指导组成原理DICECP226实验一至五教材.docx
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指导组成原理DICECP226实验一至五教材
实验指导DICE-CP226系统概述
1.1DICE-CP226特点
1、采用总线结构
DICE-CP226实验系统使用三组总线即地址总线ABUS、数据总线DBUS、指令总线IBUS和控制信号,CPU、主存、外设和管理单片机等部件之间通过外部数据总线传输,CPU内部则通过内部数据总线传输信息。
各部件之间,通过三态缓冲器作接口连接。
2、计算机功能模块化设计
DICE-CP2226为实验者提供运算器模块ALU,众多寄存器模块(A,W,IA,ST,MAR,R0…R3等),程序计数器模块PC,指令部件模块IR,主存模块EM,微程序控制模块〈控存〉uM,微地址计数器模块UPC,组合逻辑控制模块及I/O等控制模块。
各模块间的电源线、地线、地址总线和数据总线等已分别连通,模块内各芯片间数据通路也已连好,各模块的控制信号及必要的输出信号已被引出到主板插孔,供实验者按自己的设计进行连接。
3、智能化控制
系统在单片机监控下,管理模型机运行和读写,当模型机停机时,实验者可通过系统键盘,读写主存或控存指定单元的内容,使模型机实现在线开发。
模型机运行时,系统提供单步一条微指令(微单步)、单步一条机器指令(程单步),连续运行程序及无限止暂停等调试手段,能动态跟踪数据,流向、捕捉各种控制信息。
4、提供两种实验模式
①手动运行“Hand……”:
通过拨动开关和发光二极管二进制电平显示,支持最底层的手动操作方式的输入/输出和机器调试。
②自动运行:
通过系统键盘及液晶显示器或PC机,直接接输入或编译装载用户程序<机器码程序和微程序>,实现微程序控制运行。
5、开放性设计
运算器采用了EDA技术设计,随机出厂时,已提供一套已装载的方案,能进行加、减、与、或、带进位加、带进位减、取反、直通八种运算方式,若用户不满意该套方案,可自行重新设计并通过JTAG口下载。
用户还可以设计自己的指令/微指令系统。
系统中已带三套指令/微程序系统,用户可参照来设计新的指令/微程序系统。
系统的数据线、地址线、控制线均在总线接口区引出,并设计了40芯锁进插座,供用户进行RAM、8251、8255、8253、8259等接口器件的扩展实验。
6、支持中断实验
采用最底层的器件设计,让学生可以从微程序层面上学习中断请求、中断响应、中断处理、中断入口地址的产生、中断服务程序及中断返回(RETI)整个过程。
7、支持两种控制器实验
系统提供两种控制器方式,即微程序控制器和组合逻辑控制器。
8、支持子程序调用、返回、指令流水线和RISC精简指令系统实验。
9、配备以Win98/2000/XP为操作平台的集成调试软件包
系统通过RS-232C串行通讯接口与PC机联接,借助PC资源形成了强大的在线文档与图形的动态管理系统,自带编译器,支持汇编语言的编辑、编译、调试,可动态显示数据流向、实时捕捉数据、地址、控制总线的各种信息,使调试过程极为生动形象。
1.2实验系统组成
CP226计算机组成原理实验系统由实验平台、开关电源、软件三大部分组成。
实验平台上有寄存器组R0-R3、运算单元、累加器A、暂存器W、直通/左移/右移单元、地址寄存器、程序计数器、堆栈、中断源、输入/输出单元、存储器单元、微地址寄存器、指令寄存器、微程序控制器、组合逻辑控制器、扩展单元、总线接口区、微动开关/指示灯、逻辑笔、脉冲源、管理单片机、24个按键、字符式LCD、RS232口。
1.3实验系统总体结构
实验系统由实验箱、PC机、软件三大部分组成。
实验箱包含七个部分:
1.数据处理部件:
