRET返回断点10 10X XX X开中断INTS允许中断10 11X XX X关中断INTC禁止中断110 0X XX X表写寄存器操作（KLD）:按下CLR#后，置SWC=0, SWB=1 , S

11、WA=1,可对寄存器堆中的寄存器连续进行写操作。读寄存器操作（KRR）:按下CLR#后，置 SWC=1, SWB=0 , SWA=0,可 对寄存器堆中的寄存器连续进行读操作。0000： ADDKT-00001:KRD17SW_BUS#LDAR1T 3F CEL#LRW=1TJI 3EAR1_INC0001: SUB011:KLD010:KWE27SW_BUS ceL# LRW=0#3c3DAR1_INC TJ 0010: MULSW_BUS LDAR1 M3=1 LDAR2TJ#33 33SW_BUS ceL# LRW=0#WRD TJSW_BUS# LDAR1TJBUS# LDER rQ-1

12、产-CER- LDIRTJ310011: AND0101: LDA100:KRR47SW_BUS#LDAR1 M3=1 LDAR2TJ -446SW_BUS# ceL# LRW=00100: STACER LDIR44RSBUS#TJ451000: JMP|H012J3 .15T14| 18M1=0M1=0M1=0M1=0RS BUS#M2=0RS BUS#LDDR1LDDR1LDDR1LDDR1LDAR1LDDR2M4=1M2=0M2=0M2=0M2=0RS_BUSLDR4LDDR2LDDR2LDDR2LDDR2LDAR1LDPC| 3B| 3A39383635OFALU=A+BALU=A-

13、EALU=A*BALU=A&3CEL#ALU=A/JALU_BUSALU_BUSALU_BU；ALU_BUSLRW=1ALU_BUSLDERLDERLDERLDER1 LDERCEL#LRW=0vi丁1I OFWD 34WRD章zOF图12微程序流程图000:PR- 07SW_BUSM4=1LDR4LDPCQE1 05 M3=0 LDAR2 CER LDIR PC-INC1010: IRET0110: STP1001: JCM4=0LDR4 PC_ADD LDPCINT0F1011:1100:INTS INTC1A-IAR_BUS# M4=1 LDR4 LDPCOF图六四.实验任务:1.按照实

14、验要求，链接试验台的数码开关K0-K15、控制开关、按钮开关、时钟信号源和微程序控制器2.熟悉微指令格式的定义，按此定义将控制台指令微程序的8跳微指令按十 六进制编码，列于下表（表五）制台指令的功能由 SWC, SWB, SWA三个二进 制开关的状态来指定（KRD=001B, KWE=010B, PR=010B）。微指令地址微指令编码微指令地址微指令编码00H005C000073CH405C8003D07H005C0020717H00544003F27H40044003D3FH409C4003E3DH0014003c3EH005C8003F表二单拍（DP）方式执行控制台微程序，读出上述八条微指

15、令，用 P字段和微 地址指示灯跟踪微指令执行情况，并与上表数据对照。五、实验数据：按以上实验步骤得到实验数据如下表（表三）微指令地址微指令编码读出的微指令编码00H005C00007005C0000707H005C00207005C0020727H40044003D40044003D3DH0014003C0014003C3CH405C8003D405C8003D17H00544003F00544003F3FH409C4003E409C4003E3EH005C8003F005C8003F实验二：CPU组成与机器指令执行实验一、 实验目的：.将微程序控制器执行部件（整个数据通路）联机，组成一台模型

16、计算机;.用微程序控制器控制模型机数据通路；.通过CPU运行九条机器指令（排除有关中断的指令）组成的简单程序, 掌握机器指令与微指令的关系，牢固建立计算机的整机型概念。、实验设备:.TEC-4计算机组成原理实验仪一台.双踪示波器一台.直流万用表一只.逻辑测试笔一支三、实验电路：本次实验用到前面实验中的所有电路，包括运算器、存储器、通用寄存器堆、 程序计数器、指令寄存器、微程序控制器等，将几个模块组合成为一台简单计算 机。开关控制控制台开关控制时序信 指示灯信时序发生踞时序信号微程序控制痣.数据通路在本次实验中，数据通路的控制将有微程序控制器来完成。 CPU从内存取 出一条机器指令到执行指令结束

17、的一个机器指令周期，是有微指令组成的序列来 完成的，即一条指令对应一个微程序，其框图如图七指令代码，条件信号图七四、实验任务：1.对机器指令系统组成的简单程序进行译码。将下表的程序按指令格式手 工汇编成十六进制机器代码。表四地址指令机器代码00HLDA R0,R20101100001HLDA R1,R30101110102HADD R0,R10000010003HJC +51001010104HAND R2,R30011111005HSUB R3,R20001101106HSTA R3,R20100101107HMUL R0,R10010010008HSTP0110XXXX09HJMP R11

