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1、计算机组成原理实验及课程设计指导书（ver5.0）计算机科学与工程学院计算机科学与技术系目 录第一篇 实验装置简介41 TD-CMA实验系统硬件布局图42 系统实验单元电路43 注意事项9第二篇 课堂实验指导10实验一 预备实验101 实验目的102 实验设备103 实验内容104 实验原理105 实验步骤11实验二 基本运算器实验131 实验目的132 实验设备133 实验内容134 实验原理134 实验步骤16实验三 静态随机存储器实验191 实验目的192 实验设备193 实验内容194 实验原理195 实验步骤21实验四 系统总线和具有基本输入输出功能的总线接口实验241 实验目的24
2、2 实验设备243 实验内容244 实验原理245 实验步骤25实验五 微程序控制器实验291 实验目的292 实验设备293 实验内容294 实验原理295 实验步骤35实验六 CPU与简单模型机设计实验391 实验目的392 实验设备393 实验内容394 实验原理395 实验步骤42第三篇 课程设计指导461 课程设计目的462 仪器设备463 课程设计内容464 课程设计要求475 课程设计验收与成绩评定476 相关知识487设计步骤54第一篇 实验装置简介1 TD-CMA实验系统硬件布局图系统硬件的电路布局是按照计算机组成结构来设计的，如图1-1-1所示。最上面一部分是SYS单元，这
3、个单元是非操作区，其余单元均为操作区，在SYS单元之上架有CPLD扩展板，逻辑测量单元位于SYS单元的左侧，时序与操作台单元位于SYS单元的右侧。所有构成CPU的单元放在中间区域的左边，并标注有CPU，CPU对外表现的是三总线：控制总线、数据总线和地址总线，三总线并排位于CPU右侧。与三总线挂接的主存和各种IO设备，都集中放在系统总线的右侧。在实验箱中上部对CPU、系统总线、主存及外设分别有清晰的丝印标注，通过这三部分的模块可以方便地构造各种不同复杂程度的模型计算机。系统独立运行时，为了对微控器或是主存进行读写操作，在实验箱下方的CON单元中安排了一个开关组SD07SD00，专门用来给出主/控
4、存的地址。在进行部件实验时，有很多的控制信号需要用二进制开关模拟给出，所以在实验箱的最下方安排的是控制开关单元CON单元。图1-1-1 TD-CMA实验系统硬件布局图2 系统实验单元电路（1）ALU®单元ALU®单元由以下部分构成：一片CPLD实现的ALU，五片74LS245构成的保护电路。ALU的输出以排针形式引出D7D0，ALU与REG的输入以排针形式引出IN7IN0，REG的输出以排针形式引出OUT7OUT0，运算器的控制信号（LDA、LDB、S0、S1、S2、S3、ALU_B、CN）分别以排针形式引出，寄存器堆的输入控制信号（LDR0、LDR1、LDR2、LDR3）、寄存器
5、堆的输出控制信号（R0_B、R1_B、R2_B、R3_B）也分别以排针形式引出，另外还有进位标志FC和零标志FZ指示灯。（2）程序计数器与地址寄存器单元（PC&AR单元）此单元由地址寄存器AR、程序计数器PC构成。地址寄存器的输出以排针形式引出A7A0。（3）指令寄存器单元（IR单元）IR单元包括三大部分：指令寄存器、指令译码电路INS_DEC和寄存器译码电路REG_DEC，指令寄存器单元中指令寄存器的输入和输出都以排针形式引出，构成模型机时实现程序的跳转控制和对通用寄存器的选择控制。（4）微程序控制器电路单元（MC单元）本系统的微控器单元主要由编程部分和核心微控器部分组成。编程部分是通过编程
6、开关的相应状态选择及由T2引入的节拍脉冲来完成将预先定义好的微代码程序写入到2816控制存贮器中，并可以对控制存贮器中的程序进行校验。该系统具有本地直接编程和校验功能，且由于选用2816E2PROM芯片为控制存贮器，所以具备掉电保护功能。核心微控器主要完成接收机器指令译码器送来的代码，使控制转向相应机器指令对应的首条微代码程序，对该条机器指令的功能进行解释或执行的工作。更具体讲，就是通过接收CPU指令译码器发来的信号，找到本条机器指令对应的首条微代码的微地址入口，再通过由T2引入的时序节拍脉冲的控制，逐条读出微代码。实验板上的微控器单元中的24位显示灯（M23M0）显示的状态即为读出的微指令。
7、然后，其中几位再经过译码，一并产生实验板所需的控制信号，将它们加到数据通路中相应的控制位，可对该条机器指令的功能进行解释和执行。指令解释到最后，再继续接收下一条机器指令代码并使控制转到对应的微地址入口，这样周而复始，即可实现机器指令程序的运行。核心微控器同样是根据24位显示灯所显示的相应控制位，再经部分译码产生的二进制信号来实现机器指令程序顺序、分支、循环运行的，所以，有效地定义24位微代码对系统的设计至关重要。（5）CPU内总线单元此单元由五排8线排针组成，它们之间相应位是相互连通的，CPU内总线是CPU内部数据集散地，每个部件的输入数据来自于CPU内总线，输出的数据也要通过CPU内总线到达
