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1、计算机科学学院计算机组成原理实验指导书（适用于计算机科学学院所有专业）计算机系统结构教研室2015 年 6 月修订1目 录第1章TEC-8计算机硬件综合实验系统.11.1TEC-8实验系统的用途.11.2TEC-8实验系统技术特点.11.3TEC-8实验系统组成. 11.4逻辑测试笔. 21.5TEC-8实验系统结构和操作.21.6模型计算机指令系统. 51.7开关、按钮、指示灯.61.8实验准备.7第2章计算机组成原理基本实验.102.1运算器组成实验. 102.2双端口存储器实验.142.3数据通路实验. 182.4微程序控制器实验.221第1章 TEC-8计算机硬件综合实验系统1.1TE
2、C-8实验系统的用途TEC-8计算机硬件综合实验系统，以下简称TEC-8实验系统，是清华大学科教仪器厂生产的一个专利产品，专利号ZL200720149391.9。它用于数字逻辑与数字系统、计算机组成原理、计算机体系结构三门课程的实验教学，也可用于数字系统的研究开发，为提高学生的动手能力、培养学生的创新精神提供了一个良好的舞台1.2TEC-8实验系统技术特点 模型计算机采用8位字长、简单而实用，有利于学生掌握模型计算机整机的工作原理。通过8位数据开关用手动方式输入二进制测试程序，有利于学生从最底层开始了解计算机工作原理。 指令系统采用4位操作码，可容纳16条指令。已实现加、减、与、加1、存数、取
3、数、条件转移、无条件转移、输出、中断返回、开中断、关中断和停机等14条指令，指令功能非常典型。 采用双端口存储器作为主存，实现数据总线和指令总线双总线体制，实现指令流水功能，体现出现代CPU设计思想。 控制器采用微程序控制器和硬连线控制器2种类型，体现了当代计算机控制器技术的完备性。 微程序控制器和硬连线控制器之间的转换采用独创的一次全切换方式，切换不用关掉电源，切换简单、安全可靠。 控制存储器中的微代码可用PC计算机下载，省去了E2PROM器件的专用编辑器和对器件的插、拔。 运算器中ALU采用2片74181实现，4个8位寄存器组用1片EPM7064实现，设计新颖。 一条机器指令的时序采用不定
4、长机器周期方式，符合现代计算机设计思想。 通用区提供了若干双列直插的器件插座，用于数字逻辑和数字系统课程的基本实验。 1片在系统可编程器件XILINX XC2S200FPGA既可用于作为硬连线控制器使用，又可用于数字逻辑与数字系统课程的大型设计实验。为了安排大型设计实验，提供了用发光二极管代表的按东、西、南、北方向的安排的12个交通灯，6个数码管，1个喇叭和1个VGA接口。 设计计算机组织与体系结构课程实验考虑了与前导课程数字逻辑与数字系统实验的衔接。由于在数字逻辑与数字系统实验中已经进行了大量的接、插线实践，因此在TEC-8上进行计算机组成与体系结构课程实验接线较少，让学生把精力集中在实验现
5、象的观察、思考和实验原理的理解上。1.3TEC-8实验系统组成TEC-8计算机硬件综合实验系统由下列部分构成。 电源安装在实验箱的下部，输出+5V，最大电流为3A。220V交流电源开关安装在实验箱的右侧。220V交流电源插座安装在实验箱的背面。实验台上有一个+5V电源指示灯。 实验台实验台安装在实验箱的上部，由一块印制电路板构成。TEC-8模型计算机安装在这块印制电路板上。学生在实验台上进行实验。2 下载电缆用于将新设计的硬连线控制器或者其他电路下载到XILINXXC2S200FPGA器件中。下载前必须将下载电缆的一端和PC机的并行口连接，另一端和实验台上的下载插座连接。 通讯线通讯线分为两种
6、一种是COM转COM的，另外一种是USB转COM的。两种通讯线COM转COM的和USB转COM通讯线都是用于在PC机上在线修改控制存储器中的微代码。COM转COM两端，一端直接连PC机器的COM口，另一端连试验台上的的COM口。USB通讯线一端接PC机的USB口，另一端接实验台上的COM口。(两种转换线在配件中二选一。原则上标配COM转COM)。1.4逻辑测试笔在数字电路实验中，对信号的测量是一个重要问题。常用的测试工具有示波器、万用表和逻辑测试笔。示波器的好处是直观、准确，用波形显示信号的状态，常用于对连续的周期波形进行测量，数字示波器对非周期信号的测量也很有效，缺点是造价较高。万用表价格便
7、宜，使用方便，对信号电压能进行精确测量，缺点是不能测量脉冲信号。逻辑测试笔常用于测量信号的电平，判断一个较窄的脉冲是否发生以及发生了几个脉冲，缺点是无法对信号的电压作精确测量。数字电路实验中，关心的不是信号的具体电压而是信号的电平，逻辑测试笔作为一种方便、直观的测试工具，得到了广泛应用。TEC-8实验台上许多信号都连接发光二极管作为指示灯，指示信号的电平，同时配备了逻辑测试笔。TEC-8实验系统上配置的逻辑测试笔在测试信号的电平时，红灯亮表示高电平，绿灯亮表示低电平，红灯和绿灯都不亮表示高阻态。在测试脉冲个数时，首先按一次Reset按钮，使2个黄灯D1、D0灭，处于测试初始状态。TEC-8实验
