TECXP实验机计算机组成原理接口技术.docx

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TECXP实验机计算机组成原理接口技术

一．实验计算机的组成1

1.硬件组成：

1

（1）运算器：

2

（2）控制器：

2

（3）存储器：

3

（4）总线：

3

（5）输入设备：

4

（6）输出设备：

4

（7）TEC-XP教学机串行接口：

4

（8）扩展：

4

2.软件组成4

（1）监控程序Monitor：

4

（2）交叉汇编程序ASEC：

5

二．实验计算机的工作原理5

三．实验5

实验一.基础汇编语言程序设计5

实验二.脱机运算器实验6

实验三.组合逻辑控制器实验6

实验四.存储器实验7

实验五.微程序控制器实验8

四．部分重要芯片9

Am2910ADC9

HN58C65P-2511

74LS37712

74LS13913

HM6116LP-316

一．实验计算机的组成

本次实验采用的是TEC-XP实验机。

TEC-XP机是一台软、硬件相对完整、配置小巧合理的完整计算机系统。

机器有运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备等计算机完整要素。

TEC-XP的组成可分为硬件组成和软件组成。

1.硬件组成：

实验机的硬件由总线将“运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备”五大设备连接组成。

TEC-XP机的基本系统做在了2块印刷电路板上。

全部线路芯片均以芯片插座与线路板连接；逻辑线路按功能部件划分在印制板的不同区域；主板上安装有一定数量的开关、按键与指示灯；线路板上布有适当的量测孔，一定数量的跳线夹，用以人为设置机器故障或变更设计。

实验机的机器字长16位,运算器、主存、数据总线、地址总线都是16位。

系统配置了两个不同实现方案的CPU系统，一个CPU沿袭传统的设计思路，由中小规模的器件组成；另一个CPU用大规模的FPGA器件设计实现。

下面介绍TEC-XP机硬件的关键几大部件：

（1）运算器：

实验计算机的运算器的位数为16位，由4片4位的AM2901芯片级连构成，片间用串行进位方式传递进位信号。

除外还有两片Gal20V8，分别构成状态寄存器和移位寄存器，运算器的输出，既可通过地址寄存器AR加到地址总线上，也可以通过三态控制门送到内部数据总线上。

ALU实现8种算术与逻辑运算功能。

其内部包括16个双端口读出、单端口写入的通用寄存器（16位）,和一个能自行移位的乘商寄存器。

运算器还设置了C（进位）、Z（结果为0）、V（溢出）和S（符号位）四个状态标志位。

运算器内除算术逻辑运算器之外，还包括16个工作寄存器（以R0～R15标记），其中R0～R3，R8～R15为一般工作寄存器，用于存放临时数据或地址，R4用作堆栈指针寄存器SP，R5为程序计数器PC，用于记录下一条待执行指令的地址，R6用作当前指令指针寄存器IP，R7为单步操作专用寄存器。

（2）控制器：

控制器采用微程序和硬布线两种控制方案实现，可由实验者自由选择。

控制器的指令系统支持多种基本寻址方式。

其中一部分指令已实现，用于设计监控程序和用户的常规汇编程序，尚保留多条指令供实验者自己实现。

实验人员可方便地修改已有设计，或加进若干条自己设计与实现的新指令，新老指令同时运行。

控制器的基本功能是将待执行的指令码由主存储器取至指令寄存器，并完成相应指令的执行。

控制部件由指令寄存器、地址映射器、微程序定序器、控制存储器、微指令寄存器和指令写入寄存器等组成。

控制器的主要部件有：

1.微程序控制存储器：

微程序控制存储器由2片58C65芯片（记作CM1、CM0）和MACH器件内部的一些电路组成。

用于存放48位字长微指令构成的微程序。

用于存放TEC-XP机48位字长微指令构成的的微程序。

48位字长微指令由16位的下地址字段（来自CM1、CM0）和32位的微命令字段（来自MACH）组成。

需要注意的是，TEC-XP机微控制存储器的字长是48位，只使用8位地址寻址。

2.微指令寄存器：

微指令寄存器由1片8位的寄存器芯片74LS374和1片74LS273及MACH（32位）组成。

用以存放当前微指令的内容（48位）。

微指令寄存器的输出直接用于驱动相应的硬件电路。

3.微程序定序器：

微程序定序器AM2910芯片是控制器的核心，其功能是依据机器的运行状态与当前微指令的有关内容等，正确形成下一条微指令的地址，以保证微程序按要求，自动地逐条衔接执行。

4.程序计数器PC和当前指令地址寄存器IP、指令寄存器IR：

控制器还包括一个程序计数器PC和当前指令地址寄存器IP，在TEC-XP机中它们是用运算器中通用寄存器组里的R5、R6代替的，只需通过运算器中的A地址和B地址端口予以正确指定即可。

