原理實驗指導(dǎo)書--4+1

1、計算機組成原理實驗教程西安唐都科教儀器公司Copyright Reserved2012計算機組成原理實驗指導(dǎo)書西安唐都科教儀器公司第1章運算器計算機的一個最主要的功能就是處理各種算術(shù)和邏輯運算，這個功能要由 CPU 中的運算器來完成，運算器也稱作算術(shù)邏輯部件 ALU。本章首先安排一個基本的運算器實驗，了解運算器的基本結(jié)構(gòu)，然后再設(shè)計一個加法器和一個乘法器。1.1 基本運算器實驗1.1.1實驗?zāi)康?1) 了解運算器的組成結(jié)構(gòu)。(2) 掌握運算器的工作原理。1.1.2實驗設(shè)備PC 機一臺，TD-CMA 實驗系統(tǒng)一套。1.1.3實驗原理 本實驗的原理如圖 1-1-1 所示。 運算器內(nèi)部含有三個獨立運

2、算部件，分別為算術(shù)、邏輯和移位運算部件，要處理的數(shù)據(jù)存于暫存器 A 和暫存器 B，三個部件同時接受來自 A 和 B 的數(shù)據(jù)（有些處理器體系結(jié)構(gòu)把移位運算器放于算術(shù)和邏輯運算部件之前， ARM）各部件對操作數(shù)進(jìn)行何種運算由控制信號 S3S0如，和 CN 來決定，任何時候，多路選擇開關(guān)只選擇三部件中一個部件的結(jié)果作為 ALU 的輸出。如果是影響進(jìn)位的運算，還將置進(jìn)位標(biāo)志 FC，在運算結(jié)果輸出前，置 ALU 零標(biāo)志。ALU 中所有模塊集成在一片 CPLD 中。 邏輯運算部件由邏輯門構(gòu)成，較為簡單，而后面又有專門的算術(shù)運算部件設(shè)計實驗，在此對這兩個部件不再贅述。移位運算采用的是桶形移位器，一般采用交叉

3、開關(guān)矩陣來實現(xiàn)，交叉開關(guān)的原理如圖 1-1-2 所示。圖中顯示的是一個 4X4 的矩陣（系統(tǒng)中是一個 8X8 的矩陣）。每一個輸入都通過開關(guān)與一個輸出相連，把沿對角線的開關(guān)導(dǎo)通，就可實現(xiàn)移位功能，即： (1) 對于邏輯左移或邏輯右移功能，將一條對角線的開關(guān)導(dǎo)通，這將所有的輸入位與所使用的輸出分別相連,而沒有同任何輸入相連的則輸出連接 0。 (2) 對于循環(huán)右移功能，右移對角線同互補的左移對角線一起激活。例如，在 4 位矩陣中使用右 1和左 3對角線來實現(xiàn)右循環(huán) 1 位。 (3) 對于未連接的輸出位，移位時使用符號擴(kuò)展或是 0 填充，具體由相應(yīng)的指令控制。使用另外的邏輯進(jìn)行移位總量譯碼和符號判別

4、。1計算機組成原理實驗指導(dǎo)書西安唐都科教儀器公司圖 1-1-1 運算器原理圖 運算器部件由一片 CPLD 實現(xiàn)。ALU 的輸入和輸出通過三態(tài)門 74LS245 連到 CPU 內(nèi)總線上，另外還有指示燈標(biāo)明進(jìn)位標(biāo)志 FC 和零標(biāo)志 FZ。請注意：實驗箱上凡絲印標(biāo)注有馬蹄形標(biāo) ，表示這兩根排針之間是連通的。圖中除 T4 和 CLR，其余信號均來自于 ALU 單元記的排線座，實驗箱中所有單元的 T1、T2、T3、T4 都連接至控制總線單元的 T1、T2、T3、T4，CLR 都連接至 CON 單元的 CLR 按鈕。 由時序單元的 TS4 提供T4（時序單元的介紹見附錄二），其余控制信號均由 CON 單元

5、的二進(jìn)制數(shù)據(jù)開關(guān)模擬給出。控制信號中除 T4 為脈沖信號外，其余均為電平信號，其中 ALU_B 為低有效，其余為高有效。右3in3右2右1不移位左1in2左2in1左3in0out0out1out2out3圖 1-1-2 交叉開關(guān)桶形移位器原理圖暫存器 A 和暫存器 B 的數(shù)據(jù)能在 LED 燈上實時顯示，原理如圖 1-1-3 所示（以 A0 為例，其它相同）。進(jìn)位標(biāo)志 FC、零標(biāo)志 FZ 和數(shù)據(jù)總線 D7D0 的顯示原理也是如此。1KVCCA0圖 1-1-3A0 顯示原理圖2計算機組成原理實驗指導(dǎo)書西安唐都科教儀器公司 ALU 和外圍電路的連接如圖 1-1-4 所示，圖中的小方框代表排針座。

6、運算器的邏輯功能表如表 1-1-1 所示，其中 S3 S2 S1 S0 CN 為控制信號，F(xiàn)C 為進(jìn)位標(biāo)志，F(xiàn)Z 為運算器零標(biāo)志，表中功能欄內(nèi)的 FC、FZ 表示當(dāng)前運算會影響到該標(biāo)志。圖 1-1-4ALU 和外圍電路連接原理圖表 1-1-1 運算器邏輯功能表運算類型S3 S2 S1 S000000001邏輯運算00100011010001010110移位運算0111100010011010算術(shù)運算10111100110111101111CNXXXXXX0101XXXXXXXXF=A（直通）F=B（直通）F=ABF=A+BF=/AF=A 不帶進(jìn)位循環(huán)右移 B（取低 3 位）位F=A 邏輯右移一

