计算机组成原理实验北邮详解

计算机组成原理实验北邮详解演示文稿目前一页\总数七十五页\编于十一点优选计算机组成原理实验北邮目前二页\总数七十五页\编于十一点TEC-8北京邮电大学计算机学院实验中心系统结构实验室

3TEC-8实验系统简介目前三页\总数七十五页\编于十一点TEC-8实验系统简介TEC-8北京邮电大学计算机学院实验中心系统结构实验室

4数码管

逻辑笔硬布线/独立/微程序转换VGA

接口电源指示LOG微程序控制器

单片机交通灯喇叭LED

显示运算器存储器EPM7128VCC

GND时钟源电位器单脉冲时序操作模式数据开关电平控制信号开关目前四页\总数七十五页\编于十一点TEC-8实验系统简介TEC-8北京邮电大学计算机学院实验中心系统结构实验室

5微命令指示灯微程序控制器E2PROM单片机89S52双端口寄存器组7064运算器74LS181双端口RAM7132控制转换开关、指示灯编程开关、指示灯、复位、插座P字段、微地址指示灯DBUSALU

A、B

PC、AR、IR、INSC

Z目前五页\总数七十五页\编于十一点TEC-8模型计算机框图目前六页\总数七十五页\编于十一点时序发生器时钟源，时序脉冲产生和译码电路，时序启停逻辑等；提供CPU周期所需的时序信号，取指并执行指令。提供数据通路和控制器各寄存器所需的节拍脉冲信号T1、T2、T3，以及中断请求信号ITNQ.W1、W2、W3位节拍电位信号供硬连线控制器使用。单微指令开关DP控制节拍脉冲信号T1、T2、T3的数目。当DP朝上时，处于单微指令运行方式，每按一次QD按钮，只产生一组T1、T2、T3；当DP朝下时，处于连续运行方式，每按一次QD按钮，开始连续产生T1、T2、T3，直到按一次CLR按钮或者控制器产生STOP信号为止。目前七页\总数七十五页\编于十一点基本时序波形MF周期1μS，占空比50%，T1~T4的脉宽1μS。微指令周期4μS。目前八页\总数七十五页\编于十一点TEC-8控制操作模式控制信号切换器实现控制信号的切换。转换开关拨到朝上位置时，TEC-8使用硬连线控制器产生的控制信号；拨到中间位置TEC-8各部件独立，控制信号通过开关来控制；拨到朝下位置时，TEC-8使用微程序控制器产生的控制信号。SWC、SWB、SWA确定的TEC-8的操作模式如图：操作模式实验功能000启动程序运行001写存储器010读存储器011读寄存器100写寄存器101运算器组成实验110双端口存储器实验111数据通路实验目前九页\总数七十五页\编于十一点微程序控制数据通路实验流程图目前十页\总数七十五页\编于十一点逻辑测试笔TTL/CMOS逻辑测试笔测试TTL/CMOS逻辑高(H)低(L)电平；测试连续脉冲()；单次脉冲计数器(D)；目前十一页\总数七十五页\编于十一点实验设备TEC-8计算机组成原理实验系统1台；TDS1001数字存储示波器1台；目前十二页\总数七十五页\编于十一点一运算器组成实验实验目的:⑴熟悉逻辑测试笔的使用方法。⑵熟悉TEC-8模型计算机的节拍脉冲T1、T2、T3；⑶熟悉双端口通用寄存器组的读写操作；⑷熟悉运算器的数据传送通路；⑸验证74LS181的加、减、与、或功能；⑹按给定的数据，完成几种指定的算术、逻辑运算运算。目前十三页\总数七十五页\编于十一点14目前十四页\总数七十五页\编于十一点运算器组成实验电路分析

双端口寄存器组由1片EPM7064组成，内部包含4个8位寄存器R0-3，4选1选择器A、B和1个2-4译码器。根据信号RD1-0的值选择寄存器送往ALU的A端口，根据信号RS1-0的值选择寄存器送往ALU的B端口，当DRW信号为1时，则在T3的上升沿，将数据总线DBUS上的数写入相应寄存器。ALU由2片74LS181、1片74LS74、1片74LS244、1片74LS245和1片74LS30构成。74LS181完成算术逻辑运算，加法和减法同时影响C标志和Z标志，与操作和或操作只影响Z标志。

