计算机组成与结构实验指导

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1、-1-目目 录录第一章第一章DICEDICE2H2H 型计算机组成原理实验系统概述型计算机组成原理实验系统概述 11 引言 1 12 系统组成与特点 1 13 系统通用电路简介 3 14 系统控制信号引脚定义及说明 7 15 系统技术指标 10 16 系统使用与初始化 10第二章第二章实验指导实验指导 实验一运算器组成实验 14 实验二存贮器实验 17 实验三数据通路实验 20 实验四微程序控制实验 22 实验五CPU组成与指令周期实验 25第三章第三章附录附录 1集成电路说明32 2二进制微指令代码表39 3微指令流程图40 4系统组成框图41 5八位数据通道原理图43-2-第一章第一章 D

2、ICEDICE2H2H 型计算机组成原理实验系统概述型计算机组成原理实验系统概述1 11 1 引言引言 DICE-2H型计算机组成原理实验仪（以下简称系统或实验计算机）是根 据理工科院校计算机组成原理课程大纲的要求和计算机教学迅速发展的需 要，在吸收了国内先进教学成果的基础上设计定型的。 系统采用模块化组合结构，为本科高校层次的计算机组成原理、 计算机组成与结构、逻辑设计等课程提供了实验条件。 1 12 2 系统组成与特点系统组成与特点 121 系统组成 系统由主板DICE-2HA和演示板DICE-2HB组成。 一、主板DICE-2HA主要由以下几部分组成 1、控制电路 设置了31只按键开关（

3、AN1AN31），用于控制信号的逻辑状态设置， 其状态由相应的发光二极管指示，按下开关为“1”，指示灯点亮，否则为 “0”，指示灯灭。 DIP1为置数拨动开关，用于完成数据和地址等输入。 DIP2为时钟源选择开关，开关某位向上为选通。 设置了3个单脉冲电路（P0P2），P0（START）、P2（RST）按钮分别为 实验电路提供启动和清零信号，P2同时为单片机提供复位信号，P1为备用。2、实验电路 实验电路主要由运算器电路（ALU UNIT）、存贮器电路（RAM UNIT）， 数据通路、时序电路（CLK UNIT）、微程序控制电路（UPC UNIT）等组成。 3、显示电路 发光二极管D7D0、A

4、7A0、PC7PC0、uA4uA0作为二进制显示，用于 显示实验中数据、地址、PC值、微地址用。 4、配备通用面包板、GAL器件插座，以便支持逻辑电路扩展实验。 5、电源 在实验仪中配备了开关电源： 交流输入电压220V，50Hz，直流输出电压5V，5A。 二、演示板DICE-2HB主要由以下几部分组成 1、单片机控制单元（MPU UNIT） 该单元采用AT89C51单片机管理实验计算机内部资源（以下简称寄存器） 和操作状态。 2、显示单元（DISPLAY UNIT） 24位数码管对应于12个寄存器单元，动态显示实验计算机当前操作的 结果，发光二极管对应于当前寄存器操作状态，其中BUS USE

5、 FLAG（总-3-线占用标志）发光二极管组用于显示数据总线占用指示，某灯点亮表示该 寄存器输出占用总线，由于实验计算机内部数据总线公用，一般某一时刻 只允许一个寄存器输出占用总线，否则会引起总线混乱。 三、系统组成框图 另图见P13页。 1 12 22 2 系统特点系统特点 由于系统的模块化，学生可通过一系列积木式实验，同时通过演示板 可观察实验结果，对CPU内部的运算功能、控制功能、总线结构、指令系统 的设计和微指令的实现以及CPU内部如何工作有直观、深刻的认识。在各项 分实验的基础上，通过自已设计并实现一台模型机的运行。从而对计算机 的原理、结构，从部件到各系统，直到整机有一个形象的、生