7、位F=A 帶進(jìn)位循環(huán)右移一位F=A 邏輯左移一位F=A 帶進(jìn)位循環(huán)左移一位置 FC=CNF=A 加 BF=A 加 B 加 FCF=A 減 BF=A 減 1F=A 加 1（保留）（保留）（FZ）（FZ）（FZ）（FZ）（FZ）（FC，F(xiàn)Z）（FZ）（FC，F(xiàn)Z）（FC）（FC，F(xiàn)Z）（FC，F(xiàn)Z）（FC，F(xiàn)Z）（FC，F(xiàn)Z）（FC，F(xiàn)Z）功能*表中“X”為任意態(tài)，下同3計算機組成原理實驗指導(dǎo)書西安唐都科教儀器公司1.1.4實驗步驟(1) 按圖 1-1-5 連接實驗電路，并檢查無誤。圖中將用戶需要連接的信號用圓圈標(biāo)明（其它實驗相同）。圖 1-1-5 實驗接線圖(2) 將時序與操作臺單元的開關(guān) KK

8、2 置為單拍檔,開關(guān) KK1、KK3 置為運行檔。 (3) 打開電源開關(guān)，如果聽到有嘀報警聲，說明有總線競爭現(xiàn)象，應(yīng)立即關(guān)閉電源，重新檢查接線，直到錯誤排除。然后按動 CON 單元的 CLR 按鈕，將運算器的 A、B 和 FC、FZ 清零。(4) 用輸入開關(guān)向暫存器 A 置數(shù)。 撥動 CON 單元的 SD27SD20 數(shù)據(jù)開關(guān)，形成二進(jìn)制數(shù) 01100101（或其它數(shù)值），數(shù)據(jù)顯示亮為1，滅為0。 置 LDA=1，LDB=0，連續(xù)按動時序單元的 ST 按鈕，產(chǎn)生一個 T4 上沿，則將二進(jìn)制數(shù)01100101 置入暫存器 A 中，暫存器 A 的值通過 ALU 單元的 A7A0 八位 LED 燈顯

9、示。(5) 用輸入開關(guān)向暫存器 B 置數(shù)。 撥動 CON 單元的 SD27SD20 數(shù)據(jù)開關(guān)，形成二進(jìn)制數(shù) 10100111（或其它數(shù)值）。 置 LDA=0，LDB=1，連續(xù)按動時序單元的 ST 按鈕，產(chǎn)生一個 T4 上沿，則將二進(jìn)制數(shù)10100111 置入暫存器 B 中，暫存器 B 的值通過 ALU 單元的 B7B0 八位 LED 燈顯示。(6) 改變運算器的功能設(shè)置，觀察運算器的輸出。 ALU_B=0、置LDA=0、LDB=0，然后按表 1-1-1置 S3、S2、S1、S0 和 Cn 的數(shù)值，并觀察數(shù)據(jù)總線 LED 顯示燈顯示的結(jié)果。如置 S3、S2、S1、S0 為 0010，運算器作邏輯

10、與運算，置 S3、S2、S1、S0 為 1001，運算器作加法運算。 如果實驗箱和 PC 聯(lián)機操作，則可通過軟件中的數(shù)據(jù)通路圖來觀測實驗結(jié)果（軟件使用說明請看附錄一），方法是：打開軟件，選擇聯(lián)機軟件的“【實驗】【運算器實驗】，打開運算器”實驗的數(shù)據(jù)通路圖，如圖 1-1-6 所示。進(jìn)行上面的手動操作，每按動一次 ST 按鈕，數(shù)據(jù)通路圖會有數(shù)據(jù)的流動，反映當(dāng)前運算器所做的操作，或在軟件中選擇“【調(diào)試】【單節(jié)拍】，其作”用相當(dāng)于將時序單元的狀態(tài)開關(guān) KK2 置為單拍檔后按動了一次 ST 按鈕，數(shù)據(jù)通路圖也會4計算機組成原理實驗指導(dǎo)書西安唐都科教儀器公司反映當(dāng)前運算器所做的操作。重復(fù)上述操作，并完成表

11、 1-1-2。然后改變 A、B 的值，驗證 FC、FZ 的鎖存功能。圖 1-1-6 數(shù)據(jù)通路圖表 1-1-2 運算結(jié)果表運算類型A6565邏輯運算BA7A7S3 S2 S1 S00000000移位運算0111算術(shù)運算10011110011011100101000011100110010101010101XXXXXXXCNXXXXXX0F=( 65 )F=( A7 )F=(F=(F=(F=(F=(F=(F=(F=(F=(F=(F=(F=(F=(F=(F=()結(jié)果FC=(FC=(FC=(FC=(FC=(FC=(FC=(FC=(FC=(FC=(FC=(FC=(FC=(FC=(FC=(FC=(FC=(

12、)FZ=(FZ=(FZ=(FZ=(FZ=(FZ=(FZ=(FZ=(FZ=(FZ=(FZ=(FZ=(FZ=(FZ=(FZ=(FZ=(FZ=()0（FC=0）0（FC=1）1001015計算機組成原理實驗指導(dǎo)書西安唐都科教儀器公司計算機組成原理實驗指導(dǎo)書西安唐都科教儀器公司第2章存儲系統(tǒng)存儲器是計算機各種信息存儲與交換的中心。在程序執(zhí)行過程中，所要執(zhí)行的指令是從存儲器中獲取，運算器所需要的操作數(shù)是通過程序中的訪問存儲器指令從存儲器中得到，運算結(jié)果在程序執(zhí)行完之前又必須全部寫到存儲器中，各種輸入輸出設(shè)備也直接與存儲器交換數(shù)據(jù)。把程序和數(shù)據(jù)存儲在存儲器中，是馮·諾依曼型計算機的基本特征，也是