有运算单元ALU、累加器A、暂存器W、寄存器组R0-R3、直通门D、左移门L、右移门R、进位标志灯RCy、零标志灯Rz、中断向量寄存器和码健IA、中断请求标志灯REQ、中断响应标志灯ACK、程序计数器PC、指令寄存器IR、地址寄存器MAR、堆栈寄存器ST和存储器EM等经典计算机的基本数据处理部件部件
2.微程序结构部件:
有微程序计数器uPC、微程序存储器uM、微程序运行周期指示灯RT1和RT0。
它们用于学习微程序结构对指令译码的工作原理。
3.组合逻辑结构部件:
由(编程)组合逻辑芯片(in-systemIC)LC4256V和它的I/O引脚及指令周期指示灯CT0和CT1组成。
用于学习由组合电路构成的指令译码器的工作原理,
4.输入通道:
有电键和键盘两种形式,是实验中的主要操作部件。
电键k0~k15用于人工以电平形式发出控制命令(机器指令),k16~K23用来设定输入数据,这是第三种译码方式,用于学习“译码器”的工作原理。
键盘用于以代码形式发出控制命令(针对实验箱提供的两种自动译码方式)和数据,用于学习“机器指令码”的实质,进而学习“程序指令”的控制原理,再进而理解“程序”的控制原理,液晶显示器用于辅助和显示键盘的输入。
5.输出通道:
由散布于各处的数码管、发光管和液晶显示器组成。
数码管用于指示所在处寄存器的值,发光管用于指示总线或标志位状态,液晶显示器用于显示键盘输入、机器状态和某些处理结果
6.总线:
任何计算机系统都有数据总线、地址总线和控制总线。
数据总线:
设备上以白色粗线标出走向,并标有DBUS字样和指示灯。
数据输入通道:
由下部左侧的8位电键(K16~k23)赋值,向右转直接连到插座J3;向左连到输入锁存器IN,然后连到插座J2;再由8位扁平线把J2或J3同J1相连,使数据进入数据处理部件。
数据输出通道:
由数据处理部件的各部件产生数据,经数据总线的(最上面部分)送到输出锁存器,经数码管显示。
地址总线:
设备上以白色粗线标出走向,并标有ABUS字样和指示灯。
地址总线上的信号是存储器(EM)的地址,而这个地址在这个经典机模型中总是由指令发出的,所以,ABUS只在PC、EM和MAR间存在。
控制总线:
指令和微指令结构译码的控制总线设备上以白色粗线标出走向,并标有IBUS字样和指示灯。
组合逻辑译码的控制总线没有标出,但实际上也是这个通路(因为拨动开关KC保证二者只有一个工作)。
7.模型机有24位控制位以控制寄存器的输入、输出,选择运算器的运算功能,存储器的读写。
24位控制位分别介绍如下:
+XRD:
外部设备读信号,当给出了外设的地址后,输出此信号,从指定外设读数据。
EMWR:
程序存储器EM写信号。
EMRD:
程序存储器EM读信号。
PCOE:
将程序计数器PC的值送到地址总线ABUS上。
EMEN:
将程序存储器EM与数据总线DBUS接通,由EMWR和EMRD决定是将DBUS数据写到EM中,还是从EM读出数据送到DBUS。
IREN:
将程序存储器EM读出的数据打入指令寄存器IR和微指令计数器uPC。
EINT:
中断返回时清除中断响应和中断请求标志,便于下次中断。
ELP:
PC打入允许,与指令寄存器的IR3、IR2位结合,控制程序跳转。
MAREN:
将数据总线DBUS上数据打入地址寄存器MAR。
MAROE:
将地址寄存器MAR的值送到地址总线ABUS上。
OUTEN:
将数据总线DBUS上数据送到输出端口寄存器OUT里。
STEN:
将数据总线DBUS上数据存入堆栈寄存器ST中。
RRD:
读寄存器组R0-R3,寄存器R?
的选择由指令的最低两位决定。
RWR:
写寄存器组R0-R3,寄存器R?
的选择由指令的最低两位决定。
CN:
决定运算器是否带进位移位,CN=1带进位,CN=0不带进位。
FEN:
将标志位存入ALU内部的标志寄存器。
WEN:
将数据总线DBUS的值打入工作寄存器W中。
AEN:
将数据总线DBUS的值打入累加器A中。
S?
:
S2、S1、S0三位组合决定ALU做何种运算。
X?