目前十五页\总数七十五页\编于十一点参考连线：数据通路RD0RD1RS0RS1DRW电平开关K0K1K2K3K4数据通路LDCLDZS0S1S2S3M电平开关K5K6K7K8K9K10K11数据通路ABUSSBUSCINMBUS指示灯K12K13K14GND目前十六页\总数七十五页\编于十一点实验任务将运算器模块与实验台操作板上的线路进行连接。接好线后,将编程开关拨到“正常”位置,控制转换开关拨到“独立”位置，合上电源,按CLR#按钮,使TEC-8实验系统处于初始状态。用开关SW7~SW0向通用寄存器堆的R0~R3寄存器置数。验证ALU的正逻辑算术运算验证逻辑运算功能。目前十七页\总数七十五页\编于十一点74LS181ALU算数/逻辑运算功能表目前十八页\总数七十五页\编于十一点实验要求做好实验预习，掌握运算器的数据传输通路及其功能特性，熟悉实验中所用模拟开关的作用和使用方法。写出实验报告，内容：实验目的实验任务的数据表格，控制信号模拟开关值，运算结果。目前十九页\总数七十五页\编于十一点二双端口存储器原理实验实验目的：了解双端口静态随机存储器IDT7132的工作特性及使用方法。了解半导体存储器怎样存储和读出数据。了解双端口存储器怎样并行读写，产生冲突的情况如何。目前二十页\总数七十五页\编于十一点目前二十一页\总数七十五页\编于十一点目前二十二页\总数七十五页\编于十一点目前二十三页\总数七十五页\编于十一点TEC-8北京邮电大学计算机学院实验中心系统结构实验室

24目前二十四页\总数七十五页\编于十一点双端口存储器实验电路分析IDT7132的左右两个端口有独立的总线及控制信号：CE#、R/W#和OE#。左端口为读、写端口，当MEMW为1时，在T2上升沿将DBUS上的D7~0写入AR7~0指定的存储单元；当MBUS信号为1时，指定的存储单元的数送DBUS；右端口为只读方式，从PC7~0指定的存储单元读出指令INS7~0，送往指令寄存器IR。程序计数器PC由2片GAL22V10组成。向RAM的右端口提供存储器地址。当信号LPC为1时，在T3的上升沿，将DBUS上的数D7~0写入PC；当信号PCINC为1时，在T3的上升沿，PC加1；当PCADD信号为1时，PC和IR中的转移偏量相加，在T3的上升沿，将相加得到的和写入PC。地址寄存器AR由1片GAL22V10组成，向RAM的左端口提供存储器地址AR7~0

。当信号LAR为1时，在T3的上升沿，数据总线上的数D7~0写入AR。当信号ARINC为1时，在T3的上升沿，完成AR加1.目前二十五页\总数七十五页\编于十一点参考连线：数据通路SBUSLARARINCMEMWMBUS电平开关K0K1K2K3K4数据通路LPCPCINCPCADDLIR电平开关K5K6K7K8目前二十六页\总数七十五页\编于十一点实验任务按电路图将有关信号和二进制开关对应接好。将编程开关拨到“正常”位置,控制转换开关拨到“独立”位置，合上电源,按CLR#按钮,使TEC-8实验系统处于初始状态。向存储器的10H、20H、21H、22H单元写入55H、AAH、10H、20H。使用双端口存储器的左、右端口，依次读出RAM中的内容，观察结果是否正确。

双端口存储器的并行读写和访问冲突测试。目前二十七页\总数七十五页\编于十一点实验要求做好实验预习，掌握IDT7132双端口存储器的功能特性及使用方法。写出实验报告，内容：实验目的实验任务的数据表格，检测结果。目前二十八页\总数七十五页\编于十一点三数据通路组成实验进一步熟悉计算机的数据通路；将双端口通用寄存器堆和双端口存储器模块联机；掌握数字逻辑电路中故障的一般规律，以及排除故障的一般原则和方法；锻炼分析问题与解决问题的能力，在出现故障的情况下，独立分析故障现象并排除故障。目前二十九页\总数七十五页\编于十一点TEC-8北京邮电大学计算机学院实验中心系统结构实验室