13、計算機能夠自動、連續(xù)快速工作的基礎(chǔ)。本章安排了兩個實驗：靜態(tài)隨機存儲器實驗及 Cache 控制器設(shè)計實驗。2.1 靜態(tài)隨機存儲器實驗2.1.1實驗?zāi)康恼莆侦o態(tài)隨機存儲器 RAM 工作特性及數(shù)據(jù)的讀寫方法。2.1.2實驗設(shè)備PC 機一臺，TD-CMA 實驗系統(tǒng)一套。2.1.3實驗原理 實驗所用的靜態(tài)存儲器由一片 6116（2K×8bit）構(gòu)成（位于 MEM 單元），如圖 2-1-1 所示。6116 有三個控制線：CS（片選線）、OE（讀線）、WE（寫線），其功能如表 2-1-1 所示，當(dāng)片選有效（CS=0）時，OE=0 時進(jìn)行讀操作，WE=0 時進(jìn)行寫操作，本實驗將 CS 常接地。Vc

14、c A824 23A9 WE OE A10 CS I/O7 I/O6 I/O5 I/O4 I/O322 21 20 19 18 17 16 15 14 13RAM ( 6116 )123456789101112A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 I/O0 I/O1 I/O2 GND圖 2-1-1SRAM 6116 引腳圖 由于存儲器（MEM）最終是要掛接到 CPU 上，所以其還需要一個讀寫控制邏輯，使得 CPU能控制 MEM 的讀寫，實驗中的讀寫控制邏輯如圖 2-1-2 所示，由于 T3 的參與，可以保證 MEM的寫脈寬與 T3 一致，T3 由時序單元的 TS3 給出（時序單元的介

15、紹見附錄 2）。IOM 用來選擇是對 I/O 還是對 MEM 進(jìn)行讀寫操作，RD=1 時為讀，WR=1 時為寫。14計算機組成原理實驗指導(dǎo)書表 2-1-1SRAM 6116 功能表西安唐都科教儀器公司CS1000RDWE×100OE×010功能不選擇讀寫寫XMRDT3WRXMWRXIOWXIORIOM圖 2-1-2 讀寫控制邏輯 實驗原理圖如圖 2-1-3 所示，存儲器數(shù)據(jù)線接至數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)總線上接有 8 個 LED 燈顯示 D7D0 的內(nèi)容。地址線接至地址總線，地址總線上接有 8 個 LED 燈顯示 A7A0 的內(nèi)容，地址由地址鎖存器（74LS273，位于 PC&

16、;AR 單元）給出。數(shù)據(jù)開關(guān)（位于 IN 單元）經(jīng)一個三態(tài)門（74LS245）連至數(shù)據(jù)總線，分時給出地址和數(shù)據(jù)。地址寄存器為 8 位，接入 6116 的地址A7A0，6116 的高三位地址 A10A8 接地，所以其實際容量為 256 字節(jié)。圖 2-1-3 存儲器實驗原理圖實驗箱中所有單元的時序都連接至?xí)r序與操作臺單元，CLR 都連接至 CON 單元的 CLR 按鈕。實驗時 T3 由時序單元給出，其余信號由 CON 單元的二進(jìn)制開關(guān)模擬給出，其中 IOM 應(yīng)為低（即 MEM 操作），RD、WR 高有效，MR 和 MW 低有效，LDAR 高有效。2.1.4實驗步驟(1) 關(guān)閉實驗系統(tǒng)電源，按圖 2

17、-1-4 連接實驗電路，并檢查無誤，圖中將用戶需要連接的信號用圓圈標(biāo)明。15計算機組成原理實驗指導(dǎo)書西安唐都科教儀器公司(2) 將時序與操作臺單元的開關(guān) KK1、KK3 置為運行檔、開關(guān) KK2 置為單步檔（時序單元的介紹見附錄二）。(3) 將 CON 單元的 IOR 開關(guān)置為 1（使 IN 單元無輸出），打開電源開關(guān)，如果聽到有嘀報警聲，說明有總線競爭現(xiàn)象，應(yīng)立即關(guān)閉電源，重新檢查接線，直到錯誤排除。圖 2-1-4 實驗接線圖 (4) 給存儲器的 00H、01H、02H、03H、04H 地址單元中分別寫入數(shù)據(jù) 11H、12H、13H、14H、15H。由前面的存儲器實驗原理圖（圖 2-1-3）

18、可以看出，由于數(shù)據(jù)和地址由同一個數(shù)據(jù)開關(guān)給出，因此數(shù)據(jù)和地址要分時寫入，先寫地址，具體操作步驟為：先關(guān)掉存儲器的讀寫（WR=0，RD=0），數(shù)據(jù)開關(guān)輸出地址（IOR=0），然后打開地址寄存器門控信號（LDAR=1），按動 ST 產(chǎn)生 T3 脈沖，即將地址打入到 AR 中。再寫數(shù)據(jù)，具體操作步驟為：先關(guān)掉存儲器的讀寫（WR=0，RD=0）和地址寄存器門控信號（LDAR=0），數(shù)據(jù)開關(guān)輸出要寫入的數(shù)據(jù)，打開輸入三態(tài)門（IOR=0），然后使存儲器處于寫狀態(tài)（WR=1，RD=0，IOM=0），按動 ST 產(chǎn)生 T3脈沖，即將數(shù)據(jù)打入到存儲器中。寫存儲器的流程如圖 2-1-5 所示（以向 00 地址單元

