CPTH計(jì)算機(jī)組成原理試驗(yàn)指導(dǎo)書

第一章系統(tǒng)概述DJ-CPTH簡介DJ-CPTH型計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)<以下簡稱系統(tǒng)>,是由啟東市東疆計(jì)算機(jī)有限公司結(jié)合國內(nèi)同類產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，最新研制開發(fā)的超強(qiáng)型實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)裝置<以下簡稱模型機(jī)〉。該系統(tǒng)采用單片機(jī)管理和EDA控制技術(shù)，自帶鍵盤和液晶顯示器，支持脫機(jī)和聯(lián)PC機(jī)兩種工作模式，運(yùn)用系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)碼管等實(shí)時(shí)監(jiān)視，全面動(dòng)態(tài)管理模型機(jī)的運(yùn)行和內(nèi)部資源。模型機(jī)軟硬件配置完整，支持8位字長的多種尋址方式，指令豐富，系統(tǒng)支持RS-232C串行通訊，并配有以win98/2000/XP為操作平臺(tái)的動(dòng)態(tài)跟蹤集成調(diào)試軟件，示教效果極佳，特別適用于計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)。DJ-CPTH特點(diǎn)1、采用總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)具有結(jié)構(gòu)清晰，擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)。DJ-CPTH實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用三組總線即地址總線ABUS、數(shù)據(jù)總線DBUS、指令總線IBUS和控制信號(hào)，CPU、主存、外設(shè)和管理單片機(jī)等部件之間通過外部數(shù)據(jù)總線傳輸，CPU內(nèi)部則通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線傳輸信息。各部件之間，通過三態(tài)緩沖器作接口連接，這樣一方面增強(qiáng)總線驅(qū)動(dòng)能力，另一方面在模型機(jī)停機(jī)時(shí)，三態(tài)門輸出浮空，能保證不管模型機(jī)的CPU工作是否正常，管理單片機(jī)總能讀/寫主存或控存。2、計(jì)算機(jī)功能模塊化設(shè)計(jì)DJ-CPTH為實(shí)驗(yàn)者提供運(yùn)算器模塊ALU,眾多寄存器模塊（A,W,IA,ST,MAR,R0…R3等），程序計(jì)數(shù)器模塊PC,指令部件模塊IR,主存模塊EM,微程序控制模塊〈控存〉uM,微地址計(jì)數(shù)器模塊UPC,組合邏輯控制模塊及I/O等控制模塊。各模塊間的電源線、地線、地址總線和數(shù)據(jù)總線等已分別連通，模塊內(nèi)各芯片間數(shù)據(jù)通路也已連好，各模塊的控制信號(hào)及必要的輸出信號(hào)已被引出到主板插孔，供實(shí)驗(yàn)者按自己的設(shè)計(jì)進(jìn)行連接。3、智能化控制系統(tǒng)在單片機(jī)監(jiān)控下，管理模型機(jī)運(yùn)行和讀寫，當(dāng)模型機(jī)停機(jī)時(shí)，實(shí)驗(yàn)者可通過系統(tǒng)鍵盤，讀寫主存或控存指定單元的內(nèi)容，使模型機(jī)實(shí)現(xiàn)在線開發(fā)。模型機(jī)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)提供單步一條微指令（微單步）、單步一條機(jī)器指令（程單步），連續(xù)運(yùn)行程序及無限止暫停等調(diào)試手段，能動(dòng)態(tài)跟蹤數(shù)據(jù)，流向、捕捉各種控制信息，實(shí)時(shí)反映模型機(jī)現(xiàn)場，使實(shí)驗(yàn)者及時(shí)了解程序和微程序設(shè)計(jì)的正確性，便以修改。4、提供兩種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ舰偈謩?dòng)運(yùn)行"Hand……”：通過撥動(dòng)開關(guān)和發(fā)光二極管二進(jìn)制電平顯示，支持最底層的手動(dòng)操作方式的輸入/輸出和機(jī)器調(diào)試。②自動(dòng)運(yùn)行：通過系統(tǒng)鍵盤及液晶顯示器或PC機(jī)，直接接輸入或編譯裝載用戶程序<機(jī)器碼程序和微程序>,實(shí)現(xiàn)微程序控制運(yùn)行，運(yùn)用多種調(diào)試手段運(yùn)行用戶程序，使實(shí)驗(yàn)者對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理一目了然。5、開放性設(shè)計(jì)運(yùn)算器采用了EDA技術(shù)設(shè)計(jì)，隨機(jī)出廠時(shí)，已提供一套已裝載的方案，能進(jìn)行加、減、與、或、帶進(jìn)位加、帶進(jìn)位減、取反、直通八種運(yùn)算方式，若用戶不滿意該套方案，可自行重新設(shè)計(jì)并通過JTAG口下載。邏輯控制器由CPLD實(shí)現(xiàn)，也可進(jìn)行重新設(shè)計(jì)并通過JTAG口下載。用戶還可以設(shè)計(jì)自己的指令/微指令系統(tǒng)。系統(tǒng)中已帶三套指令/微程序系統(tǒng)，用戶可參照來設(shè)計(jì)新的指令/微程序系統(tǒng)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)線、地址線、控制線均在總線接口區(qū)引出，并設(shè)計(jì)了40芯鎖進(jìn)插座，供用戶進(jìn)行RAM、8251、8255、8253、8259等接口器件的擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)。6、支持中斷實(shí)驗(yàn)采用最底層的器件設(shè)計(jì)，讓學(xué)生可以從微程序?qū)用嫔蠈W(xué)習(xí)中斷請(qǐng)求、中斷響應(yīng)、中斷處理、中斷入口地址的產(chǎn)生、中斷服務(wù)程序及中斷返回（RETI）整個(gè)過程。