30目前三十页\总数七十五页\编于十一点参考连线：数据通路ABUSSBUSRD0RD1RS0RS1DRW电平开关K13K14K0K1K2K3K4数据通路S0S1S2S3MLDCLDZ电平开关K5K6K7K8K9VCCVCC数据通路MBUSLARMEMWLPCARINCPCINCPCADD电平开关K15K10K11K12GNDGNDGND目前三十一页\总数七十五页\编于十一点实验任务将实验电路与控制台的有关信号进行线路连接，方法同前面的实验。接好线后,将编程开关拨到“正常”位置,控制转换开关拨到“独立”位置，合上电源,按CLR#按钮,使TEC-8实验系统处于初始状态。将数据写往寄存器R0~R3。将寄存器R0~R3中的数据写入存储器。从存储器中读出数据存到寄存器中，再送入运算器进行运算，将运算结果存回存储器。目前三十二页\总数七十五页\编于十一点实验要求做好实验预习，掌握实验电路的数据通路特点和通用寄存器堆的功能特性。写出实验报告，内容：实验目的详细的实验步骤，记录实验数据。其他值得讨论的问题。目前三十三页\总数七十五页\编于十一点四微程序控制器组成实验⑴掌握微程序控制器的原理⑵掌握TEC-8模型计算机中微程序控制器的实现方法，尤其是微地址转移逻辑的实现方法。⑶理解条件转移对计算机的重要性。目前三十四页\总数七十五页\编于十一点TEC-8模型计算机框图目前三十五页\总数七十五页\编于十一点TEC-8模型计算机指令系统TEC-8北京邮电大学计算机学院实验中心系统结构实验室

36目前三十六页\总数七十五页\编于十一点TEC-8北京邮电大学计算机学院实验中心系统结构实验室

37名称助记符功能指令格式IR(7-4)IR(3-2)IR(1-0)加法ADDRd,RsRd←Rd+Rs0001RdRs减法SUBRd,RsRd←Rd-Rs0010RdRs逻辑与ANDRd,RsRd←RdandRs0011RdRs加1INCRdRd←Rd+10100RdXX取数LDRd,[Rs]Rd←[Rs]0101RdRs存数STRs,[Rd]Rs→[Rd]0110RdRsC条件转移JCaddrC=1，则PC←@+offset0111offsetZ条件转移JZaddrZ=1，则PC←@+offset1000offset无条件转移JMP[Rd]PC←Rd1001RdXX输出OUTRsDBUS←Rs1010XXRs中断返回IRET返回断点1011XXXX关中断DI禁止中断1100XXXX开中断EI允许中断1101XXXX停机STP暂停运行1110XXXX目前三十七页\总数七十五页\编于十一点根据机器指令功能、格式和数据通路所需的控制信号，TEC-8采用如图所示的微指令格式。微指令字长40位，顺序字段11位（判别字段P4～P0，后继微地址NμA5～NμA0），控制字段29位，微命令直接控制。TEC-8北京邮电大学计算机学院实验中心系统结构实验室