19、寫入 11H為例）：圖 2-1-5 寫存儲器流程圖16計算機組成原理實驗指導(dǎo)書西安唐都科教儀器公司 (5) 依次讀出第 00、01、02、03、04 號單元中的內(nèi)容，觀察上述各單元中的內(nèi)容是否與前面寫入的一致。同寫操作類似，也要先給出地址，然后進(jìn)行讀，地址的給出和前面一樣，而在進(jìn)行讀操作時，應(yīng)先關(guān)閉 IN 單元的輸出（IOR=1），然后使存儲器處于讀狀態(tài)（WR=0，RD=1，IOM=0），此時數(shù)據(jù)總線上的數(shù)即為從存儲器當(dāng)前地址中讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容。讀存儲器的流程如圖2-1-6 所示（以從 00 地址單元讀出 11H 為例）：圖 2-1-6 讀存儲器流程圖如果實驗箱和 PC 聯(lián)機操作，則可通過軟件中

20、的數(shù)據(jù)通路圖來觀測實驗結(jié)果（軟件使用說明請看附錄 1），方法是：打開軟件，選擇聯(lián)機軟件的“【實驗】【存儲器實驗】，打開存儲器實”驗的數(shù)據(jù)通路圖，如圖 2-1-7 所示。進(jìn)行上面的手動操作，每按動一次 ST 按鈕，數(shù)據(jù)通路圖會有數(shù)據(jù)的流動，反映當(dāng)前存儲器所做的操作（即使是對存儲器進(jìn)行讀，也應(yīng)按動一次 ST 按鈕，數(shù)據(jù)通路圖才會有數(shù)據(jù)流動），或在軟件中選擇“【調(diào)試】【單周期】，其作用相當(dāng)于將時序單元的狀態(tài)開關(guān)置為單步檔”后按動了一次 ST 按鈕，數(shù)據(jù)通路圖也會反映當(dāng)前存儲器所做的操作，借助于數(shù)據(jù)通路圖，仔細(xì)分析 SRAM 的讀寫過程。圖 2-1-7 數(shù)據(jù)通路圖17計算機組成原理實驗指導(dǎo)書西安唐都科

21、教儀器公司22計算機組成原理實驗指導(dǎo)書西安唐都科教儀器公司3.2.1實驗?zāi)康?1) 掌握微程序控制器的組成原理。(2) 掌握微程序的編制、寫入，觀察微程序的運行過程。3.2.2實驗設(shè)備PC 機一臺，TD-CMA 實驗系統(tǒng)一套。3.2.3實驗原理微程序控制器的基本任務(wù)是完成當(dāng)前指令的翻譯和執(zhí)行，即將當(dāng)前指令的功能轉(zhuǎn)換成可以控制的硬件邏輯部件工作的微命令序列，完成數(shù)據(jù)傳送和各種處理操作。它的執(zhí)行方法就是將控制各部件動作的微命令的集合進(jìn)行編碼，即將微命令的集合仿照機器指令一樣，用數(shù)字代碼的形式表示，這種表示稱為微指令。這樣就可以用一個微指令序列表示一條機器指令，這種微指令序列稱為微程序。微程序存儲在

22、一種專用的存儲器中，稱為控制存儲器,微程序控制器原理框圖如圖 3-2-1 所示。指令寄存器IROP狀態(tài)條件.地址譯碼控制存儲器微地址寄存器地址轉(zhuǎn)移邏輯微命令信號.P字段控制字段圖 3-2-1 微程序控制器組成原理框圖控制器是嚴(yán)格按照系統(tǒng)時序來工作的，因而時序控制對于控制器的設(shè)計是非常重要的，從前面的實驗可以很清楚地了解時序電路的工作原理，本實驗所用的時序由時序單元來提供，分為四拍 TS1、TS2、TS3、TS4，時序單元的介紹見附錄 2。微程序控制器的組成見圖 3-2-2，其中控制存儲器采用 3 片 2816 的 E2PROM，具有掉電保護(hù)功能，微命令寄存器 18 位，用兩片 8D 觸發(fā)器（2

23、73）和一片 4D（175）觸發(fā)器組成。微地址寄存器 6 位，用三片正沿觸發(fā)的雙 D 觸發(fā)器（74）組成，它們帶有清“0”端和預(yù)置端。在不判別測試的情況下，T2 時刻打入微地址寄存器的內(nèi)容即為下一條微指令地址。當(dāng) T4 時刻進(jìn)行測試判別時，轉(zhuǎn)移邏輯滿足條件后輸出的負(fù)脈沖通過強置端將某一觸發(fā)器置為“1”狀態(tài)，完成地址修改。263.2 微程序控制器實驗M23ALU_BRS_BRD_BRI_BSP_BPC_BY1MA5.MA074LS245GY6Y1INTAWRRDIOMS3S2S1S0MA5.MA0計算機組成原理實驗指導(dǎo)書微地址顯示燈M14M9M8M6M23-M0微代碼顯示.Y1Y7Y7CMA5M

24、A4MA3MA2RMA1CMA0138 譯碼 A-DEC138 譯碼 B-DEC138 譯碼 C-DECRGND74LS273.CLKCLR74LS273CLKCLR74LS175 CLKCLRGNDSE0SE1SE2SE3SE4SE5.D7 . D0WEA5 . A0 .OEA5 . A0 .OED7 . D0CSWE.D7 . D0CSWELDALDBLDRiLDSPLOADLDARLDIRP<1>P<2>P<3>P<4>LDPCSTICLIMA5.MA074LS245 G.74LS245.編程邏輯SD07 . SD00SA5 . SA0P2

