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1、计算机组成原理上机实验指导(Ver 3.0)张光建 黄贤英计算机科学与工程学院2010 年 12 月前言本实验指导书根据 TDN-CM+ 教学实验系统的操作编写，主要是为配合讲授 与学习计算机组成原理 课程而写， 本实验指导书提供几个基本的实验操作指导， 提供一个具有几条基本指令的简单模型机的设计。TDN-CM+ 系统是一台硬件组成相对完备的计算机系统， 包括运算器、 控制器、 主存、 I O 接口及总线等都有一定的典型性。本实验指导书选定的实验，主要目 的是要解决实验内容与授课内容的吻合， 方便学生理论联系实际， 保证课程各主要 章节教学内容的理论深度和较高的实用性， 更好地掌握计算机设计和
2、工作的基本原 理，实验内容要求构建一个完整的模型机，旨在帮助同学们建立一个整机的概念。本系统提供计算机组成原理课程所要求的教学实验功能， 能保证学生可深入到 计算机和 CPU 内部，查看、测试各主要信号与部件工作状态，有利于提高学生学 习兴趣，培养学生设计与动手实践的基本技能，有利于增强学生的创新意识。本实验指导书的结构是：首先介绍使用 TDN-CM+ 完成本课程实验的注意事 项，接下来对实验设备进行了简单的介绍， 并将模型机的数据通路结构展示给大家， 这样有利于从整体上把握整个系统， 然后是对每个实验的介绍。 每个实验都分为如 下几部分：实验的目的、需要使用的实验设备、实验涉及到的实验原理、
3、对本实验 的内容作了简明的概括、 完成本实验的步骤， 最后给出了一些关于本实验的思考题， 这些思考题可在实验做完时要求学生回答。实验之前应由学生预习， 理解基本的实验原理和实验内容， 在实验课上由实验 指导老师以提问的方式来讲解、复习各实验的原理、实验设备、实验内容等，并着 重强调一些注意事项，尽量避免盲目做实验。本书最后给出学习本课程应该熟练掌握和理解的主要内容和复习要点， 帮助大 家更好地学习本门课程，并给出了部分复习题。#目录一、实验装置介绍 1( 一 ) 实验准备和实验注意事项 1( 二 ) 实验装置各单元介绍 11运算器单元 (ALU UNIT) 12计数器与地址寄存器单元 (ADD
4、RESS UNIT) 23指令寄存器单元 (INS UNIT) 24时序电路单元 (STATE UNIT) 35微控器电路单元 (MICRO-CONTROLLER UNIT.) 36. 逻辑译码单元 (LOG UNIT) 47主存贮器单元 (MAIN MEM) 58输入设备单元 (INPUT DEVICE) 59输出设备单元 (OUTPUT DEVICE) 510总线单元 (BUS UNIT) 511控制信号发生单元 (W/R UNIT) 512扩展总线单元 (EXT BUS) 513外总线单元 (EX UNIT) 514逻辑信号测量单元 (OSC UNIT) 615单片机控制单元 (8051
5、 UNIT) 616开关单元 (SWITCH UNIT) 617指示灯单元 (LED UNlT) 618. PLD单元6二、实验设备的数据通路结构 6三、上机实验 7实验一 运算器实验：算术逻辑运算实验 8一. 实验目的 8二. 实验设备 8三. 实验原理 8四. 实验内容 9五实验步骤 10六思考题 14实验二 运算器实验：进位控制实验 15一实验目的 15二实验设备 15三实验原理 15四实验内容 16五实验步骤 17六思考题 19实验三 移位运算实验 20一实验目的 20二实验设备 20三实验原理 20四实验内容 21五实验步骤 21六思考题 22实验四 静态随机存储器实验 23一实验目
6、的 23二实验设备 23三实验原理 23四实验内容 24五实验步骤 25六思考题 27实验五 数据传送实验 28一实验目的 28二实验设备 28三实验原理 28四实验内容 28五实验步骤 29六思考题 30实验六 微控制器实验 31一实验目的 31二实验设备 31三实验原理 31四实验内容 36五实验步骤 36六思考题 39实验七 基于微控器的模型机的设计与实现 40一实验目的 40二实验设备 40三实验原理 40四实验内容 40五实验步骤 40六思考题 43实验八 简单模型机的设计与实现 44一实验目的 44二实验设备 44三实验原理 44四实验内容 45五实验步骤 45四、学习指南 48（
7、一） 重点、难点内容 48（ 二 ） 重点内容 50附录 A 实用芯片介绍 55计算机组成原理实验指导一、实验装置介绍（一）实验准备和实验注意事项1 本课程实验使用专门的 TDN-CM+计算机组成原理教学实验设备，使用前后 均应仔细检查主机板，防止导线、元件等物品落入装置内导致线路短路、元件损坏。2 完成本实验的方法是先找到实验板上相应的丝印字及其对应的引出排针，将排针用电缆线连接起来， 连接时要注意电缆线的方向， 不能反向连接；如果实验 装置中引出排针上已表明两针相连， 表明两根引出线内部已经连接起来， 此时可以 只使用一根线连接。3 为了弄清计算机各部件的工作原理，前面几个实验的控制信号由