38微程序控制器组成实验目前三十八页\总数七十五页\编于十一点微程序控制器实验TEC-8北京邮电大学计算机学院实验中心系统结构实验室

39目前三十九页\总数七十五页\编于十一点运算器组成实验电路分析控制存储器由5片58C65组成。58C65是一种8K×８位的E2PROM器件，TEC-8使用其中64个字节作为控制存储器，微地址µA5~µA0。微地址寄存器µAR由D触发器74LS174LS组成。当按下复位按钮CLR时，产生的信号CLR#(负脉冲)使微地址寄存器复位，µA5~µA0为00H，在一条微指令结束时，用T3的下降沿将微地址转移逻辑产生的下条微指令地址NµA5、NµA4-T~NµA0-T写入微地址寄存器。微地址转移逻辑由若干与门和或门组成，实现“与~或”逻辑。目前四十页\总数七十五页\编于十一点微程序控制器的组成产生数据通路操作所需控制信号。存储逻辑型的微程序；时序逻辑型的硬布线。控制部件→执行部件的控制命令：微命令；执行部件进行的操作：微操作；在一个CPU周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合：微指令。微指令序列构成微程序。执行当前的微指令时，必须指出后继微地址，以便当前微指令执行完毕后，取出下一条微指令。目前四十一页\总数七十五页\编于十一点微指令格式NµA5~NµA0下址，在微指令顺序执行的情况下，它是下一条微指令的地址P0=1时，根据后继微地址NµA5~NµA0和模式开关SWC、SWB、SWA确定下一条微指令的地址。P1=1时，根据后继微地址NµA5~NµA0和指令操作码IR7~IR4确定下一条微指令的地址。P2=1时，根据后继微地址NµA5~NµA0和进位C确定下一条微指令的地址。P3=1时，根据后继微地址NµA5~NµA0和结果为0标志Z确定下一条微指令的地址。P4=1时，根据后继微地址NµA5~NµA0和中断信号INT确定下一条微指令的地址。模型计算机中，中断信号INT由时序发生器在接到中断请求信号后产生。STOP=1时，在T3结束后时序发生器停止输出节拍脉冲T1、T2、T3。LIAR=1时，在T3的上升沿，将PC7~PC0写入中断地址寄存器IAR。INTDI=1时，置允许中断标志(在时序发生器中)为0，禁止TEC-8模型计算机响应中断请求INTEN=1时，置允许中断标志(在时序发生器中)为1，允许TEC-8模型计算机响应中断请求IABUS=1时，将中断地址寄存器中的地址送数据总线DBUS。PCADD=1时，将当前的PC值加上相对转移量，生成新的PC。目前四十二页\总数七十五页\编于十一点控制台工作方式

（SWC、SWB、SWA为控制台指令的定义开关）SWCSWBSWA操作000取指001写存储器010读存储器011写寄存器100读寄存器目前四十三页\总数七十五页\编于十一点微程序控制器实验TEC-8北京邮电大学计算机学院实验中心系统结构实验室

44操作模式实验功能备注000启动程序运行001写存储器010读存储器011读寄存器100写寄存器101运算器组成实验110双端口存储器实验111数据通路实验目前四十四页\总数七十五页\编于十一点TEC-8北京邮电大学计算机学院实验中心系统结构实验室

45目前四十五页\总数七十五页\编于十一点实验任务熟悉微程序流程图和微程序代码表。正确设置模式开关SWC、SWB、SWC，用单微指令方式(单拍开关DP设置为1)跟踪控制台操作读寄存器、写寄存器、读存储器、写存储器的执行过程，记录下每一步的微地址µA5~µA0、判别位P4~P0和有关控制信号的值，写出这4种控制台操作的作用和使用方法。正确设置指令操作码IR7~IR4，用单微指令方式跟踪除停机指令STP之外的所有指令的执行过程。记录下每一步的微地址µA5~µA0、判别位P4~P0和有关控制信号的值。对于JZ指令，跟踪Z=1、Z=0两种情况；对于JZ指令，跟踪C=1、C=0两种情况。目前四十六页\总数七十五页\编于十一点微程序控制器组成实验接线参考控制器IR4-IIR5-IIR6-IIR7-I模拟开关K0K1K2K3时序电路C-IZ-I固定电平K4K5接好线后，将编程开关拨到“正常”位置，控制转换开关拨到“微程序”位置，合上电源，按CLR#按钮，使TEC-8实验系统处于初始状态。目前四十七页\总数七十五页\编于十一点控制台操作微程序流程举例写存储器(WRM)：按下复位按钮CRL#，置SWC=0，SWB=0，SWA=1。