:
X2、X1、X0三位组合来译码选择将数据送到DBUS上的寄存器。
实验箱基本操作
1.启动:
打开实验箱右侧面的电源开关,各数码管显示不同初值。
2.手动模式:
按一下实验箱的复位按钮(RST),然后按小键盘的(TV/ME)键三次,液晶屏显示“hand……”后进入此模式。
当采用人工译码方式时,使用此工作模式。
这时控制总线信号由人工用K0~k15产生。
数据总线的输入值由人工用K16~k23产生,并经J3通过8位扁平线和J1进入数据处理部件。
3.工作脉冲
CP226实验仪的寄存器输入输出需要脉冲控制(即微程序控制的时序脉冲)。
手动操作时该脉冲控制信号是由实验仪的CK脉冲产生的。
本实验仪设置小键盘的STEP键作为CK脉冲的控制键。
当按下小键盘的STEP键CK脉冲由高变低(产生下降沿,CK信号呈亮→灭),根据控制信号选通某个寄存器;放开小键盘的STEP键CK脉冲由低变高(即产生上升沿,CK信号呈灭→亮),数据打入选通的寄存器。
4.自动模式:
实验箱启动后或按一下RST按钮,进入此模式。
当采用自动译码方式时,使用此工作摸式。
这时数据总线的输入值应该事先存入IN寄存器,供系统运行时自动读取,即数据输入路线为:
由IN寄存器的输出产生,经J2和8位扁平线从J1进入数据处理部件。
具体操作待后续实验中介绍。
1.4实验系统所用芯片
型号
名称
备注
16V8
PLD可编程逻辑器件
低密度PLD器件
74LS245
三态输出的总线收发器
具有双向三态功能,既可以输出,也可以输入数据。
74LS32
四2输入或门
74LS574
八D边沿触发触发器(三态)
74LS138
3线-8线译码器
74LS08
四2输入与门
74LS139
两个2线-4线译码器
74LS161
同步四位二进制计数器
6116
RAM
2K×8位高速静态CMOS随机存取存储器
MAX232
串口芯片
RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片
8253
可编程计数器/定时器
1016
PLD可编程逻辑器件
高密度isp(在线可编程)PLD器件
8255
可编程并行I/O接口芯片
有3个8位并行I/O口
LC4256V
CPLD可编程逻辑器件
CPLD(复杂可编程逻辑器件)主要是由可编程逻辑宏单元(LMC,LogicMacroCell)围绕中心的可编程互连矩阵单元组成
实验一寄存器实验
【实验要求】
利用CP226实验系统上的K16..K23开关做为DBUS的数据,其它开关做为控制信号,将数据写入累加器A,寄存器W。
【实验目的】
了解模型机中各种寄存器结构、工作原理及其控制方法。
【实验涉及的电路及原理】
寄存器的作用是用于保存数据的,因为我们的模型机是8位的,因此在本模型机中大部寄存器是8位的,标志位寄存器(Cy,Z)是二位的。
用74HC574(八D边沿触发触发器(三态))来构成寄存器。
74HC574的功能如下:
1.在CLK的上升沿将输入端的数据打入到8个触发器中
2.当OC=1时触发器的输出被关闭,当OC=0时触发器的输出数据
OC
CLK
Q7..Q0
注释
1
X
高阻态
OC为1时触发器的输出被关闭
0
0
Q7..Q0
当OC=0时触发器的数据输出
0
1
Q7..Q0
当时钟为高时,触发器保持数据不变
X
↑
D7..D0
在CLK的上升沿将输入端的数据打入到触发器中
【实验内容】
1:
A,W寄存器实验
或
寄存器A原理图
寄存器W原理图
连接线表:
连接
信号孔
接入孔
作用
状态说明
1
J1座
J3座
将K23-K16接入DBUS[7:
0]
实验模式:
手动
2
AEN
K3
选通A
低电平有效
3
WEN
K4
选通W
低电平有效
4
CK
已连
ALU工作脉冲
上升沿打入
系统清零和手动状态设定:
K23-K16开关置零,按[RST]钮,按[TV/ME]键三次,进入"Hand......"手动状态。
(在后面实验中实验模式为手动的操作方法不再详述.)