8、开关单元 “SWITCH UNIT模拟输入；只有在模型机实验中才真正由控制器对指令译码产生控制信号。在每个实验开始时需将所有的开关置为初始状态“1”。4 本实验装置的发光二极管的指示灯亮时表示信号为“0 ”，灯灭时表示信号为 “1 ”。5 实验接线图中带有圆圈的连线为实验中要接的线。6 电源关闭后，不能立即重新开启，关闭与重启之间至少应有30秒间隔。7电源线应放置在机内专用线盒中。8 保证设备的整洁。（二）实验装置各单元介绍整个实验装置由若干个相互独立的、又有一定联系的逻辑电路单元组成。利用本实验装置开展实验的基本方法就是根据某个具体实验目的和要求将相应单元用 电缆线连接起来，通过输入装置输入
9、数据和模拟控制信号，通过输出装置的显示检查结果。这些单元包括：1. 运算器单元（ALU UNIT）运算器单元位于实验线路板左部，它包括运算器单元和寄存器堆单元。（1）运算器单元（ALU UNIT）运算器单元由以下部分构成：两片74LSI81构成8位ALU;两个8位寄存器DRl和DR2作为暂存工作寄存器，保存参数或中间运算结果。ALU的输出由三态门74LS245通过排针连到数据总线上；一片8位的移位寄存器74LS299可通过排针连到数据总线上，由 GAL和74LS74锁存器组成进位标志控制电路和为零标志控制电路，进位标志和为零标志指示灯。CNt4 JTU 科ALUflSI) CH 詔止 J -A
10、O BS I3C图0-1运算器单元电路(2) 寄存器堆单元(REG UNIT)寄存器堆单元由三片 8位寄存器(都是74LS374)R0、R1、R2组成，它们用来保 存操作数及中间运算结果等， 三个寄存器的输入已经和总线连接，而三个寄存器的输出共用一个引出排针 RJ1，等待用排线连至总线。2. 计数器与地址寄存器单元(ADDRESS UNIT)此单元位于实验线路板的中部，由地址寄存器AR(74LS273)、程序计数器PC(74LS161)及8位地址显示灯构成。单元中程序计数器及地址寄存器的输入已接 至总线，而程序计数器的输出以排针形式引出(ADJ6)，地址寄存器的输出已连接到外总线单元“ EXT
11、 BUS中的AD7-AD0，以排针形式引出。3指令寄存器单元(INS UNIT)指令寄存器单元中指令寄存器的输出以排针形式引出，构成模型机时用它作为-# -计算机组成原理实验指导指令译码电路的输入，实现程序跳转控制。4. 时序电路单元(STATE UNIT)时序电路单元位于装置的左上部，其电路由四部分构成：消抖电路(KK2)、时序控制(TSl、TS2、TS3 TS4)、时钟信号源()、拨动二进制开关组(STOP、STEP)。用户只需将信号与信号源的输出插孔相连，然后按动START微动开关，根据STOP及 STEP的状态，T1-T4将输出有规则的方波信号。 各部分电路详细介绍如下：(1) 单拍脉
12、冲及消抖电路在实验中KK2一般用作为单脉冲信号发生器；STARTB将其输出接入时序电路中的START处，作为时序电路的启动开关。所以，START一般用作启动时序电路。(2) 时序控制电路、拨动开关组STEP单步)、STOP停机)分别是来自实验台上部的两个二进制开关STEP STOP的模拟信号。启动是来自微动开关START的按键信号。当STEP=O(EXEC时，按下START微动开关，运行触发器Cr 一直处于“ 1”状态，因而时序信号 TS1-TS4将周而复始的发送出去。若STEP=1时，按下START微动开关，机器处于单步运行状态，即此时只发送 一个CPU周期的时序信号就停机。利用单步方式，每
13、次只产生一条微指令，因而可 以观察微指令的代码与当前微指令的执行结果。另外，当机器连续运行时，如果使STOFW关置“ 1” (STOP)也会使机器停机。此电路经译码逻辑产生不受控制的间隔时序信号TSl、TS2、TS3 TS。(3) 信号源此单元位于STATE UNIT左侧，标有SIGNAL UNIT，调节 W可以使H24端输 出用户期望的某一频率的方波信号，调节W2可使H23端输出特定占空比的信号。5. 微控器电路单元(MICRO-CONTROLLER UNIT)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开关 MJ20的相应状态选择及由 CLK CLKC引入的节拍
14、脉 冲的控制来完成将预先定义好的机器指令对应的微代码程序写入到2816 E2PROM控制存储器中，也具有现场直接编程能力，将自编的微程序写入2816中，还可以对控制存贮器中的微代码进行校验。本系统使用2816 E2PROMI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CLK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 (Micro-ControllerUNIT)中的24位显示灯(MDI-MD24)显示的状态即为读出的微指令。其中的几位经过译码产生实验板所需的相应控制信 号，将它们加到数据通路中相应的控制位，就可对该条机器指令的功能进行解释和执行。当一条微指令解释完毕，再继续接收下一条微代码对应的微地址入口，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