①在SW7~SW0中设置存储器地址，按QD按钮将此地址打入AR。

②在SW7~SW0置好数据，按QD按钮，将数据写入AR指定的存储器单元，这时AR加1。

③返回②。依次进行下去，直到按复位按钮CRL#为止。实现对RAM的手动写入（主要是自己编写的程序和数据）。目前四十八页\总数七十五页\编于十一点控制台操作微程序流程举例启动程序(PR)：按下复位按钮CRL#后，微地址寄存器清零。置SWC=0，SWB=0，SWA=0，用数据开关SW7~SW0设置RAM中的程序首地址，按QD按钮后，启动程序执行。观察不同机器指令对应微程序的执行。目前四十九页\总数七十五页\编于十一点实验要求做好实验预习，掌握微程序控制器和时序发生器的工作原理。根据实验任务所提要求，在预习时完成表格填写、数据和理论分析。写出实验报告，内容：实验目的时序波形图和测量值，记录数据表格。目前五十页\总数七十五页\编于十一点五CPU组成与机器指令执行实验将微程序控制器同执行部件（整个数据通路）联机，组成一台模型计算机；用微程序控制器控制模型机数据通路，将相应的信号线连接，构成一台能运行测试程序的CPU。通过TEC-8执行由机器指令组成的简单程序。理解计算机如何取出指令、如何执行指令、如何在一条指令执行结束后自动取出下一条指令并执行，牢固建立的计算机整机概念。目前五十一页\总数七十五页\编于十一点实验要求将简单程序进行译码，按指令格式汇编成二进制机器代码。完成控制台、时序部件、数据通路和微程序控制器之间的连线。将程序机器代码利用控制台指令写入内存。根据程序的需要设置通用寄存器堆中相关寄存器的数据。单拍方式执行一遍程序，记录相关寄存器和存储器存储单元数据，与理论值比较分析。连续方式再次执行一遍程序，记录相关寄存器和存储器存储单元数据，与理论值比较分析。目前五十二页\总数七十五页\编于十一点TEC-8模型计算机指令系统TEC-8北京邮电大学计算机学院实验中心系统结构实验室

53目前五十三页\总数七十五页\编于十一点控制台工作方式

（SWC、SWB、SWA为控制台指令的定义开关）SWCSWBSWA操作000取指001写存储器010读存储器011写寄存器100读寄存器目前五十四页\总数七十五页\编于十一点TEC-8北京邮电大学计算机学院实验中心系统结构实验室

55目前五十五页\总数七十五页\编于十一点控制台操作微程序流程举例写存储器(WRM)：按下复位按钮CRL#，置SWC=0，SWB=0，SWA=1。①在SW7~SW0中设置存储器地址，采用单拍或连续方式，按QD按钮将此地址打入AR，注意观察AR指示灯。②在SW7~SW0置好数据，按QD按钮，将数据写入AR指定的存储器单元，这时AR加1。③返回②。依次进行下去，直到按复位按钮CRL#为止。实现对RAM的手动写入。每一控制台指令操作完毕应使系统复位，然后转换控制台指令。目前五十六页\总数七十五页\编于十一点控制台操作微程序流程举例启动程序(PR)：按下复位按钮CRL#后，微地址寄存器清零。置SWC=0，SWB=0，SWA=0，用数据开关SW7~SW0设置RAM中的程序首地址，采用单拍或连续方式，按QD按钮后，启动程序执行。对照微程序流程图，监测微地址指示灯和判别字段指示灯，以判别正在进行的微操作。注意观察PC和IR指示灯，以判断程序的执行情况，直至程序执行完毕。目前五十七页\总数七十五页\编于十一点实验程序