25、.2 P2.1 P2.0CLRT2G74LS245 G74LS245 G.SD27 . SD20SD17 . SD10.圖 3-2-2 微程序控制器原理圖281628162816A5 . A0 .CSOE單片機CON單元西安唐都科教儀器公司27計算機組成原理實驗指導(dǎo)書西安唐都科教儀器公司 在實驗平臺中設(shè)有一組編程控制開關(guān) KK3、KK4、KK5（位于時序與操作臺單元），可實現(xiàn)對存儲器（包括存儲器和控制存儲器）的三種操作：編程、校驗、運行?？紤]到對于存儲器（包括存儲器和控制存儲器）的操作大多集中在一個地址連續(xù)的存儲空間中，實驗平臺提供了便利的手動操作方式。以向 00H 單元中寫入 332211

26、為例，對于控制存儲器進(jìn)行編輯的具體操作步驟如下：首先將 KK1 撥至停止檔、KK3 撥至編程檔、KK4 撥至控存檔、KK5 撥至置數(shù)檔，由 CON 單元的 SD05SD00 開關(guān)給出需要編輯的控存單元首地址（000000），IN 單元開關(guān)給出該控存單元數(shù)據(jù)的低 8 位（00010001） 連續(xù)兩次按動時序與操作臺單元的開關(guān)，ST（第一次按動后 MC 單元低 8 位顯示該單元以前存儲的數(shù)據(jù)，第二次按動后顯示當(dāng)前改動的數(shù)據(jù)），此時 MC 單元的指示燈 MA5MA0 顯示當(dāng)前地址（000000），M7M0 顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)（00010001）然后將 KK5 撥至。加 1 IN 單元開關(guān)給出該控存單元數(shù)據(jù)

27、的中 8 位檔，（00100010），連續(xù)兩次按動開關(guān) ST，完成對該控存單元中 8 位數(shù)據(jù)的修改，此時 MC 單元的指示燈 MA5 ；再由 IN 單元開關(guān)給MA0 顯示當(dāng)前地址（000000），M15M8 顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)（00100010）出該控存單元數(shù)據(jù)的高 8 位（00110011），連續(xù)兩次按動開關(guān) ST，完成對該控存單元高 8 位數(shù)據(jù)的修改此時 MC 單元的指示燈 MA5MA0 顯示當(dāng)前地址（000000），M23M16 顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)（00110011）。此時被編輯的控存單元地址會自動加 1（01H），由 IN 單元開關(guān)依次給出該控存單元數(shù)據(jù)的低 8 位、中 8 位和高 8 位配合每次

28、開關(guān) ST 的兩次按動，即可完成對后續(xù)單元的編輯。 編輯完成后需進(jìn)行校驗，以確保編輯的正確。以校驗 00H 單元為例，對于控制存儲器進(jìn)行校驗的具體操作步驟如下：首先將 KK1 撥至停止檔、KK3 撥至校驗檔、KK4 撥至控存檔、KK5 撥至置數(shù)檔。由 CON 單元的 SD05SD00 開關(guān)給出需要校驗的控存單元地址（000000），連續(xù)兩次按動開關(guān) ST，MC 單元指示燈 M7M0 顯示該單元低 8 位數(shù)據(jù)（00010001）；KK5 撥至加 1檔，再連續(xù)兩次按動開關(guān) ST，MC 單元指示燈 M15M8 顯示該單元中 8 位數(shù)據(jù)（00100010）；再連續(xù)兩次按動開關(guān) ST，MC 單元指示燈

29、M23M16 顯示該單元高 8 位數(shù)據(jù)（00110011）。再連續(xù)兩次按動開關(guān) ST，地址加 1，MC 單元指示燈 M7M0 顯示 01H 單元低 8 位數(shù)據(jù)。如校驗的微指令出錯，則返回輸入操作，修改該單元的數(shù)據(jù)后再進(jìn)行校驗，直至確認(rèn)輸入的微代碼全部準(zhǔn)確無誤為止，完成對微指令的輸入。28計算機組成原理實驗指導(dǎo)書西安唐都科教儀器公司 位于實驗平臺 MC 單元左上角一列三個指示燈 MC2、MC1、MC0 用來指示當(dāng)前操作的微程序字段，分別對應(yīng) M23M16、M15M8、M7M0。實驗平臺提供了比較靈活的手動操作方式，比如在上述操作中在對地址置數(shù)后將開關(guān) KK4 撥至減 1檔，則每次隨著開關(guān) ST

30、的兩次撥動操作，字節(jié)數(shù)依次從高 8 位到低 8 位遞減，減至低 8 位后，再按動兩次開關(guān)ST，微地址會自動減一，繼續(xù)對下一個單元的操作。 微指令字長共 24 位，控制位順序如表 3-2-1：表 3-2-1 微指令格式23M23 22M2221 20 19 18-15WR RD IOM S3-S014-12A字段11-9B字段 8-6C字段 5-0MA5-MA0A字段14 0 0 0 0 1 1 1 113 0 0 1 1 0 0 1 112 0 1 0 1 0 1 0 1選擇NOPLDALDBLDR0保留保留保留LDIR11 0 0 0 0 1 1 1 1B字段10 0 0 1 1 0 0 1

31、 19 選擇0 NOP1 ALU_B0 R0_B1 保留0 保留1 保留0 保留1 保留800001111C字段700110011601010101選擇NOPP<1>保留保留保留保留保留保留 其中 MA5MA0 為 6 位的后續(xù)微地址，A、B、C 為三個譯碼字段，分別由三個控制位譯碼出多位。C 字段中的 P<1>為測試字位。其功能是根據(jù)機器指令及相應(yīng)微代碼進(jìn)行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，從而實現(xiàn)完成對指令的識別，并實現(xiàn)微程序的分支，本系統(tǒng)上的指令譯碼原理如圖 3-2-3 所示，圖中 I7I2 為指令寄存器的第 72 位輸出，SE5SE0 為微控器單元微地址鎖存器

