計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

一．計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)的任務(wù)計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)是計(jì)算機(jī)組成原理課程的一部分，它的任務(wù)是：能、總線結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和微指令的實(shí)現(xiàn)及CPU內(nèi)部如何工作有直觀、深刻的認(rèn)識(shí)。2.培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題及動(dòng)手能力。二．實(shí)驗(yàn)設(shè)備于實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)、實(shí)驗(yàn)軟件的運(yùn)行及調(diào)試等。計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀由寄存器組由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、微關(guān)/指示燈、邏輯筆、脈沖源、20個(gè)按鍵、字符式LCD、R驗(yàn)儀可完成計(jì)算機(jī)組成原理中有關(guān)CPU的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。所有的計(jì)算機(jī)組成原理課程實(shí)驗(yàn)都是在三．對(duì)參加實(shí)驗(yàn)學(xué)生的要求1.閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，復(fù)習(xí)與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的理論知識(shí)，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，了解?nèi)容和方法。2.按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書要求進(jìn)行接線和操作，經(jīng)檢查和指導(dǎo)老3.在實(shí)驗(yàn)中注意觀察思考，記錄有關(guān)數(shù)據(jù)，并由指導(dǎo)教師復(fù)查后才能結(jié)束實(shí)驗(yàn)。*注：本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書適用于計(jì)算機(jī)組成原理A課程。一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解計(jì)算機(jī)中通用寄存器R0、R1、R2、R3的結(jié)構(gòu)、工作原理及其控制方法。2.完成指定數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀出。二．實(shí)驗(yàn)設(shè)備及器材配置1.計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀。實(shí)驗(yàn)線路器件包括：三．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容五．實(shí)驗(yàn)步驟1J1座J3座將K23-K16接入DBUS[7:0]2RRDK11寄存器組讀使能低電平有效3RWRK10寄存器組寫使能低電平有效6RCKCLOCK寄存器工作脈沖上升沿打入2.步驟（1）將11H寫入R0寄存器二進(jìn)制開關(guān)K23-K16用于二進(jìn)制開關(guān)K23-K16用于DBUS[7:0]的數(shù)據(jù)輸入，置數(shù)據(jù)11HK23K22K21K20K19K18K17K16————K11(RRD)K10(RWR)K1(SB)K0(SA)————存器。放開CLOCK鍵，CLOCK由低變高，產(chǎn)生一個(gè)上升沿，數(shù)據(jù)11H被寫入R0寄存器。K10(K10(RWR)1K11(RRD)0K0(SA)0K1(SB)0DBUS:1100010001.將K11(RRD)置為1,關(guān)閉R0寄存器輸出.六．思考2.為什么數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的時(shí)候需要時(shí)鐘的上升沿，而在讀數(shù)據(jù)的時(shí)候不需要時(shí)鐘的上升沿。一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解計(jì)算機(jī)中算術(shù)、邏輯運(yùn)算單元的控制方法。