6、动的、本质 的认识。有利于培养学生的动手能力，创造性分析问题和解决问题的能力。1 13 3 系统通用电路简介系统通用电路简介 一、通用操作部分 1、31个逻辑开关AN1AN31（见图2A） ANi输出对应于开关设置的相应逻辑值，开关按下时为逻辑“1”，常 态时为逻辑“0”。 2、31个电平显示电路（见图2B）图2A 逻辑开关电路图图2B 电平显示电路图当输入端接高电平时，发光管显示亮，当输入端接低电平时，发光管 不显示（灭）。 3、三个单脉冲电路（电路见图3） 每个电路的输出对应于二个输出端P、P。每按一下按钮，在相应 的输出端输出正、负脉冲各一个。-4-图3 单次脉冲电路图二、时钟电路（见图

7、4） 提供一组方波信号发生器，输出频率F0为250KHZ，F1为500KHZ，F2为 1MHZ，F3为2MHZ，此方波信号为实验时钟及产生时序信号的时钟。图4 时钟电路图三、时序发生器及启停电路（见图5）-5-图5 时序发生器及启停电路MF为时钟输入端，时钟频率可从F0F3中选择一个。 TJ、DP为单步停机控制信号，当某一或二个都为高电平“1”时，此时， 时序发生器处于停机或单步状态。即每按一次启动按钮P0（P0和P0已接入） 产生一拍时序信号T1、T2、T3、T4。当TJ、DP都为低电平时，按一次启动 按钮P0，产生连续时序信号，CLR接P2（已接入）作清除按钮。连续输出时 序波形见图6所示

8、。T1、T2、T3、T4有二组输出信号，以提高负载能力。-6-图6 连续输出时序波形图四、接口定义 UBINUPC OUT此座信号来自逻辑开关并此座信号为微控器 已连到实验电路控制端 单元输入/输出信号 CZ1、CZ3CZ2、CZ4-7-CZ2为输出信号CZ4为输入信号CZ1为输出信号 CZ3为输入信号1 14 4 系统控制信号引脚定义及说明系统控制信号引脚定义及说明 下列控制信号由逻辑开关或微控制器输出信号提供。 1、S3 S2 S1 S0：ALU操作选择信号，以控制执行16种算术操作或 16种逻辑操作中的一种操作。 2、M：ALU操作方法选择信号端。M0执行算术操作；M1执行逻辑操 作。

9、3、Cn：进位标志信号。/Cn0表示ALU运算时最低位加进位 1；/Cn1，则表示无进位。 4、LDAR：将SW7SW0逻辑开关量或程序计数器的内容打入到地址寄存 器AR中，产生RAM的地址。5、/CE：RAM片选信号，CE0时RAM6116被选中。6、WE：RAM读写控制信号。当CE0时，如WE0为存贮器读；如WE1为存贮器写。7、LDDR1：控制把总线上的数据打入运算暂存器DR1。8、LDDR2：控制把总线上的数据打入运算暂存器DR2。9、SW-BUS：控制八位数据开关SW7SW0的开关量是否送到总线，低电平有效。l0、ALU-BUS：控制运算器的运算结果是否送到总线BUS，低电平有效。l

10、1、LDPC：程序计数器PC计数控制信号，LDPCl时，在时序信号上升-8-沿到来时，程序计数器PC地址加1。l2、/LOAD：LOAD0时，PC程序计数器处于并行置数状态，LOADl时，PC处于计数状态。l3、/UP：微地址寄存器输出控制信号，UP0，微地址信号输出。l4、PC-BUS：控制程序计数器的内容是否送到总线BUS，低电平有效。l5、R0-BUS：控制发送数据信号，将寄存器R0的数据发送到总线上，低电平有效。l6、R1-BUS：控制发送数据信号，将寄存器的Rl数据发送到总线上，低电平有效。l7、R2-BUS：控制发送数据信号，将寄存器R2的数据发送到总线上，低电平有效。l8、LDI

