组成原理实验箱C9JH2014

DVCC系列计算机组成原理系统概述.2第一章 DVCC系列实验机软硬件简介.41 1 DVCC系列实验机系统硬件性能.41 2 DVCC实验机系统软件性能.61 -3 DVCC实验计算机的工作条件.61 4 DVCC实验计算机功能模块详述.61-4-1运算器模块（8位/1 6位）.61-4-2 移位寄存器模块.131-4-3 寄存器堆模块.131-4-4程序计数器PC与地址寄存器模块.151-4-5 指令寄存器模块.161-4-6启停和时序电路模块.161-4-7微程序控制器模块电路.171-4-8主存储器单元电路.251-4-9 输入设备单元.251-4-1 0 输出设备单元.271-4-1 1系统内部数据总线单元.271-4-1 2系统外部数据总线单元.281-4-1 3逻辑信号测量单元（虚拟示波器）.281-4-1 4系统控制开关单元.281-4-1 5 部分信号控制开关.291-4-1 6手动、自动切换跳线器.291-4-1 7单片微机控制单元.341-4-1 8大规模电路实验单元.34第二章 联机调试软件简介.39第三章 实验指导.40实验一 8位算术逻辑运算实验.41实验二 带进位控制8位算术逻辑运算实验.46实验三 16位算术逻辑运算实验.50实验四 移位运算器实验.54实验五 存储器实验.56实验六 微控制器实验.59实验七 基本模型机的设计与实现.68实验八 带移位运算的模型机的设计与实现.76实验九 复杂模型机的设计与实现.83实验十 扩展8255并行口实验.92实验H 一 扩展8253并行口实验.96实验十二 扩展ADC0809模数转换实验.101实验十三 扩展DAC0832模数转换实验.103实验十四 双端口 RAM读写实验.105实验十五大规模集成电路应用实验一.107实验十六大规模集成电路应用实验二.110实验十七 大规模集成电路应用实验三.1141DVCC系列计算机组成原理系统概述一、DVCC系列计算机组成原理系统研制背景DVCC系列实验计算机系统是专为计算机组成原理课的授课和教学实验而研制的。计算机组成原理课程是计算机系很重要的一门专业基础课，从这门课的内容特点看，它属于工程性、技术性和实践性都很强的一门课，因此，在进行课堂教学的同时，必须对实验教学环节给予足够的重视，要有良好的实验环境，能进行反应主要教学内容的、水平确实比较高的实验项目，在深化计算机各功能部件实验的同时，加强对计算机整机硬件系统组成与运行原理有关内容的实验；在教学实验的整个过程中，坚持以硬件知识为主的同时，加深对计算机整机系统中软硬件的联系与配合的认识。要满足这门课程教学实验的需要，关键要有一套完整的实验计算机系统。目前，有些单位和院校都研制出一些用于计算机组成原理课程教学实验的系统或装置，也各具特色。但仔细研究发现，基本上都是相对孤立的功能部件的实验，整机硬件方面的实验很难胜任，更不能对计算机系统中硬软件的联系和配合的学习提供足够的帮助。为此，我们单位的技术人员和东南大学、复旦大学等专家教授结合多年丰富的教学实践经验，研制出DVCC系列全新的教学实验计算机系统。该系统在2002年8 月通过省科委的鉴定，并且已申请专利，专利申请号为03259360.0。二、DVCC系列计算机组成原理系统追求的目标DVCC系列计算机组成原理实验系统作为较高层次、专用于计算机原理课程教学实验的实验计算机系统具有良好的实验性能和系统的完整性以及可扩展性。良好的实验性体现在DVCC系列机能很好地完成计算机硬件系统各功能部件的教学实验，它包括运算器部件、控制器部件、主存储器部件、总线和几种最重要的外设接口实验，包括中断、定时计数器、输入/输出接口等；计算机的CPU自行设计与实现，配有小的监控程序，有自己的汇编语言的支持。在相应软件的配合下，将各功能部件有机的结合起来，完成计算机整机的实验。