指令寄存器IR：

用于存放当前正执行的指令内容，它是由主存储器取出经外部数据线DB和内部数据线IB传送来的机器指令码（16位）。

（3）存储器：

存储器的容量为10KW，由RAM和ROM构成。

ROM的容量为8KW，由4片58C65（28C64）芯片组成，用于存放系统监控程序。

地址0-1FFFFH之间。

RAM的容量为2KW，由2片6116芯片组成，用于存放用户程序和数据。

地址2000H-3FFFH之间。

ROM、RAM均可以进行8位或16位操作。

存储器还还配置了另外2片存储器芯片的器件插座，可以方便地完成对16位字长的内存储器的容量扩展实验。

对ROM存储区可以选用紫外线擦除（27系列）或电擦除（28系列）的存储器芯片实现。

（4）总线：

总线由16位地址线和16位数据线及其它控制信号、状态信号构成。

地址总线：

其输入信号均由地址寄存器发出，地址寄存器只能接收来自运算器的运算结果信号。

地址总线的输出可送往：

①主存储器；

②各外设的I/O接口，如串行接口、并行接口等；

③微程序控制存储器，供用户通过LDMC指令向微程序控制存储器装入用户自己设计的微指令。

1供驱动点燃发光二极管器件，以便于用户随时查看地址总线的当前内容。

数据总线：

数据总线分为内部数据总线IB（在CPU一方）与外部数据总线DB（在主存与外设接口一方），它们之间通过2片8位的双向三态驱动器74LS245连接。

三态门上有两个控制信号，/MIO用于片选，当其为低电平时，三态门处于工作状态，否则，使内部数据总线IB与外部数据总线DB在逻辑上断开；/WE用于决定数据的传送方向，为低电平时，数据从内部总线传向外部总线，为高电平时，数据则从外部传向内部总线。

内部数据总线IB的输入信号来源：

①16个钮子开关：

用于手拨方式输入数据或地址，通过信号控制两片74LS244（SWD1和SWD2）实现。

②运算器的16位输出：

通过信号YTOIB控制两片74LS244（RES1和RES2）实现（逻辑图一上方）。

③外部数据总线传送来的数据：

通过MIO和WE控制两片74LS245（DIO1和DIO2）实现（逻辑图一右方）。

④处理机状态字（C、Z，V，S）4个标志位，通过信号FTOIB控制1片74LS244（STRD）实现逻辑图一上左方）。

⑤指令寄存器的低位字节（I/O端口地址或相对寻址的位移量），通过信号控制两片74LS244（IRD1和IRD2）实现（逻辑图一中间）。

所有这些输入都是通过三态门实现控制的。

内部数据总线IB的信号可送到如下部件：

①运算器2901的16位D输入端。

②外部数据总线DB。

③指令寄存器IR15-0，通过控制。

（5）输入设备：

TEC-XP机安装有约26个扭子开关，3个按钮微动开关。

完成程序、数据的二进制输入及功能选择。

（6）输出设备：

输出设备由16个发光二极管组成。

每个发光管都用八选一（由S2、S1、S0选择）的74LS151器件驱动，可选择显示有关内容。

当输入信号为“1”时灯亮，为“0”时灯灭。

（7）TEC-XP教学机串行接口：

TEC-XP教学机配置了两路串行接口COM1口和COM2口。

这两个串口各自使用1片串行接口芯片Intel8251，共用1片实现电平转换的MAX202芯片，各自通过一个D型9芯的接插头与终端或PC机的串口相连。

COM1口是系统默认的串行口。

通过COM1口可实现实验机与PC机仿真终端直接通讯。

COM2口是留给用户扩展串行接口实验时使用的。

（8）扩展：

实验机主板上预留了一个40芯的器件插座,并给出了扩展操作可能用到的地址、数据及控制信号的连接插孔。

同时还提供了完成中断教学实验所需要的全部支持。

2.软件组成

TEC-XP机的指令系统由基本指令和扩展指令组成，其中53条指令已经采用微程序实现，存放在2片8位的控存ROM中，TEC-XP机的监控程序就由这些基本指令编写，尚留部分扩展指令供实验者自己实现。

所有微程序固化在TEC-XP机中控制存储器中。

控存字长48位，由6片74LS6116芯片RAM组成，TEC-XP机指令的执行是通过运行存放在控存中其对应的微程序实现的。

下面介绍TEC-XP机硬件的关键几大部件：

（1）监控程序Monitor：

监控程序共2048个字，固化在主存0000H—0A2FH共2K字的主存ROM中。

新增加部分被固化在主存0A30H—1FFFH共2K字的主存ROM中。

它完成的功能有：

①控制微机终端（键盘、显示器）与TEC-2机连接运行；

②接收并执行TEC-XP机操作命令；

③接收并汇编TEC-XP机的单条汇编命令；

④提供TEC-XP机汇编语言的可用子程序。

（2）交叉汇编程序ASEC：

交叉汇编程序ASEC存放在微机上，并且运行在PC机上。

ASEC程序用IBM/PC机的指令系统专门为TEC-XP机设计，它是一个符号汇编程序，能对用TEC-XP所定义的53条指令编写的TEC-XP机源汇编程序进行汇编，得到一个在TEC-XP机上的可执行程序。