2.完成指定數(shù)據(jù)的運(yùn)算。二．實(shí)驗(yàn)設(shè)備及器材配置1.計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)線路器件包括：兩片74HC32，兩片74HC574，一片可編程芯三．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容利用實(shí)驗(yàn)儀上的數(shù)據(jù)輸入開關(guān)設(shè)定數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)定控制信號(hào)將數(shù)據(jù)寫入累加器A和工作寄存器W中，并用控制信號(hào)設(shè)置ALU的運(yùn)算方式，實(shí)驗(yàn)運(yùn)算器的功能。運(yùn)算器由一片運(yùn)算結(jié)果輸出到直通門D。000A+W加001A-W減010A|W或011A&W與100101110111五．實(shí)驗(yàn)步驟1J1座J3座將K23-K16接入DBUS[7:0]4S2K2運(yùn)算器功能選擇8ALUCKCLOCKALU工作脈沖上升沿打入2.步驟（1）將55H寫入A寄存器二進(jìn)制開關(guān)K23-K16用于DBUS[7:0]的數(shù)據(jù)輸入，置數(shù)據(jù)55H110001100K4(WEN)1K3(AEN)0K1(S1)0K0(S0)0K2(S2)0器。放開CLOCK鍵，CLOCK由低變高，產(chǎn)生一個(gè)上升沿，數(shù)據(jù)55H被寫入A寄存器。（2）同理將33H寫入W寄存器3.驗(yàn)證運(yùn)算器的運(yùn)算結(jié)果六．思考1.實(shí)驗(yàn)完成后，仔細(xì)思考數(shù)據(jù)是如何被存儲(chǔ)在累加器A和工作寄存器W中，數(shù)據(jù)又是如2.想一想如何構(gòu)建功能更加強(qiáng)大的運(yùn)算器。一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)、工作原理及其控制方法。2.實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的讀寫操作。二．實(shí)驗(yàn)設(shè)備及器材配置1.計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)線路器件包括：三．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容存儲(chǔ)器EM由一片6116RAM構(gòu)成，通過一片74HC245與數(shù)據(jù)總線相連。存儲(chǔ)器EM的地址可選擇由PC或MAR提供。存儲(chǔ)器EM的數(shù)據(jù)輸出直接接到指令總線IBUS，指令總線IBUS的數(shù)據(jù)還可以來自一片74HC245。五．實(shí)驗(yàn)步驟1J2座J3座將K23-K16接入DBUS[7:0]2PCOEK5PC輸出地址低電平有效3MAROEK4MAR輸出地址低電平有效4MARENK3MAR寫允許低電平有效5EMENK2存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)總線相連低電平有效6EMRDK1存儲(chǔ)器讀允許低電平有效7EMWRK0存儲(chǔ)器寫允許低電平有效8PCCKCLOCKPC工作脈沖上升沿打入9MARCKCLOCKMAR工作脈沖上升沿打入2.步驟（1）PC/MAR輸出地址選擇K5(K5(PCOE)K4(MAROE)地址總線紅色地址輸出指示燈01PC輸出地址PC地址輸出指示燈亮10MAR輸出地址MAR地址輸出指示燈亮11地址總線浮空00錯(cuò)誤,PC及MAR同時(shí)輸出PC及MAR地址輸出指示燈亮理解總線沖突的概念，以下存貯器EM實(shí)驗(yàn)均由MAR提供地址。（2）存儲(chǔ)器EM寫二進(jìn)制開關(guān)K23-K16用于DBUS[7:0]的數(shù)據(jù)輸入，置數(shù)據(jù)00HK23K22K21K20K19K18K17K16——————K5(PCOE)K4(MAROE)K3(MAREN)K2(EMEN)K1(EMRD)K0(EM——————按CLOCK鍵,將地址0寫入MAR將地址11H寫入EM[0]二進(jìn)制開關(guān)K23-K16用于DBUS[7:0]的數(shù)據(jù)輸入，置數(shù)據(jù)11H————————K23K22K21K20K19K18K17K16————————110101按CLOCK鍵,將地址11H寫入EM[0]同理，將地址01H寫入MAR，將地址22H寫入EM[1]。