系统的完整性体现在DVCC系列机与学生常见到的简单计算机大体相同，其主要组成与运行方式和PC机差不多，该系列机是一台硬软件相对完整、配置巧妙合理的完整的计算机系统，通过它能体现出重要教学内容、能完成主要教学实验项目。可扩展性体现在（1）支持高级与初级两个层次上两种方式的实验，高层次的实验方式是指DVCC系列机与PC微机连起来运行，可以动态显示整个实验过程中数据流的流向和当前的各种参数；初级实验方式是指不接任何计算机外围设备，只用DVCC系列机上的开关、按键及指示灯、数码管显示器等操作，控制实验机的运行，同时显示运行的结果。（2）在基本系统上支持多项扩展功能，它包括一个在系统大规模可编程器件，一个并行接口电路，一个定时/计数器电路，一个模数转换，一个数模转换，一个双端口R A M,一个8 259中断。这样，实验指导老师可以根据教学要求和现实条件来安排自己的教学实验。三、DVCC系列计算机组成原理系统技术指标1、实验机的字长为8 位或16位。2、实验机的基本指令系统类P C 机，有多种指令格式，多种寻址方式。3、主存储器采用8 K字节静态存储器6264,用于存放用户程序和数据。4、运算器由2片4位（或4片4位）的算术逻辑单元功能发生器级联而成。每片内实现16种二进制算术运算及16种逻辑运算。另配有一个双向通用移位/寄存器，以实现逻辑移位功能。5、控制器采用微程序方案实现，控存字长为24位，可用最大容量为1024字节，且用电可2擦写的E l O M 存储器芯片组成，支持动态微程序设计。6、实验机上配有一个R S 2 3 2 串行接口，能直接与微机相连，在软件的配合下，完成全部的部件实验和整机组成实验。7、作为实验机的扩展部分：（1）主板上扩展有一个C P L D 器件，以实现可重构原理计算机组成设计实验以及基于R I S C 处 理 器 构 成 的 实 验 计 算 机 的 设 计；（2）扩展有并行I/O口、定时/计数器等；（3）A D,D A 转换实验。8、实验机工作频率源由5 5 5 时基电路和7 4 L S 1 2 3 可再触发单稳态多谐振荡器组成产生，频率范围为3 3 0 H z5 8 0 H Z。9、实验机上装有2 4 个微程序输入开关，8 个数据开关，1 8 个控制开关，2 个微动开关和2 位七段数码管以及多个发光二极管等。在不接入计算机的情况下能在手动方式下完成全部部件实验和整机组成实验。1 0、实验机配备W I N D O W S 环境集成动态调试软件。四、有关的技术资料1、实验机实验指导书一本2、实验演示软件一份3第一章 DVCC系列实验机软硬件简介1 1 DVCC系列实验机系统硬件性能一、8位字长、16位字长兼容设计教学计算机字长主要取决于运算器。运算器的主体部分，在用2片74LS181芯片级联而成时,就构成8位的运算器；在用4片74LS181芯片级联而成时，就构成16位的运算器。教学计算机的字长是8位还是16位，对学习计算机组成原理这门课虽没有什么实质性的影响，但为了让学生对字长的概念有更深刻的理解和认识，在本机上可同时提供出8位、16位字长的两种运算器功能。二、采用总线结构实验机采用总线结构，使实验计算机具有结构简单清晰、扩展方便、灵活易变等诸多优点,系统内有3组总线：数据总线，地址总线和控制总线。其中，数据总线和地址总线用8芯排针引出，实验时只要少些接线即可。三、提供计算机基本功能模块DVCC实验机为学生提供了运算器模块ALU、寄存器堆模块、指令部件模块、内存模块、微程序模块、启停和时序电路模块、控制台控制模块以及扩展模块。图1-1是实验机的功能模块布局图，后面的章节将详细介绍这些模块。各功能模块的输出均通过三态器件，部分模块（每个实验均用到）间的总线已连好，另一部分模块的总线实验者可按需要连接。各模块所用的控制线全部用跳线器跳接，简单方便。四、提供扩展模块DVCC实验计算机为实验者提供创造性设计的平台，板上扩展了在系统可编程大规模电路CPLD器件EPM240（ALTERA公司），它的全部引脚对外开放，实验者完全根据自己的设计思路进行计算机组成原理设计、仿真、综合，并且下载到器件中，再验证其设计的正确性，最终完成设计。