将8AH写入A寄存器
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入,置数据8AH
K23
K22
K21
K20
K19
K18
K17
K16
置控制信号为:
K4(WEN)
K3(AEN)
1
0
按住STEP脉冲键,CK由高变低,这时寄存器A的黄色选择指示灯亮,表明选择A寄存器。
放开STEP键,CK由低变高,产生一个上升沿,数据8AH被写入A寄存器。
将66H写入W寄存器
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入,置数据6CH
K23
K22
K21
K20
K19
K18
K17
K16
置控制信号为:
K4(WEN)
K3(AEN)
0
1
按住STEP脉冲键,CK由高变低,这时寄存器W的黄色选择指示灯亮,表明选择W寄存器。
放开STEP键,CK由低变高,产生一个上升沿,数据6CH被写入W寄存器。
江西师范大学计算机信息工程学院学生实验报告
专业:
__姓名_:
__学号:
____日期:
__
课程名称
计算机组成原理
实验室名称
先骕楼4607
实验名称
实验一实验箱及寄存器实验A、W
指导教师
成绩
实验原理、目的:
实验和内容:
1.实验箱有哪些主要部件?
2.将57H写入A寄存器。
K23
K22
K21
K20
K19
K18
K17
K16
K4(WEN)
K3(AEN)
3.将0A8H写入W寄存器
K23
K22
K21
K20
K19
K18
K17
K16
K4(WEN)
K3(AEN)
思考与解答
1.按住STEP脉冲键实验现象?
(实验箱中有什么变化)
2.放开STEP键实验现象?
(实验箱中有什么变化)
3.数据是在什么时候被打入寄存器的?
实验二数据寄存器组R0..R3,MAR,ST,OUT实验
【实验要求】
利用CP226实验系统上的K16..K23开关做为DBUS的数据,其它开关做为控制信号,将数据写入寄存器,数据寄存器组R0..R3,地址寄存器MAR,堆栈寄存器ST,输出寄存器OUT。
【实验目的】
了解模型机中各种寄存器结构、工作原理及其控制方法。
【实验涉及的电路及原理】
实验1:
R0,R1,R2,R3寄存器实验
寄存器R原理图
连接线表
连接
信号孔
接入孔
作用
状态说明
1
J1座
J3座
将K23-K16接入DBUS[7:
0]
实验模式:
手动
2
RRD
K11
寄存器组读使能
低电平有效
3
RWR
K10
寄存器组写使能
低电平有效
4
SB
K1
寄存器选择B
5
SA
K0
寄存器选择A
6
CK
已连
寄存器工作脉冲
上升沿打入
7
D7..D0
L7..L0
观察寄存器数据输出
将11H写入R0寄存器
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入,置数据AAH
K23
K22
K21
K20
K19
K18
K17
K16
置控制信号为:
K11(RRD)
K10(RWR)
K1(SB)
K0(SA)
1
0
0
0
按住STEP脉冲键,CK由高变低,这时寄存器R0的黄色选择指示灯亮,表明选择R0寄存器。
放开STEP键,CK由低变高,产生一个上升沿,数据AAH被写入R0寄存器。
将29H写入R1寄存器
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入,置数据29H
K23
K22
K21
K20
K19
K18
K17
K16
置控制信号为:
K11(RRD)
K10(RWR)
K1(SB)
K0(SA)
1
0
0
1
按住STEP脉冲键,CK由高变低,这时寄存器R1的黄色选择指示灯亮,表明
择R1寄存器。
放开STEP键,CK由低变高,产生一个上升沿,数据29H被写入R1寄存器。
将63H写入R2寄存器
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入,置数据63H
K23
K22
K21
K20
K19
K18
K17
K16
置控制信号为:
K11(RRD)
K10(RWR)
K1(SB)
K0(SA)
1
0
1
0
按住STEP脉冲键,CK由高变低,这时寄存器R2的黄色选择指示灯亮,表明选择R2寄存器。
放开STEP键,CK由低变高,产生一个上升沿,数据63H被写入R2寄存器。
将44H写入R3寄存器
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入,置数据44H
K23
K22
K21
K20
K19
K18
K17
K16
置控制信号为:
K11(RRD)
K10(RWR)
K1(SB)
K0(SA)
1
0
1
1
按住STEP脉冲键,CK由高变低,这时寄存器R3的黄色选择指示灯亮,表明选择R3寄存器。
放开STEP键,CK由低变高,产生一个上升沿,数据44H被写入R3寄存器。