8、目的地。（6）时序与操作台单元时序单元可以提供单脉冲或连续的时钟信号：KK和。其中的Q为555构成的多谐振荡器的输出，经分频器分频后输出频率大约为30Hz、300Hz、占空比为50%的信号。时序与操作台单元的“MODE”短路块短路，系统工作在四节拍模式；“MODE”短路块拔开，系统工作在两节拍模式。时序与操作台单元的“SPK”短路块短路，系统具有总线竞争报警功能；“SPK”短路块拔开，系统无报警功能。每按动一次KK按钮，在KK+和KK-端将分别输出一个上升沿和下降沿单脉冲。每按动一次ST按钮，根据时序开关档位的不同，在TS1、TS2、TS3、TS4端输出不同的波形。当开关处于连续档时，TS1、
9、TS2、TS3、TS4输出的是图1-2-1所示的连续时序。开关处于单步档时，TS1、TS2、TS3、TS4只输出一个CPU周期的波形，如图1-2-2。开关处于单拍档时，TS1、TS2、TS3、TS4交替出现，如图1-2-3所示。图1-2-1连续时序图1-2-2单步时序图1-2-3单拍时序（7）输入设备单元（IN单元）此单元使用个拨动开关作为输入设备，其电路原理如图1-2-4所示，左边表示的是IN单元的整体连接原理，右边表示的是一个拨动开关的连接原理，拨动开关采用的是双刀双掷开关，一刀用来输出数据，一刀用来在LED灯上显示开关状态。图1-2-4IN单元原理图（8）输出设备单元（OUT单元）在OU
10、T单元，数据由锁存器74LS273进行锁存，并通过两片GAL16V8进行显示译码，形成数码管显示的驱动信号，具体电路原理如图1-2-5所示。图1-2-5OUT单元原理图（9）控制总线单元此单元包含有CPU对存储器和IO进行读写时的读写译码电路，如图1-2-6所示。图1-2-6读写译码原理（10）数据总线单元数据总线是CPU和主存以及外设之间数据交换的通道，其包含五排8线排针，排针的相应位已和CPU内总线连通。（11）地址总线单元此单元由两排8线排针，I/O地址译码芯片74LS139，地址指示灯组成。两排8线排针已连通，为了选择I/O，产生I/O片选信号，还需要进行I/O地址译码，系统的I/O地
11、址译码原理如图1-2-7所示。图1-2-7I/O地址译码原理图由于用的是地址总线的高两位进行译码，I/O地址空间被分为四个区，如表1-2-1所示。表1-2-1I/O地址空间分配A7 A6 选定地址空间00 IOY0 00-3F 01 IOY1 40-7F 10 IOY2 80-BF 11 IOY3 C0-FF （12）存储器单元（MEM单元）存储器单元包括一片SRAM6116（静态随机存储器）和一套编程电路，如图1-2-8所示，因为要对存储器手动进行读写，所以设计了对存储器的读写电路。图1-2-8存储器原理图（13）控制台开关单元（CON单元）此单元包含一个系统总清按钮CLR和24个双刀双掷开
12、关，开关分成三组，分别为：SD27-SD20、SD17-SD10和SD07-SD00。有部分开关有双重丝印，为的是方便接线，一个开关可能对应两个排针，根据丝印就能找到开关和排针的对应关系。开关为双刀双掷，一刀用来提供数据，一刀用来显示开关值，其原理如图1-2-9示（以SD20为例，其它相同）。CLR按钮连接如图1-2-10示，平时为高，按下后CLR输出变为低，为系统部件提供清零信号，按下CLR按钮后会清零的部件有：程序计数器PC、地址寄存器AR、暂存器A、暂存器B、指令寄存器IR、微地址寄存器MAR。图1-2-9双刀双掷开关原理图图1-2-10CLR按钮原理图17扩展单元此单元由8个LED显示
13、灯，电源（+5V）和地排针，以及3排8线排针组成。8线排针相应位已连通，主要是为了电路转接而设计。LED灯电路如图1-2-11（以E0为例，其余相同）。图1-2-11ED灯显示原理图20系统单元（SYS单元）此单元是为了和PC联机而设计，其原理是通过单片机的串口和PC机的串口相连，PC以命令形式和单片机进行交互，当单片机接收到某命令后，产生相应的时序，实现指定操作。SYS单元还安排了一个检测电路，当总线上数据发生竟争时，蜂鸣器会发出嘀警报声。SYS单元还有一个重要职责：当ST按钮按下时会对单片机的INT1产生一个中断请求，此时单片机根据时序单元状态开关的档位，产生相应的时序。3 注意事项（1）
14、使用前后均应仔细检查主机板，防止导线、元件等物品落入装臵内导致线路短路、元件损坏。（2）电源线应放臵在机内专用线盒中。（3）注意系统的日常维护，经常清理灰尘和杂物。（4）电源关闭后，不能立即重新开启，关闭与重新开启之间至少应有30秒间隔。（5） 实验箱上凡丝印标注有马蹄形标记，表示这两根排针之间是连通的。第二篇 课堂实验指导实验要求1 实验考核实验成绩由预习、出勤、操作及答辩、实验报告四项综合评定而成。其中，预习占总成绩20%，出勤占总成绩10%，操作及答辩占总成绩40%，实验报告占总成绩30%。预习考核：采取教师提问学生回答、学生主动提问、学生解答其他同学问题等形式。教师根据学生回答的质量、学生提问的数量及质量、解答其他同学问题的质量进行评定。出勤考核：缺勤一次扣2分，扣完为止。操作及答辩考核：在答辩较好的前提下，根据操作完成的时间顺序评定成绩，前20%评定为“优秀”；接下来的20%评定为“良好”；已完成但答辩质量不够好的同学评定为“中等”；大部分操作能够做完的同学评定为“及格”，主要操作未完成的同学评定为“不及格”。实验报告考核：包含内容的完整性、准确性、遇到问题的解决和格式四个方面的考核，侧重遇到问题的解决办法的考核。特别提示：6学时（含）以上的缺勤或缺少实验报告将被评定为“缺成绩”。2 实验报告实验报告要求学校要求的封面，见下图。实验报