11、R：控制把总线上的数据(指令)输入到指令寄存器IR中。l9、LDR0：控制把总线上的数据打入寄存器R0。20、LDRl：控制接收数据信号，将总线上的数据打入到寄存器R1。2l、LDR2：控制接收数据信号，将总线上的数据打入到寄存器R2。22、TJ、DP：时序发生器的停机单步控制信号端。当TJ、DP均为低电平时，按一次P0按键，产生连续时序信号Tl、T2、T3、T4。当DP、TJ中某一或二个均为高电平时，时序发生器处于单拍状态，按一次P0，产生一拍(单拍)时序信号Tl、T2、T3、T4。23、IR7IR5：指令寄存器的IR7、IR6、IR5输出信号，输入至微程序控制器修改微地址的信号。24、SW

12、E：微程序控制器的微地址修改信号。SWE已接逻辑开关，先按下CLR（即P2）清零键，使微地址为全0时；将逻辑开关SWE从“l”“0”“1”（相当于负脉冲），微地址修改为l0000，使机器处于写RAM微程序。25、SRD：微程序控制器的微地址修改信号。SRD己接逻辑开关，先按下CLR（即P2）清零键，使微地址为全0时，将逻辑开关SRD从“l”“0”“l”（相当于负脉冲），微地址修改为01000，使机器处于读RAM的微程序。-9-26、TlT4：时序信号发生器提供的四个标准时序输出信号，可以采用单拍或连续两种方式输出。27、MF：时序发生器的时钟输入端，从F0、Fl、F2、F3中任选一个。28、F

13、0F3：时钟源输出信号端，F0输出频率为250KHz，Fl输出频率为500KHz，F2输出频率为1MHz、F3输出频率为2MHz。29、P0、P0、Pl、Pl、P2、P2：单次脉冲（按键）输出端。P为正脉冲，P为负脉冲。其中P0，P0为时序发生器启动控制信号，按一次P0，时序发生器可输出一拍或连续时序信号T1、T2、T3、T4。P2为复位按键，按一次P2可使实验计算机、单片机复位。30、Cn+4：ALU的进位输出端，Cn+40表示运算后有进位输出。31、P(1)：微程序控制器输出的修改微地址P(1)标志信号。用于机器指令的微程序分支测试。32、D7D0八位数据通路的8条总线，D7为高位，D0为

14、低位。33、A7A0存贮器RAM的地址输入信号，A7为高位，A0为低位。34、PC7PC0：程序计数器PC输出信号端，PC7为高位，PC0为低位。此信号己连接到逻辑电平指示灯上，以监视PC值变化。35、SW7SW0八位数据输入端，在SW-BUS有效时，将八位数据输入到总线。（开关向上为1，向下为0）36、uA4uA0：微程序控制器的微地址输出信号，uA4为高位，uA0为低位。此信号己接有指示灯，可监视微地址变化。37、CLR：清零信号输入端，已连接单次脉冲P2按键。注意1：WE存储器读写信号，由于接至RAM时，经过了与非门，因此实际运用时，WE0为存储器写，WE1为存储器读。注意2：LDR0、

15、LDR1、LDR2、LDDR1、LDDR2、LDAR、LDPC、LDIR、WE控制信号受时序信号T3或T4控制，当上述信号为高电平时，T3信号或T4信号上升沿到来时，该信号才起作用。1 15 5 系统技术指标系统技术指标机器字长8位，即运算器、内存、数据总线、地址总线等都是8位。-10-指令系统中，基本指令系统为8位，指令简炼、实用。系统支持内存为256字节。主频为250KHz2MHz。运算器由2片74LS181级联而成，片间采用串行进位方式传递进位信号ALU内部有实现16种算术与逻辑运算功能。控制器采用微程序控制，在实验仪上可进行8位字长具有5条指令的计算机系统实验，此微程序已固化在3片2764芯片中。实验者也可方便地修改已有的微程序监控设计或加进若干条自己设计的新指令，新老指令可同时运行。系统支持最底层的手工操作方式的输入/输出和机器调试。1 16 6 系统使用与初始化系统使用与初始化实验前必须仔细阅读本节，某些说明在实验指导中不再赘述。标识定义a数码管定义ALU：运算器输出