7、支持兩種控制器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供兩種控制器方式，即微程序控制器和組合邏輯控制器。在微程序控制器中，系統(tǒng)能提供在線編程，實(shí)時(shí)修改程序，顯示程序并進(jìn)行調(diào)試的操作環(huán)境。組合邏輯控制器，已下載有一套完整的實(shí)驗(yàn)方案，用戶也可使用CPLD工具在PC機(jī)上進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)。8、支持子程序調(diào)用、返回、指令流水線和RISC精簡指令系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。9、配備以Win98/2000/XP為操作平臺(tái)的集成調(diào)試軟件包系統(tǒng)支持RS-232C串行通訊，借助PC資源形成了強(qiáng)大的在線文檔與圖形的動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)，自帶編譯器，支持匯編語言的編輯、編譯、調(diào)試，一次點(diǎn)擊即可完成程序和與其對(duì)應(yīng)微程序的鏈接裝載并自動(dòng)彈出調(diào)試窗口，在主界面中開辟了程序和與其對(duì)應(yīng)微程序的調(diào)試、模型機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖（點(diǎn)擊各模塊即可修改雙向模塊參數(shù)）、微程序等跟蹤顯示窗口，供用戶選擇，可動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)流向、實(shí)時(shí)捕捉數(shù)據(jù)、地址、控制總線的各種信息，使調(diào)試過程極為生動(dòng)形象。1.3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成CPTH計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、開關(guān)電源、軟件三大部分組成。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上有寄存器組R0-R3、運(yùn)算單元、累加器A、暫存器W、直通/左移/右移單元、地址寄存器、程序計(jì)數(shù)器、堆棧、中斷源、輸入/輸出單元、存儲(chǔ)器單元、微地址寄存器、指令寄存器、微程序控制器、組合邏輯控制器、擴(kuò)展單元、總線接口區(qū)、微動(dòng)開關(guān)/指示燈、邏輯筆、脈沖源、管理單片機(jī)、24個(gè)按鍵、字符式LCD、RS232。第二章模型機(jī)模塊實(shí)驗(yàn)對(duì)于硬件的描述可以有多種方法：如原理圖，真值表，高級(jí)語言（本手冊使用ABEL/VHDL）,時(shí)序圖等，在本手冊中可以使用以上的四種方式來綜合描述硬件。2.1寄存器實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)要求：利用CPTH實(shí)驗(yàn)儀上的K16..K23開關(guān)做為DBUS的數(shù)據(jù)，其它開關(guān)做為控制信號(hào)，將數(shù)據(jù)寫入寄存器，這些寄存器包括累加器A,工作寄存器W,數(shù)據(jù)寄存器組R0..R3,地址寄存器MAR,堆棧寄存器ST,輸出寄存器OUT。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私饽Ｐ蜋C(jī)中各種寄存器結(jié)構(gòu)、工作原理及其控制方法。實(shí)驗(yàn)電路：寄存器的作用是用于保存數(shù)據(jù)的，因?yàn)槲覀兊哪Ｐ蜋C(jī)是8位的，因此在本模型機(jī)中大部寄存器是8位的，標(biāo)志位寄存器（Cy,Z）是二位的。CPTH用74HC574來構(gòu)成寄存器。74HC574的功能如下:<OCX<<OCX<C1X__/(073(DC<?5__><_I>3＜因x_z<uo74HC574iH工□CIDLQ2D2Q3D3Q4D4Q5D5Q皎6QTO7Q8D8Q1P_<3?>417>516>615>714>81?>912>x.223Q6)Q3>Q4〉Q3>Q￡Q1Q01.在CLK的上升沿將輸入端的數(shù)據(jù)打入到8個(gè)觸發(fā)器中2.當(dāng)OC=1時(shí)觸發(fā)器的輸出被關(guān)閉，當(dāng)OC=0時(shí)觸發(fā)器的輸出數(shù)據(jù)OCCLKQ7QQ注釋IZZZZZZZZ0c為1時(shí)觸發(fā)器的輸出被關(guān)閉0FQ7..Q0當(dāng)OC=OW觸發(fā)器的教據(jù)輸出0iQ7..Q01當(dāng)時(shí)料為后時(shí)，觸發(fā)器保持?jǐn)?shù)據(jù)不變XTD7..DJ在CLK的上升沿將輸入端的數(shù)據(jù)打入到觸發(fā)器中

74HC574工作波形圖實(shí)驗(yàn)1:A,W寄存器實(shí)驗(yàn)74HC32DBUM?\DBUSJ>，、DBUS4><DBU&]>DBUMJ>DBUS1>;DBUSO><WEN寄存器A原理圖7-CK；3J了距即4<DBUS7_><DHUS-6>、DHU演j74HC574工作波形圖實(shí)驗(yàn)1:A,W寄存器實(shí)驗(yàn)74HC32DBUM?\DBUSJ>，、DBUS4><DBU&]>DBUMJ>DBUS1>;DBUSO><WEN寄存器A原理圖7-CK；3J了距即4W1W15W5wW3W2wTWDW1W15W5wW3W2wTWDTOC\o"1-5"\h\zAEN|WEN||""DBUS[7:0]55H乂66H一A[7:0]XX乂55H一W[7:0]XXX66HCLK|||_|寄存器A,W寫工作波形圖連接線表：連接信用1接人孔作用狀態(tài)由B月1J1座J漉1%K23-K1?APBUS[7：O]實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ蕉謩?dòng)2AENK3選通A任由平有效3WENK4選iw低電平有效4CKas總LU工怫沖上升沿打入系統(tǒng)清零和手動(dòng)狀態(tài)設(shè)定：K23-K16開關(guān)置零，按［RST］鈕，按［TV/ME］鍵三次，進(jìn)入