18、00001XX表四2、按照图六框图，参考前面实验的电路图完成连线。a.将跳线开关J1用短路子短接。时序发生器的输入 TJI接控制存储器的输出TJ。控制器的输入C接运算器ALU的C。控制器的输入IR7、IR6、IR5、IR4依 次指令寄存器IR的输出IR7、IR6、IR5、IR4。共6条线。b.控制器的输出 LDIR (CER、LDPC(LDR4) PC_ADD PC_INC M4 LDIAR LDAR1(LDAR2) AR1_INC M3 LDER IAR_BUS# SW_BUS#RS_BUS# ALU_BUS CEL# LRW WRD LDDR1(LDDR2) M1 (M2、S2、S1、S0

19、 依次与数据通路的对 应信号连接。共27条线。控制存储器壮 gu 配- QQ。ARr-KL; o LEAK号口 a o- KceLnr 2s nT tt-aj 9 io ?OS 9 G Q mo 9 s 9 iaaj- 9 CIM Q M0C3 9 3UJUp mR1LMR2o SOo SIo彩二需】o GDH FDM2) o *3 o LRW G CEL# .O A_ um c RSEL而耗 o SW2露c.指令寄存器IR的输出IR0接双端口寄存器堆的 RD0 WR0 IR1接RD1 WR1 IR2接RSQ IR3接RSI共6条线。IFc?on,c!1IFj(12ITiSORJ51合上电源。

20、按CLR松钮，使实验系统处于初始状态。3、将表四中的程序机器代码用控制台操作存入内存中，并根据程序的需要，用数码开关SW7-SW0设置通用寄存器R2、R3及其内存相关单元的数据。（注:由于设置通用寄存器时会破坏内存单元的数据，因此应先设置寄存器的数据，再设置内存数据。）4、.用单拍（DP）方式执行一遍程序，列表记录通用寄存器堆 RF中四个寄 存器的数据，以及由STA指令存入RAM中的数据（程序结束后从RAM的相应 单元中读出），与理论值作对比。执行时注意观察微地址指示灯、IR/DBUS指示 灯、AR2/AR1指示灯、微地址指示灯和判别字段指示灯的值（可以观察到每一 条微指令）。5、以单指（DZ

21、）方式重新执行程序一遍，注意观察IR/DBUS指示灯、AR2/AR1 指示灯的值（可以观察到每一条机器指令）。列表记录RF中四个寄存器的数据， 以及由STA指令存入RAM中的数据，与理论分析值作对比。（注：单指方式执 行程序时，四个通用寄存器和 RAM中的原始数据与第一遍执行程序的结果有 关。）6、以连续方式（DB, DP, DZ都设为0）再次执行程序。由于程序中有停 机指令STP,程序执行到该指令时自动停机。列表记录RF中四个寄存器的数据， 以及由STA指令存入RAM中的数据，与理论分析值作对比。（注：程序执行前 的原始数据与第二遍执行结果有关。）具体的操作步骤如下：第一步，利用控制台微程序

22、KLD设置通用寄存器R2、R3的值在本操作中，我们打算使 R2 = 60H, R3 = 61H。.令DP = 0, DB = 0, DZ =0,使实验系统处于连续运行状态。令 SWC= 0、SWB =1、SWA= 1,使实验系统处于寄存器加载工作方式 KLQ按CLR松钮，使实验 系统处于初始状态。.在SWASW叶设置一个存储器地址，该存储器地址供设置通用寄存器使用。 该存储器地址最好是不常用的一个地址，以免设置通用寄存器操作破坏重要的存 储器单元的内容。例如可将该地址设置为 0FFH按一次QDft钮，将0FFH写入 AR1 和 AR2.在SWASW叶设置02H,作为通用寄存器R2的寄存器号。按

23、一次QDgcffi, 则将02H写入IR。.在SWASW0S置60H,作为R2的值。按一次 QD钮，将60H写入IR指定 的R2寄存器。.在SWASW叶设置03H,作为通用寄存器R3的寄存器号。按一次QDgcffi, 将03H写入IR。. 在SWSW0g置61H,作为R3的值。按一次 QD钮，将61H写入R3.设置R2、R3结束，按CLR般钮，使实验系统恢复到初始状态。第二步，利用控制台微程序KW4程序机器代码本操作中，我们从00地址开始存10个机器代码：58H, 5DH 04H, 95H, 3EH 1BH 4BH 24H, 60H, 84Ho在60H存入24H,用于给R0置初值；在61H存入

24、83H, 用于给R0置初值。.令DP = 0 , DB = 0 , DZ =0,使实验系统处于连续运行状态。令 SWC = 0 SWB = 1、SWA = 0,使实验系统处于写双端口存储器工作方式 KWE如图所示。 按CLR松钮，使实验系统处于初始状态。. 置SWSW财00H,按QDR钮，将00H写入ARI.置SW户SW0为58H,按QDft钮，将58H写入存储器00H单元。AR1自动力口 1,变为01Ho.置SWSW财5DH按QDK钮，将5DW入存储器01H单元。AR1自动力口 1,变为02Ho. 按QDg钮，使AR1+1 AR1此时为02Ho.重复进行下去，一直到将84H写入存储器09H单