交叉汇编程序ASEC具体实现方法是：

在微机PC机上用编辑软件EDIT录入TEC-XP机汇编源程序到PC机磁盘上，然后用交叉汇编程序ASEC对此源程序进行汇编翻译成在TEC-XP机上可运行的二进制可执行程序程序，通过串口V70将微机与TEC-XP机连接，在PC机上运行“TEC-XP机与PC机通讯程序PCEC”，将此可执行程序传入TEC-XP机内存中，从而实现，在PC机上录入，在TEC-XP机上执行，以方便用户的实验操作。

1.TEC-XP机与IBM-PC机通讯程序PCEC16：

PCEC16通讯程序用PC机汇编语言编写，由两部分组成，一部分在TEC-XP机监控程序中，另一部分在PC机磁盘上。

PCEC16程序的功能有：

2.实现PC机与TEC-XP机间文件传输；即可以把PC机上程序、数据通过PCEC传入TEC-XP机，还可以将TEC-XP机上程序、数据传到PC机进行显示处理。

3.将PC机作为TEC-XP机终端完成程序、数据的输入及显示。

二．实验计算机的工作原理

三．实验

实验一.基础汇编语言程序设计

1、实验内容：

（1）学习联机使用TEC-XP教学实验系统和仿真终端软件PCEC；

（2）使用监控程序R命令显示/修改寄存器的内容、D命令显示存储器内容、E命令修改存储器内容；

（3）使用A命令写一小段汇编程序，U命令反汇编刚输入的程序，用G命令连续运行该程序，用T、P命令单步运行并观察程序单步执行情况；

2、实验完成情况;

这次试验的内容是基础汇编语言的设计，在这次实验中第一步需要做的就是建立TEC-XP联机。

联机的步骤是：

首先打开TEC-XP电源，然后运行PC机上的仿真终端软件PCEC。

接着设置PC机的串口，然后按一下TEC-XP上的“RESET”按键，再按一下“START”按键。

这样就成功的建立了连接。

联机成功后，就可以在PC机上编写汇编程序。

编写汇编程序，我主要练习了使用监控程序R命令显示/修改寄存器的内容，使用D命令显示存储器内容，使用E命令修改存储器内容，使用A命令写一小段汇编程序，使用U命令反汇编刚输入的程序，使用G命令连续运行该程序，使用T、P命令单步运行程序。

3、实验体会：

在这次实验中，我明显的感觉到了汇编作为底层语言的作用。

所有的汇编程序的编写都和计算机的寄存器，地址等密切相关。

比如在使用R命令查看寄存器内容，使用D命令显示存储器内容，使用A命令编写一段汇编程序源的过程中，我能清楚的知道寄存器，存储器当前的状态，而且能够修改当前的值，也能通过E命令修改存储器一段地址的内容。

所以说编写汇编语言对了解计算机各硬件之间如何协同工作的作用是极大的。

实验二.脱机运算器实验

1、实验内容：

（1）理解脱机实验的意义，即让运算器从教学计算机整机中脱离出来，通过两个12位的微型开关完成对运算器的全部控制和操作。

；

（2）学习24位微型开关具体的控制功能、操作和16位数据拨动开关的操作；

（3）使用24位控制信号的微动开关和16位的数据拨动开关实现脱机下的运算器的操作。

2、实验完成情况;