32、的強置端輸出，指令譯碼邏輯在 IR 單元的 INS_DEC（GAL20V8）中實現(xiàn)。 從圖 3-2-2 中也可以看出，微控器產(chǎn)生的控制信號比表 3-2-1 中的要多，這是因為實驗的不同，所需的控制信號也不一樣，本實驗只用了部分的控制信號。 本實驗除了用到指令寄存器（IR）和通用寄存器 R0 外，還要用到 IN 和 OUT 單元，從微控器出來的信號中只有 IOM、WR 和 RD 三個信號，所以對這兩個單元的讀寫信號還應(yīng)先經(jīng)過譯碼，其譯碼原理如圖 3-2-4 所示。 單元的原理圖如圖 3-2-5 所示， 單元原理如圖 3-2-7 所示，IRR0IN 單元的原理圖見圖 2-1-3 所示，OUT 單元

33、的原理圖見圖 3-2-6 所示。29計算機組成原理實驗指導(dǎo)書P<1>I2I6I7P<1>I3I6I7西安唐都科教儀器公司I4SE0I5SE1T4P<1>T4I6SE2T4P<1>T4I7SE3圖 3-2-3 指令譯碼原理圖圖 3-2-4 讀寫控制邏輯圖 3-2-5IR 單元原理圖圖 3-2-6 OUT 單元原理圖圖 3-2-7R0 原理圖 本實驗安排了四條機器指令，分別為 ADD（0000 0000） IN、 （0010 0000） OUT、（0011 0000）和 HLT（0101 0000），括號中為各指令的二進(jìn)制代碼，指令格式如下：助記符I

34、NADDOUTHLT機器指令碼0010 00000000 00000011 00000101 0000說明INR0R0 + R0 R0R0 OUT停機實驗中機器指令由 CON 單元的二進(jìn)制開關(guān)手動給出，其余單元的控制信號均由微程序控制器自動產(chǎn)生，為此可以設(shè)計出相應(yīng)的數(shù)據(jù)通路圖，見圖 3-2-8 所示。幾條機器指令對應(yīng)的參考微程序流程圖如圖 3-2-9 所示。圖中一個矩形方框表示一條微指30計算機組成原理實驗指導(dǎo)書西安唐都科教儀器公司令，方框中的內(nèi)容為該指令執(zhí)行的微操作，右上角的數(shù)字是該條指令的微地址，右下角的數(shù)字是該條指令的后續(xù)微地址，所有微地址均用 16 進(jìn)制表示。向下的箭頭指出了下一條要執(zhí)

35、行的指令。P<1>為測試字，根據(jù)條件使微程序產(chǎn)生分支。圖 3-2-8 數(shù)據(jù)通路圖00NOP01指令譯碼30P<1>ADD30IN32OUT33HLT35R0->A04IN->R0R0->OUTNOP35R0->B050101A+B->R001圖 3-2-9 微程序流程圖將全部微程序按微指令格式變成二進(jìn)制微代碼，可得到表 3-2-2 的二進(jìn)制代碼表。31計算機組成原理實驗指導(dǎo)書表 3-2-2 二進(jìn)制微代碼表地址0001040530323335十六進(jìn)制00 00 0100 70 7000 24 0504 B2 0100 14 0418 30 0

36、128 04 0100 00 35高五位0000000000000000000000000000110010100000S3-S000000000000010010000000000000000A 字段000111010011001011000000B 字段000000010001010000010000C 字段000001000000000000000000西安唐都科教儀器公司MA5-MA00000011100000001010000010001000000010000011101013.2.4實驗步驟1. 按圖 3-2-10 所示連接實驗線路，仔細(xì)查線無誤后接通電源。如果有滴報警聲，說明總

37、線有競爭現(xiàn)象，應(yīng)關(guān)閉電源，檢查接線，直到錯誤排除。圖 3-2-10 實驗接線圖 2. 對微控器進(jìn)行讀寫操作，分兩種情況：手動讀寫和聯(lián)機讀寫。 1) 手動讀寫 (1) 手動對微控器進(jìn)行編程（寫） 將時序與操作臺單元的開關(guān) KK1 置為停止檔，KK3 置為編程檔，KK4 置為控存檔，KK5 置為置數(shù)檔。32計算機組成原理實驗指導(dǎo)書西安唐都科教儀器公司 使用 CON 單元的 SD05SD00 給出微地址，IN 單元給出低 8 位應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān) ST，將 IN 單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的低 8 位。 將時序與操作臺單元的開關(guān) KK5 置為加 1檔。 IN 單元給出中 8 位應(yīng)

38、寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān) ST， IN 單元的將數(shù)據(jù)寫到該單元的中 8 位。IN 單元給出高 8 位應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān) ST，將 IN 單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的高 8 位。 重復(fù)、四步，將表 3-2-2 的微代碼寫入 2816 芯片中。 (2) 手動對微控器進(jìn)行校驗（讀） 將時序與操作臺單元的開關(guān) KK1 置為停止檔，KK3 置為校驗檔，KK4 置為控存檔，KK5 置為置數(shù)檔。 使用 CON 單元的 SD05SD00 給出微地址，連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān) ST，MC 單元的指數(shù)據(jù)指示燈 M7M0 顯示該單元的低 8 位。 將時序與操作臺單元的開關(guān)