（3）存儲(chǔ)器EM讀二進(jìn)制開關(guān)K23-K16用于DBUS[7:0]的數(shù)據(jù)輸入，置數(shù)據(jù)00HK23K22K21K20K19K18K17K16——————K5(PCOE)K4(MAROE)K3(MAREN)K2(EMEN)K1(EMRD)K0(EMW——————按CLOCK鍵,將地址0寫入MAR——————K5(PCOE)K4(MAROE)K3(MAREN)K2(EMEN)K1(EMRD)K0(EM——————EM[0]被讀出:11H同樣的方法，將地址01H寫入MAR，讀EM[1]：22H。五．思考1.實(shí)驗(yàn)完成后，仔細(xì)思考存儲(chǔ)器是如何讀寫數(shù)據(jù)的。2.深刻理解總線沖突的含義。實(shí)驗(yàn)四PC實(shí)驗(yàn)一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解計(jì)算機(jī)中累加器A的結(jié)構(gòu)、工作原理及其控制方法。2.完成指定數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。二．實(shí)驗(yàn)設(shè)備及器材配置1.計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)線路器件包括：三．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容利用實(shí)驗(yàn)儀上的數(shù)據(jù)輸入開關(guān)設(shè)定數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)定控制信號(hào)完成PC數(shù)據(jù)的預(yù)置和加一。PC原理圖當(dāng)LDPC=0時(shí)，在CK的上升沿，預(yù)置數(shù)據(jù)被打入PC記數(shù)器PC打入控制原理圖PC打入控制電路由一片74HC151八選一構(gòu)成。LDPCLDPC101010X00001X0011XELP100000CyX10XXXZXXX0X五．實(shí)驗(yàn)步驟有效電平有效電平1J2座J3座將K23-K16接入DBUS[7:0]2PCOEK5PC輸出到地址總線低電平有效5JRZK6JRCK1C標(biāo)志輸入7ELPK0預(yù)置允許低電平8PCCKCLOCKPC工作脈沖上升沿打入2.步驟PC加一K0（ELP）1K5（K0（ELP）10二進(jìn)制開關(guān)K23-K16用于DBUS[7:0]的數(shù)據(jù)輸入，置數(shù)據(jù)12HK23K22K21K20K19K18K17K16ELPELP(K5)IR3(K4)IR2(K3)JRZ(K1)JRC(K0)LDPC黃色PC預(yù)置指示燈1XXXX1滅000X10亮000X01滅0011X0亮0010X1滅01XXX0亮每置控制信號(hào)后，按一下CLOCK鍵，觀察PC的變化。六．思考實(shí)驗(yàn)完成后，仔細(xì)思考PC是如何預(yù)置數(shù)據(jù)和進(jìn)行加一的。一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解計(jì)算機(jī)中微程序控制器的工作原理。2.了解微程序控制器下，計(jì)算機(jī)是如何執(zhí)行指令的。二．實(shí)驗(yàn)設(shè)備及器材配置三．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)一段程序，在微程序控制器下，了解計(jì)算機(jī)是如何執(zhí)行指令的。COP2000模型機(jī)包括了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)CPU所具備所有部件，這些部件包括：運(yùn)算器ALU、累加器A、工作寄存器W、左移門L、直通門D、右移門R、寄存器組R0-R3、程序計(jì)數(shù)器PC、地址寄存器MAR、堆棧寄存器ST、中斷向量寄存器IA、輸入端口IN、輸出端口寄存器OUT、程序存儲(chǔ)器EM、指令寄存器IR、微程序計(jì)數(shù)器uPC、微程序存儲(chǔ)器uM，以及中斷控制電路、跳轉(zhuǎn)控制電路。其中運(yùn)算器和中斷控制電路以及跳轉(zhuǎn)控制電路用CPLD來實(shí)現(xiàn)，其它電路都是用離總線、地址總線都為8位，但其工作原理與16位機(jī)相同。相比而言8位機(jī)實(shí)驗(yàn)減少了煩瑣的可以有0到2個(gè)操作數(shù)。指令碼的最低兩位用來選擇R0-R3寄存器，在微程序控制方式中，XRD：外部設(shè)備讀信號(hào)，當(dāng)給出了外設(shè)的地址后，輸出此信號(hào)，從指定外設(shè)讀數(shù)據(jù)。EMWR：程序存儲(chǔ)器EM寫信號(hào)。EMRD：程序存儲(chǔ)器EM讀信號(hào)。PCOE：將程序計(jì)數(shù)器PC的值送到地址總線ABUS上。EMEN：將程序存儲(chǔ)器EM與數(shù)據(jù)總線DBUS接通，由EMWR和EMRD決定是將DBUS數(shù)據(jù)寫到EM中，還是從EM讀出數(shù)據(jù)送到DBUS。