#预习时要求完成的手工汇编#

00000000（00）11101111（EF）00100011（23）10000101（85）11100000（E0）10100010（A2）00110001（31）01101010（6A）01001000（48）01110010（72）01000010-8200010001（11）01010011（53）01001100（4C）01101000（68）10000110（86）00100001（21）01010111（57）01001100（4C）01010011（53）机器16进制代码00H0EFH23H85HSTPOUTR2ANDR0,R1STR2,[R2]INCR2JC0CHADDR0，R1LDR0，[R3]INCR3STR0,[R2]JZ0BHSUBR0,R1LDR1,[R3]INCR3LDR0，[R3]指令12H11H10H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H07H06H05H04H03H02H01H00H地址目前五十八页\总数七十五页\编于十一点实验程序的执行在单拍方式下跟踪程序的执行⑴通过写存储器操作将程序写入存储器。⑵通过读操作将程序逐条读出，检查程序是否正确写入了存储器。⑶通过写寄存器操作设置寄存器R2为12H、R3为0FH。⑷通过读寄存器操作检查设置是否正确。⑸将单拍开关DP设置为1，使程序在单微指令下运行。⑹按复位按钮CLR，复位程序计数器PC为00H。将模式开关设置为SWC=0、SWB=0、SWA=0，准备进入程序运行模式。⑺按一次QD按钮，进入程序运行。每按一次QD按钮，执行一条微指令，直到程序结束。在程序执行过程中，记录下列信号的值：PC7~PC0、AR7~AR0、µA5~µA0、IR7~IR0、A7~A0、B7~B0和D7~D0。⑻通过读寄存器操作检查4个寄存器的值并记录。⑼通过读存储器操作检查存储单元12H、13H的值并记录。目前五十九页\总数七十五页\编于十一点实验程序的执行在连续方式下运行程序由于单拍方式下运行程序并没有改变存储器中的程序。因此只要重新设置R2为12H、R3为0FH。然后将单拍开关DP设置为0，按复位按钮CLR后，将模式开关设置为SWC=0、SWB=0、SWA=0，准备进入程序运行模式。按一次QD按钮，程序自动运行到STP指令。通过读寄存器操作检查4个寄存器的值并记录。通过读存储器操作检查存储单元12H、13H的值并记录目前六十页\总数七十五页\编于十一点模型机连线示意图控制台时序发生器数据通路微程序控制器指令代码条件信号IR7~IR4C时序信号T1~T3开关控制SWCSWBSWA开关控制

DPQDCLR#微指令控制字段控制信号STOP时序信号T1指示灯信号P0~P4目前六十一页\总数七十五页\编于十一点接线参考控制器IR7-IIR6-IIR5-IIR4-I数据通路IR7-OIR6-OIR5-OIR4-O

控制器Z-IC-I数据通路Z-OC-O接好线后,将编程开关拨到“正常”位置,控制转换开关拨到“微程序”位置，合上电源,按CLR#按钮,使TEC-8实验系统处于初始状态。目前六十二页\总数七十五页\编于十一点实验要求

做好实验预习。根据实验任务所提要求，在预习时完成相关表格填写、数据和理论分析。以便与实验值对照。接线较多，务必仔细。写出实验报告，内容：实验目的记录程序数据表格。分析程序执行过程中出现的异常情况和值得讨论的其它问题。课程实验总结。目前六十三页\总数七十五页\编于十一点实验总结CPU的基本功能：程序的顺序执行、管理控制操作、操作和执行定时、数据加工等。控制器：程序计数器，指令寄存器，指令译码器，时序发生器，操作控制器等，取指、译码产生控制信号，控制CPU、内存，输入/输出之间的数据传输。运算器：算数逻辑单元ALU，累加器AC，数据缓冲寄存器DR，状态条件寄存器PSW等，数据加工，算数逻辑运算，产生运算结果或逻辑判断。从内存取指到执行指令结束，一条机器指令对应一个微程序。一个机器指令周期由几个微指令周期组成。控制部件和执行部件构成计算机的两大部分。目前六十四页\总数七十五页\编于十一点六中断原理实验从硬件、软件结合的角度，模拟单级中断和中断返回的过程；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；了解微程序控制器与中断控制器协调的基本原理；掌握中断子程序和一般子程序的本质区别，掌握中断的突发性和随机性。目前六十五页\总数七十五页\编于十一点TEC-8模型计算机的中断机制TEC-8的中断系统只支持单级中断、单个中断请求，有中断屏蔽功能。系统有2条指令用于允许和屏蔽中断（DI关中断指令、EI开中断指令）。在时序发生器中，设置了一个允许中断触发器EN_INT（DIor!EI），当它为1时，允许中断，当它为0时，禁止中断发生。复位脉冲CLR#使EN_INT复位为0。目前六十六页\总数七十五页\编于十一点TEC-8模型计算机的中断机制中断地址寄存器IAR是74LS374。当信号LIAR为1时，在T3的上升沿，将PC保存在IAR中。当信号IABUS为1时，IABUS中保存的PC送数据总线DBUS。由于本实验系统只有一个断点寄存器而无堆栈，因此仅支持一级中断而不支持多级中断。中断向量即中断服务程序的入口地址，本实验系统中由数据开关SD7~SD0提供。目前六十七页\总数七十五页\编于十一点TEC-8模型计算机的中断处理过程除指令EI、DI外，每条指令执行过