39、 KK5 置為加 1檔。 連續(xù)兩次按動時序與操作臺的開關(guān) ST， 單元的指數(shù)據(jù)指示燈 M15M8 顯示該單MC元的中 8 位，MC 單元的指數(shù)據(jù)指示燈 M23M16 顯示該單元的高 8 位。 重復(fù)、四步，完成對微代碼的校驗。如果校驗出微代碼寫入錯誤，重新寫入、校驗，直至確認(rèn)微指令的輸入無誤為止。 2) 聯(lián)機讀寫 (1) 將微程序?qū)懭胛募?聯(lián)機軟件提供了微程序下載功能，以代替手動讀寫微控器，但微程序得以指定的格式寫入到以 TXT 為后綴的文件中，微程序的格式如下：微指令格式說明:$MXXXXXXXX微指令代碼十六進(jìn)制地址微指令標(biāo)志如$M 1F 112233，表示微指令的地址為 1FH，微指令值為

40、 11H（高）、22H（中）、33H（低），本次實驗的微程序如下，其中分號；為注釋符，分號后面的內(nèi)容在下載時將被忽略掉。(2) 寫入微程序用聯(lián)機軟件的“【轉(zhuǎn)儲】【裝載】”功能將該格式（*.TXT）文件裝載入實驗系統(tǒng)。裝入過程中，在軟件的輸出區(qū)的結(jié)果欄會顯示裝載信息，如當(dāng)前正在裝載的是機器指令還是微指令，還剩多少條指令等。(3) 校驗微程序選擇聯(lián)機軟件的“【轉(zhuǎn)儲】【刷新指令區(qū)】”可以讀出下位機所有的機器指令和微指令，并在指令區(qū)顯示。檢查微控器相應(yīng)地址單元的數(shù)據(jù)是否和表 3-2-2 中的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)相同，如果不同，則說明寫入操作失敗，應(yīng)重新寫入，可以通過聯(lián)機軟件單獨修改某個單元的微指令，先用鼠標(biāo)左

41、鍵單擊指令區(qū)的微存TAB 按鈕，然后再單擊需修改單元的數(shù)據(jù)，此時該單元變?yōu)榫庉嬁颍斎?6 位數(shù)據(jù)并回車，編輯框消失，并以紅色顯示寫入的數(shù)據(jù)。33計算機組成原理實驗指導(dǎo)書; /* / / /微控器實驗指令文件/ / /By TangDu CO.,LTD/ / /* / /* Start Of MicroController Data * / $M 00 000001; NOP $M 01 007070; CON(INS)->IR, P<1> $M 04 002405; R0->B $M 05 04B201; A 加 B->R0 $M 30 001404; R0-&

42、gt;A $M 32 183001; IN->R0 $M 33 280401; R0->OUT $M 35 000035; NOP; /* End Of MicroController Data * /西安唐都科教儀器公司 3. 運行微程序 運行時也分兩種情況：本機運行和聯(lián)機運行。 1) 本機運行 將時序與操作臺單元的開關(guān) KK1、KK3 置為運行檔，按動 CON 單元的 CLR 按鈕，將微地址寄存器（MAR）清零，同時也將指令寄存器（IR）、ALU 單元的暫存器 A 和暫存器 B清零。 將時序與操作臺單元的開關(guān) KK2 置為單拍檔，然后按動 ST 按鈕，體會系統(tǒng)在 T1、T2、T

43、3、T4 節(jié)拍中各做的工作。T2 節(jié)拍微控器將后續(xù)微地址（下條執(zhí)行的微指令的地址）打入微地址寄存器，當(dāng)前微指令打入微指令寄存器，并產(chǎn)生執(zhí)行部件相應(yīng)的控制信號；T3、T4 節(jié)拍根據(jù) T2 節(jié)拍產(chǎn)生的控制信號做出相應(yīng)的執(zhí)行動作，如果測試位有效，還要根據(jù)機器指令及當(dāng)前微地址寄存器中的內(nèi)容進(jìn)行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，實現(xiàn)微程序的分支。 按動 CON 單元的 CLR 按鈕，清微地址寄存器（MAR）等，并將時序與單元的開關(guān) KK2置為單步檔。 置 IN 單元數(shù)據(jù)為 00100011，按動 ST 按鈕，當(dāng) MC 單元后續(xù)微地址顯示為 000001 時，在 CON 單元的 SD27SD20 模擬給

44、出 IN 指令 00100000 并繼續(xù)單步執(zhí)行， MC 單元后續(xù)微地當(dāng)址顯示為 000001 時，說明當(dāng)前指令已執(zhí)行完；在 CON 單元的 SD27SD20 給出 ADD 指令00000000，該指令將會在下個 T3 被打入指令寄存器（IR），它將 R0 中的數(shù)據(jù)和其自身相加后送R0；接下來在 CON 單元的 SD27SD20 給出 OUT 指令 00110000 并繼續(xù)單步執(zhí)行，在 MC 單元后續(xù)微地址顯示為 000001 時，觀查 OUT 單元的顯示值是否為 01000110。 2) 聯(lián)機運行 聯(lián)機運行時，進(jìn)入軟件界面，在菜單上選擇【實驗】【微控器實驗】，打開本實驗的數(shù)據(jù)通路圖，也可以通

45、過工具欄上的下拉框打開數(shù)據(jù)通路圖，數(shù)據(jù)通路圖如圖 3-2-8 所示。 將時序與操作臺單元的開關(guān) KK1、KK3 置為運行檔，按動 CON 單元的總清開關(guān)后，按動軟件中單節(jié)拍按鈕，當(dāng)后續(xù)微地址（通路圖中的 MAR）為 000001 時，置 CON 單元SD27SD20，產(chǎn)生相應(yīng)的機器指令，該指令將會在下個 T3 被打入指令寄存器（IR），在后面的節(jié)拍中將執(zhí)行這條機器指令。仔細(xì)觀察每條機器指令的執(zhí)行過程，體會后續(xù)微地址被強置轉(zhuǎn)換的過程，這是計算機識別和執(zhí)行指令的根基。也可以打開微程序流程圖，跟蹤顯示每條機器指令的執(zhí)行過程。按本機運行的順序給出數(shù)據(jù)和指令，觀查最后的運算結(jié)果是否正確。34計算機組成原