IREN：將程序存儲(chǔ)器EM讀出的數(shù)據(jù)打入指令寄存器IR和微指令計(jì)數(shù)器uPC。EINT：中斷返回時(shí)清除中斷響應(yīng)和中斷請(qǐng)求標(biāo)志，便于下次中斷。ELP：PC打入允許，與指令寄存器的IR3、IR2位結(jié)合，控制程序跳轉(zhuǎn)。MAREN：將數(shù)據(jù)總線DBUS上數(shù)據(jù)打入地址寄存器MAR。MAROE：將地址寄存器MAR的值送到地址總線ABUS上。OUTEN：將數(shù)據(jù)總線DBUS上數(shù)據(jù)送到輸出端口寄存器OUT里。STEN：將數(shù)據(jù)總線DBUS上數(shù)據(jù)存入堆棧寄存器ST中。RRD：讀寄存器組R0-R3，寄存器R?的選擇由指令的最低兩位決定。RWR：寫寄存器組R0-R3，寄存器R?的選擇由指令的最低兩位決定。FEN：將標(biāo)志位存入ALU內(nèi)部的標(biāo)志寄存器。X2：X2、X1、X0三位組合來譯碼選擇將數(shù)據(jù)送到DBUS上的寄存器。WEN：將數(shù)據(jù)總線DBUS的值打入工作寄存器W中。AEN：將數(shù)據(jù)總線DBUS的值打入累加器A中。S2：S2、S1、S0三位組合決定ALU做何種運(yùn)算。尋址累加器A，例如“OUT”是將累加器A的值輸出到輸出端口寄存器OUT。R0的值加上累加器A的值，再存入累加器A中。A，@R1”指令是將寄存器R1的值做為地址，把存儲(chǔ)器EM中該地址的內(nèi)容送入累加器存儲(chǔ)器直接尋址：參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器EM中，器A中減去立即數(shù)10H，結(jié)果存入累加器A。2、模型機(jī)指令集指令、跳轉(zhuǎn)指令、中斷返回指令、輸入/輸出指令。用戶可以通過COP2000計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)軟件或組成原理實(shí)驗(yàn)儀來設(shè)計(jì)自己的指令集，有關(guān)如何設(shè)計(jì)指令/微指令的介紹將在后五．實(shí)驗(yàn)步驟1、在給實(shí)驗(yàn)儀通電前，拔掉實(shí)驗(yàn)儀上所有的手工連接的接線，再用8芯電纜連接J1和J2，控制方式開關(guān)撥到“微程序控制”方向。若想用COP2000軟件控制組成原理實(shí)驗(yàn)儀，就要啟動(dòng)軟件，并用快捷圖標(biāo)的“設(shè)置”功能打開設(shè)置窗口，選擇實(shí)驗(yàn)儀連接的串行口，然后再按“連接COP2000實(shí)驗(yàn)儀”按鈕接通到實(shí)驗(yàn)儀。在做綜合實(shí)驗(yàn)之前，先用8芯電纜連接J1和2、在COP2000軟件中的源程序窗口輸入下列程序。MOVA,#12HMOVA,R0MOVA,@R0MOVA,01HEND3、將程序另存為EX1.ASM，將程序匯編成機(jī)器碼，反匯編窗口會(huì)顯示出程序地址、機(jī)器碼、4、按快捷圖標(biāo)的F7，執(zhí)行“單微指令運(yùn)行”功能，觀察執(zhí)行每條微指令時(shí)，寄存器的輸入/5、每個(gè)程序的一開始的第一條微指令一定是取指令，此微指令的值為0CBFFFFH，對(duì)應(yīng)到各器和uPC，此微指令的作用就是：從程序存儲(chǔ)器EM的0地址讀出程序指令機(jī)器碼7CH，并存入uPC中做為微程序存儲(chǔ)器uM的地址，從微程序存儲(chǔ)器uM的7CH單元中讀出微控制碼0C7FFF7H，中做為微程序存儲(chǔ)器uM的地址，讀出微指令的值為0C7FFF7H，對(duì)應(yīng)到各個(gè)控制位就是EMRD、PCOE、EMEN及AEN為低，處于有效狀態(tài)，其它控制位為無效狀態(tài)。由于上條微指令（取指操程序存儲(chǔ)器EM中讀出數(shù)據(jù)，本指令中讀出的數(shù)據(jù)應(yīng)為12H，EMEN將讀出的數(shù)據(jù)送到DBUS總線為讀取下一條指令做準(zhǔn)備。每條指令的最后一條微指令一定是取指令操作，本指令的T0狀態(tài)周期即為取指令，執(zhí)行上一條微指令時(shí)uPC已經(jīng)加1，按照此uPC為地址從微程序存儲(chǔ)存入uPC后做為微程序地址訪問微程序存儲(chǔ)器uM的70H單元，讀出微指令的值為0FFF7F7，各最低兩位是用來選擇寄存器R?的，此時(shí)IR寄存器最低兩位為00，被讀出的寄存器為R0。AENT0狀態(tài)也是取指令，完成的功能是取出下一條要執(zhí)行的指令機(jī)器碼，并存入uPC和IR寄存器打入uPC后，從微程序存儲(chǔ)器74H單元讀出的微指令的值為0FF77FFH，有效的控制位為MAREN和RRD，RRD有效表示從寄存器組R0-R3中讀出數(shù)據(jù)送到DBUS，MAREN有效表