五、提供智能化控制台控制台山8位单片微机控制，为调试和使用实验计算机提供良好的条件。实验计算机在停机时.，实验者可通过控制台将程序装入控存中，可以读出控存或内存指令单元中的内容并且显示。实验计算机运行时，可由控制台控制实验计算机从指定的地址开始运行程序，并可以人工干预使其停止运行；也可控制实验计算机逐条逐拍地运行，并自动测量和显示每一拍运行后的地址总线、数据总线和微地址以及微程序的内容。六、实验接线量少，实验效率高具有上述特性的DVCC实验计算机很大程度上减少了实验者的接线工作量，因而减少了出错的可能性，以利于实验的正常顺利进行，让实验者在有限的实验时间内将精力集中在实验的关键部分。特别是进行整机实验时，学生可以集中时间和精力按要求设计实验计算机整机逻辑、指令系统及相应的控制器。但在用CPLD器件设计时，实验者接线量相对多些，因为采用CPLD器件设计时，本身就是一种创新性设计，实践性特强，更有利于培养实验者的实践能力和创新开拓能力。41HH1Io f*前DOI sn on FXI wtncotzx K xn(MI ODOI nm oxx CMI ttwi sooi BDOI 1M肥二送3他一”I .nramf 1!$1 =f息 mfi eon m ran con KXI ran sn tonO,O*O*O*O4O,O*O*n 2O BE ffl：*!*9 Vs：选0-L，K in i.y.iJ斯.nMBs&eu南十通-O -G砧0砧由0 1 I息C咐W1 B S 二%!|i禺 1 r agr B；.j2 Ua魁g.IS挹崩L除 触 赚 岫 顺 顺 谶 密 顺 顺 城 顺 耳不不不严严 网 小mu o-q 8 q-v u i q o-o o A p:/d i i q 礴冬出学M孚Z-M解 骅 X*旨M褥 怫#也go os m is?3 as 3；:二，q :小 性:m；二，旧 c n(D C QQO C O O O O O O O O O d)o o o o o o o o*_Jnn,i su_n *Bw k n 6.0 n+,u ro_n KIT:zon iscw i,8”/北格fa匚 石 H l匚 高3an nf I f I前 一 生I.，-_ 学 寅o aE3 EE GE吸.HflL.?.JI R.回日M 0吗1.七.二离.六同 二风L日sr 而i i 二一 f f 一 里 迪:二 二 W LIIU IJ|g|om w n i cm fn wm0*0*O*0*0*0*to foti tn*am)a*m KSTU(同 vwnc moI.岛 1 舞 岛 巴 扃sssss s as s*ms xs8JaW (FH3”E2BvrI Tg1 2 DVCC实验机系统软件性能DVCC实验机系统在控制软件的协调控制下，提供灵活的实验操作方式。在实验计算机独立使用时.，通过拨动开关及发光二极管以及二进制数码形式进行输入、编程、显示、调试，而且数据的输入/输出显示为高电平亮，低电平灭，符合人们的习惯；在实验计算机通过RS232通信接口与上位机联机时，可以在上位机上进行编程、相互传送装载实验程序、动态调试和运行实验程序等全部操作，实验者可根据实验题目的需要在两种实验操作方式之间随意切换。DVCC实验计算机系统提供WINDOWS环境下集成调试软件，有多个显示窗口，如寄存器窗、微代码窗、程序代码窗、动态代码调试窗、实时数据流动显示窗等，可在屏幕上显示本实验计算机的组成逻辑示意图，如图1 2所示；微代码、程序代码直接屏幕修改、编程；微代码字段直接动作解释；调试运行过程实时动态跟踪显示，如数据流的流向及数据总线、地址总线、控制总线的各种信息，使调试过程极为生动形象；并具有逻辑示波器测量等强大功能。为实验者提供了良好的实验操作环境，增强实验者学习、实验的兴趣，从而提高教学效果。在DVCC实验计算机上还配有双通道虚拟示波器测量软件，用于实验过程中信