25、元。按CLR蔽钮，使实验 系统恢复到初始状态。. 置SWSW财60H,按QD钮，将60H写入ARI.置SW7SW0为24H,按QD钮，将24H写入存储器60H单元。AR1自动力口 1,变为61Ho.置SWSWO 84H按QD钮，将83H写入存储器61H单元。按CLR胺钮， 使实验系统恢复到初始状态。第三步，用单拍（DB方式执行一遍程序。在单拍执行过程中，首先要随时监测 AR2的值和IR的值，以判定程序执行到何 处，正在执行哪条指令。监测微地址指示灯和判断字段指示灯，对照微程序流程 图，可以判断出微指令的地址和正在进行的微操作。程序执行的结果如下：初值：R0未定，R1未定，R2 = 60H, R

26、3 = 61H。存储器60H单元的内容是24H, 61H单元的内容是83HoLDA R0,R2执行结果 R2 = 60H , R0 = 24H。LDA R1,R3执行结果 R3 = 61H, R1 = 83H。ADD R0,R1执行结果 R0 = 0A7H , R1 = 83H , C = 0。JC +5AND R2,R3执行结果 R2 =60 H, R3 =6114SUB R3,R2执行结果 R2 = 60H , R3 = 01HSTA R3,R2执行结果R2 = 60H , R3 = 01H,存储器60单元的内容为01HoMUL R0,R1一执行结果 R0 = 15H , R1 = 83H

27、STP执行结果：无变化JMP R1执行结果转移到83Ho第一遍执行结束。执行结果是 R0 = 15H, R1 = 83H, R2 = 60H , R3 = 01H,存储器60H单元的内容是01H, 61H单元的内容是83Ho第四步，用单指（DZ）方式执行一遍程序。初值：R0 = 15H , R1 = 83H, R2 = 60H , R3 = 01H,存储器60H单元的内容是01H, 61H单元的内容是83HoLDA R0,R2执行结果 R2 = 60H , R0 = 01H。LDA R1,R3执行结果 R3 = 01H , R1 = 5DH。ADD R0,R1执行结果 R0 = 5EH , R

28、1 = 5DH, C = 04. JC +5执行结果转移到03H,因为C = 0。AND R2,R3执行结果 R2 =00 H, R3 =0114SUB R3,R2执行结果 R2 = 00H , R3 = 01HSTA R3,R2执行结果R2 = 00H , R3 = 01H,存储器00单元的内容为01HoMUL R0,R1执行结果 R0 = 0B6H , R1 = 5DHSTP执行结果：无变化JMP R1第二遍执行结束。执行结果是 R0 = 9CH, R1 = 5CH, R2 = 00H , R3 = 01H,存 储器60H单元的内容是01H, 61H单元的内容是83H, 00H单元的内容为

29、01Ho第五步，用连续方式执行一遍程序由于00单元的内容已被修改，因此在执行前应首先恢复00H单元的内容58Ho初值：R0 = 0B6H, R1 = 5DH, R2 = 00H, R3 = 01H,存储器60H单元的内容是01H, 61H单元的内容是83H, 00H单元的内容为58HoLDA R0,R2执行结果 R2 = 00H , R0 = 58H。LDA R1,R3执行结果 R3 = 01H , R1 = 5DH。ADD R0,R1执行结果 R0 = 0B5H, R1 = 5DH, C = 04. JC +5执行结果转移到03H,因为C = 0。AND R2,R3执行结果 R2 =00 H

30、, R3 =0114SUB R3,R2执行结果 R2 = 00H , R3 = 01H执行结果R2 = 00H , R3 = 01H,存储器00单元的内容为01KMUL R0,R1执行结果 R0 = 41H, R1 = 5DHSTP实验三：中断原理实验一、 实验目的1、从硬件、软件结合的角度，模拟单级中断和中断返回的过程。2、通过简单的中断系统，掌握中断控制器、中断向量、中断屏蔽等概念。3、了解微程序控制器与中断控制器协调工作的基本原理。二、实验设备1、TEC-4计算机组成原理实验系统2、双踪示波器一台3、直流万用表一只4、逻辑测试笔一之三、中断的检测、执行和返回过程微程序控制器每执行一条机器

31、指令之后， 执行下一条机器指令之前，先转到 微地址0F出，在条件位平P1=1时判断是否有中断请求INTQ。如果没有，则继 续正常的机器指令执行。若检测到中断请求INTQ,首先发出关中断的信号INTC、 保存断点信号LDIAR ,并且发出停机信号TJ,等待手动设置中断向量。设置好 SW7-SW0后，按QD按钮启动，机器将中断向量读入 PC中，从而转移到中断 服务子程序去执行。执行一条机器指令IRET,从中断服务之程序返回时，发出IAR-BUS#信号， 从中断地址寄存器IAR向数据总线DBUS输出断点地址，再从DBUS依次写入 到R4, PC中，恢复执行被中断的程序。四、实验任务(1)、了解中断系统中每个信号的意义和变化，并将下面的主程序和中断 服务程序手工汇编成十六进制机器代码。地址指令机器代码20HINTS1011000021HLDA R0,R20101100022HADD R0,R00000000023HADD R0,R00000000024HADD R0,R00000000025HADD R0,R00000000026HADD R0,R00000000027HADD R0,R000