读R0寄存器
置控制信号为:
K11(RRD)
K10(RWR)
K1(SB)
K0(SA)
0
1
0
0
这时寄存器R0的红色输出指示灯亮,R0寄存器的数据送上数据总线。
此时数据总线指示灯L7...L0为:
00010001.将K11(RRD)置为1,关闭R0寄存器输出。
读R1寄存器
置控制信号为:
K11(RRD)
K10(RWR)
K1(SB)
K0(SA)
0
1
0
1
这时寄存器R1的红色输出指示灯亮,R1寄存器的数据送上数据总线。
此时数据总线指示灯L7...L0为:
00100010.将K11(RRD)置为1,关闭R1寄存器输出。
读R2寄存器
置控制信号为:
K11(RRD)
K10(RWR)
K1(SB)
K0(SA)
0
1
1
0
这时寄存器R2的红色输出指示灯亮,R2寄存器的数据送上数据总线。
此时数据总线指示灯L7...L0为:
00110011.将K11(RRD)置为1,关闭R2寄存器输出。
读R3寄存器
置控制信号为:
K11(RRD)
K10(RWR)
K1(SB)
K0(SA)
0
1
1
1
这时寄存器R3的红色输出指示灯亮,R3寄存器的数据送上数据总线。
此时数据总线指示灯L7...L0为:
01000100.将K11(RRD)置为1,关闭R3寄存器输出。
实验2:
MAR地址寄存器,ST堆栈寄存器,OUT输出寄存器
寄存器MAR原理图
将11H写入R0寄存器
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入,置数据AAH
K23
K22
K21
K20
K19
K18
K17
K16
置控制信号为:
K11(RRD)
K10(RWR)
K1(SB)
K0(SA)
1
0
0
0
按住STEP脉冲键,CK由高变低,这时寄存器R0的黄色选择指示灯亮,表明选择R0寄存器。
放开STEP键,CK由低变高,产生一个上升沿,数据AAH被写入R0寄存器。
将29H写入R1寄存器
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入,置数据29H
K23
K22
K21
K20
K19
K18
K17
K16
置控制信号为:
K11(RRD)
K10(RWR)
K1(SB)
K0(SA)
1
0
0
1
按住STEP脉冲键,CK由高变低,这时寄存器R1的黄色选择指示灯亮,表明
择R1寄存器。
放开STEP键,CK由低变高,产生一个上升沿,数据29H被写入R1寄存器。
将63H写入R2寄存器
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入,置数据63H
K23
K22
K21
K20
K19
K18
K17
K16
置控制信号为:
K11(RRD)
K10(RWR)
K1(SB)
K0(SA)
1
0
1
0
按住STEP脉冲键,CK由高变低,这时寄存器R2的黄色选择指示灯亮,表明选择R2寄存器。
放开STEP键,CK由低变高,产生一个上升沿,数据63H被写入R2寄存器。
将44H写入R3寄存器
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入,置数据44H
K23
K22
K21
K20
K19
K18
K17
K16
置控制信号为:
K11(RRD)
K10(RWR)
K1(SB)
K0(SA)
1
0
1
1
按住STEP脉冲键,CK由高变低,这时寄存器R3的黄色选择指示灯亮,表明选择R3寄存器。
放开STEP键,CK由低变高,产生一个上升沿,数据44H被写入R3寄存器。
读R0寄存器
置控制信号为:
K11(RRD)
K10(RWR)
K1(SB)
K0(SA)
0
1
0
0
这时寄存器R0的红色输出指示灯亮,R0寄存器的数据送上数据总线。
此时数据总线指示灯L7...L0为:
00010001.将K11(RRD)置为1,关闭R0寄存器输出。
读R1寄存器
置控制信号为:
K11(RRD)
K10(RWR)
K1(SB)
K0(SA)
0
1
0
1
这时寄存器R1的红色输出指示灯亮,R1寄存器的数据送上数据总线。
此时数据总线指示灯L7...L0为:
00100010.将K11(RRD)置为1,关闭R1寄存器输出。
读R2寄存器
置控制信号为:
K11(RRD)
K10(RWR)
K1(SB)
K0(SA)
0
1
1
0
这时寄存器R2的红色输出指示灯亮,R2寄存器的数据送上数据总线。
此时数据总线指示灯L7...L0为:
00110011.将K11(RRD)置为1,关闭R2寄存器输出。
读R3寄存器
置控制信号为:
K11(RRD)
K10(RWR)
K1(SB)
K0(SA)
0
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- 指导 组成 原理 DICECP226 实验 一至五 教材