8、台上的逻辑测试笔最多能够测试3个连续脉冲。测试信号的状态显示如表1.1所示。 表1.1指示灯对应信号的状态红灯 绿灯 测试结果 D1（黄灯） D0（黄灯） 测试结果0 01 00 1 高阻态高电平低电平 0 00 11 01 1 没有脉冲1个脉冲2个脉冲3个脉冲数字电路的测试大体上分为静态测试和动态测试两部分。静态测试指的是给定数字电路若干静态输入值，测量输出是否正确。在静态测试基础上，给数字电路输入端加脉冲信号，用示波器或者逻辑测试笔测试数字电路输出是否正确。一般地说，时序电路应当进行动态测试。1.5TEC-8实验系统结构和操作1.5.1 模型计算机时序信号TEC-8模型计算机主时钟MF的频
9、率为1MHz，执行一条微指令需要3个节拍脉冲T1、T2、T3。TEC-8模型计算机时序采用不定长机器周期，绝大多数指令采用2个机器周期W1、W2，少数指令采用一个机器周期W1或者3个机器周期W1、W2、W3。图1.1是3个机器周期的时序图。3图1.1 TEC-8模型计算机时序图1.5.2 模型计算机组成图1.2是TEC-8模型计算机电路框图。下面介绍主要组成模块。1时序发生器它由2片GAL22V10组成，产生节拍脉冲T1、T2、T3，节拍电位W1、W2、W3，以及中断请求信号ITNQ。主时钟MF采用石英晶体振荡器产生的1MHz时钟信号。T1、T2、T3的脉宽为1微妙。一个机器周期包含一组T1、
10、T2、T3。2算术逻辑单元ALU算术逻辑单元由2片74181加1片7474、1片74244、1片74245、1片7430组成，进行算术逻辑运算。74181是一个4位的算术逻辑器件，2个74181级联构成一个8位的算术逻辑单元。在TEC-8模型计算机中，算术逻辑单元ALU对A端口的8位数和B端口的8位数进行加、减、与、或和数据传送5种运算，产生8位数据结果、进位标志C和结果为0标志Z。当信号SBUS为1时，将运算的数据结果送数据总线DBUS。3双端口寄存器组双端口寄存器组由ALTERA公司的1片可编程器件EPM7064组成，向ALU提供两个运算操作数A和B，保存运算结果。EPM7064里面包含4
11、个8位寄存器R0、R1、R2、R3，4选1选择器A，4选1选择器B，2-4译码器。在图1.2中，用虚线围起来的部分全部放在一个EPM7064中。4个寄存器通过4选1选择器向ALU的A端口提供A操作数，通过4选1选择器B向ALU的B端口提供B操作数，2-4译码器产生信号LR0、LR1、LR2和LR3，选择保存运算数据结果的寄存器。4数据开关SD7SD08位数据开关SD7SD0是双位开关，拨到朝上位置时表示“1”，拨到朝下位置时表示“0”。用于编制程序并把程序放入存储器，设置寄存器R3R0的值。通过拨动数据开关SD7SD0得到的程序或者数据通过SWD送往数据总线DBUS。SWD是1片74244。5
12、双端口RAM双端口RAM 由1片IDT7132及少许附加电路组成，存放程序和数据。双端口RAM是一种2个端口可同时进行读、写的存储器，2个端口各有独立的存储器地址、数据总线和读、写控制信号。在TEC-8中，双端口存储器的左端口是个真正的读、写端口，用于程序的初始装入操作，从存储器中取数到数据总线DBUS，将数据总线DBUS上的数写入存储器；右端口设置成只读方式，从右端口读出的指令INS7INS0被送往指令寄存器IR。6程序计数器PC、地址寄存器AR和中断地址寄存器IAR程序计数器PC由2片GAL22V10和1片74244组成向双端口RAM的左端口提供存储器地址PC7PC0，程序计数器PC具有P
13、C复位功能，从数据总线DBUS上装入初始PC功能，PC加1功能，PC和转移偏量相加功能。4图1.2 TEC-8模型计算机框图5地址寄存器AR由1片GAL22V10组成，向双端口RAM的左端口提供存储器地址AR7AR0。它具有从数据总线DBUS上装入初始AR功能和AR加1功能。中断地址寄存器IAR是1片74374，它保存中断时的程序地址PC。7指令寄存器IR指令寄存器是1片74273，用于保存从双端口RAM中读出的指令。它的输出IR7IR4送往硬连线控制器、微程序控制器，IR3IR0送往2选1选择器。8、微程序控制器微程序控制器产生TEC-8模型计算机所需的各种控制信号。它由5片HN58C65、1片74174、3片7432和3片7406组成。5片HN58C65组成控制存储器，存放微程序代码；1片74174是微