46、理實驗指導(dǎo)書西安唐都科教儀器公司35計算機組成原理實驗指導(dǎo)書西安唐都科教儀器公司第4章系統(tǒng)總線與總線接口總線是計算機中連接各個功能部件的紐帶，是計算機各部件之間進(jìn)行信息傳輸?shù)墓餐??？偩€不只是一組簡單的信號傳輸線，它還是一組協(xié)議。分時與共享是總線的兩大特征。所謂共享，在總線上可以掛接多個部件，它們都可以使用這一信息通路來和其他部件傳送信息。所謂分時，同一總線在同一時刻，只能有一個部件占領(lǐng)總線發(fā)送信息，其他部件要發(fā)送信息得在該部件發(fā)送完釋放總線后才能申請使用?？偩€結(jié)構(gòu)是決定計算機性能、功能、可擴(kuò)展性和標(biāo)準(zhǔn)化程度的重要因素。本章安排了三個實驗：系統(tǒng)總線和具有基本輸入輸出功能的總線接口實驗、具有中

47、斷控制功能的總線接口實驗和具有 DMA 控制功能的總線接口實驗。4.1 系統(tǒng)總線和具有基本輸入輸出功能的總線接口實驗4.1.1實驗?zāi)康?理解總線的概念及其特性。2掌握控制總線的功能和應(yīng)用。4.1.2實驗設(shè)備PC 機一臺，TD-CMA 實驗系統(tǒng)一套。4.1.3實驗原理 由于存儲器和輸入、輸出設(shè)備最終是要掛接到外部總線上，所以需要外部總線提供數(shù)據(jù)信號、地址信號以及控制信號。在該實驗平臺中，外部總線分為數(shù)據(jù)總線、地址總線、和控制總線，分別為外設(shè)提供上述信號。外部總線和 CPU 內(nèi)總線之間通過三態(tài)門連接，同時實現(xiàn)了內(nèi)外總線的分離和對于數(shù)據(jù)流向的控制。地址總線可以為外部設(shè)備提供地址信號和片選信號。由地址

48、總線的高位進(jìn)行譯碼，系統(tǒng)的 I/O 地址譯碼原理見圖 4-1-1（在地址總線單元）。由于使用 A6、A7 進(jìn)行譯碼， I/O 地址空間被分為四個區(qū)，如表 4-1-1 所示：Y10NY11NY12NY13NY20NY21NY22NY23NIOY0IOY1IOY2IOY3A6A7A1B1A2B2G1NG2NGND圖 4-1-1 I/O 地址譯碼原理圖3674LS139計算機組成原理實驗指導(dǎo)書表 4-1-1 I/O 地址空間分配西安唐都科教儀器公司A7A600011011選定IOY0IOY1IOY2IOY3地址空間00-3F40-7F80-BFC0-FF 為了實現(xiàn)對于 MEM 和外設(shè)的讀寫操作，還需

49、要一個讀寫控制邏輯，使得 CPU 能控制 MEM和 I/O 設(shè)備的讀寫，實驗中的讀寫控制邏輯如圖 4-1-2 所示，由于 T3 的參與，可以保證寫脈寬與 T3 一致，T3 由時序單元的 TS3 給出（時序單元的介紹見附錄 2）。IOM 用來選擇是對 I/O 設(shè)備還是對 MEM 進(jìn)行讀寫操作，IOM=1 時對 I/O 設(shè)備進(jìn)行讀寫操作，IOM=0 時對 MEM 進(jìn)行讀寫操作。RD=1 時為讀，WR=1 時為寫。RDXMRDT3XMWRWRXIOWIOMXIOR圖 4-1-2 讀寫控制邏輯在理解讀寫控制邏輯的基礎(chǔ)上我們設(shè)計一個總線傳輸?shù)膶嶒?。實驗所用總線傳輸實驗框圖如圖 4-1-3 所示，它將幾種

50、不同的設(shè)備掛至總線上，有存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、寄存器。這些設(shè)備都需要有三態(tài)輸出控制，按照傳輸要求恰當(dāng)有序的控制它們，就可實現(xiàn)總線信息傳輸。圖 4-1-3 總線傳輸實驗框圖4.1.4實驗步驟1讀寫控制邏輯設(shè)計實驗。（1）按照圖 4-1-4 實驗接線圖進(jìn)行連線。37計算機組成原理實驗指導(dǎo)書西安唐都科教儀器公司圖 4-1-4 實驗接線圖 （2）具體操作步驟圖示如下： 首先將時序與操作臺單元的開關(guān) KK1、KK3 置為運行檔，開關(guān) KK2 置為單拍檔，按動 CON 單元的總清按鈕 CLR，并執(zhí)行下述操作。 對 MEM 進(jìn)行讀操作（WR=0，RD=1，IOM=0），此時 E0 滅,表示存儲器讀功能信號有 效。 對 MEM 進(jìn)行寫操作（WR=1，RD=0，IOM=0），連續(xù)按動開關(guān) ST，觀察擴(kuò)展單元數(shù)據(jù) 指示燈，指示燈顯示為 T3 時刻時，E1 滅,表示存儲器寫功能信號有效。 對 I/O 進(jìn)行讀操作（WR=0