这次实验的内容是脱机运算器实验，目的就是为了更清楚的掌握如何控制运算器工作。

做实验之前，我详细的阅读了实习指导书，了解24位控制信号是如何控制以及控制的作用是什么。

其次，还了解了16位数据波动开关。

做实验时，首先要对实验计算机进行初始化，初始化的方式就是将左下方的5个波动开关置为1XX00，意思是该操作为单步，16位，脱机。

接着先按“RESET”键，再按“START”就完成了初始化操作。

接下来将D1置为0101H，D2置为1010H，通过12位的微型控制开关向运算器提供16位数据，按照表格的要求做实验并根据指示灯的情况填表。

3、实验体会：

平时用计算机时，计算机机本身就完成了发指令，送数的操作，因而对于运算器的控制机理只能停留在理论上。

在这次实验中，通过自己亲手对开关的操作，我直观的感受到了向运算器发指令，送数的操作。

除此之外，我还学到了配合运算器中的其他部件到底时如何协调配合运算器完成一次操作。

做完实验后我最真切的感受就是不同的命令决定了运算器究竟执行何种操作，数据的不同决定了最后输出的是何种结果。

实验三.组合逻辑控制器实验

1、实验内容：

（1）完成控制器部件的教学实验，主要内容是设计几条指令的功能、格式和执行流程，并在教学计算机上实现、调试正确；

（2）首先看懂TEC-XP教学实验计算机的功能部件组成和逻辑关系，然后分析教学计算机中已经设计好并正常运行的几条典型指令的功能、格式和执行流程；

（3）设计几条指令的功能、格式和执行流程，并在教学计算机上实现、调试正确。

同时设计与实现其他指令，包括原来已经实现的基本指令或自己确定的指令。

在原来提供的MACH程序的基础上按照ABEL语言的要求添加新指令的控制信号，编译产生JED文件并下载到MACH芯片里。

（4）单条运行指令，查看指令的功能、格式和执行流程。

先将教学机左下方的5个拨动开关置为11110，再按一下“RESET”按键，然后通过16位的数据开关（SWH、SWL）置入指令，按“START”按键单步送脉冲，通过指示灯观察信号的变化。

（5）用监控程序的A、E命令编写一段小程序。

观察运行结果。

实验时将教学机左下方的5个拨动开关置为00110，运行编写的小程序。

观察终端显示的结果，检验设计的指令是否正确。

若与预定结果不符，可查看指令的功能、格式、执行、流程设计的是否正确。

2、实验完成情况：

这次实验的内容是控制器。

由于控制器的功能比较多，因而它的电路组成也比较复杂，而且由于它的复杂性，所以在这次实验中就不可避免的设计到了很多方面的知识。

因而，在实验之前我做了长时间的预习，不过由于它比较复杂，所以预习的时候还是不太清楚，但基本的框架和概念还是有的。

做实验的时候，首先必须初始化，即将5个波动开关置为11110意义为单步、手动置指令，组合、16位、联机。

接着按下“RESET”按键。

由于是控制器，所以生成和输入指令码是必须的，该指令码的生成和输入由16位的数据开关SWH、SWL置入。

由于刚才预置的为单步方式，因而以下的一系列操作都是基于单步下的。

在单步下，首先选择基本指令A组指令中的ADD指令，然后置波动开关SW为0000000000000001，该指令表示指令为ADD，R0，R1，接着按下“RESET”键，此时观察到节拍指示灯显示为01000，完成一个节拍，当按下“START”键，节拍指示灯为0000，完成第二个节拍，按下“START”显示00010，完成第三个节拍，按下“START”键，显示0011完成最后一个节拍，当完成最后一个节拍时就完成了R0=R0+R1。

用同样的方法再做SHR和JMPA指令，区别在于拨动开关置数不同，分别置为0000101100010000，1000000000000000。

通过这些操作，我完成了实验任务。

3、实验体会：

这次实验比较难，我至今没将控制器整个体系的运作的每个细节搞清楚，不过大体上明白了它如何工作。

我认为控制器工作方式，主要是节拍控制和预置的指令的值。

在控制器工作时，它的工作靠节拍有序的执行，而指令的操作被切割在每一个节拍中一步一步的进行着，当然，由的指令的操作比较简单一步就可以完成，但是有的指令比较复杂需要多个节拍完成。

通过这样，指令就可以有序的正确的执行，从而得到正确的结果。

而控制器里具体的部件就是将这些指令转化为更加具体的操作，比如相加，取数等操作。

虽然现在我对这些具体的部件还不是很清楚，不过今后我会用更多的时间去学习。

实验四.存储器实验

1、实验内容：

（1）要完成存储器容量扩展的教学实验，虚伪扩展存储器选择一个地址，并注意读写和OE等控制信号的正确状态；

（2）用监控程序的D、E命令对存储器进行读写，比较RAM（6116）、EEPROM（28系列芯片）EPROM（27系列芯片）在读写上的异同；

（3）用监控程序的A命令编写一段程序，对RAM（6116）进行读写，用D命令查看结果是否正确；

（4）用监控程序的A命令编写一段程序，对扩展存储器EEPROM（28系列芯片）进行读写，用D命令查看结果是否正确；如不正确，分析原因，改写程序，重新运行。

2、实验完成情况：

存储器由有RAM，ROM，因而存储器的实验需要分别对两个不同的存储器进行测试。

首先对RAM进行测试，对RAM测试首先用E命令修改RAM中2020内存单元的值，然后用D命令查看该内存单元的数据。

然后断电，重启实验机。

再次查看2020内从单元的值，由于RAM是电易失性部件，所以用D命令查看是发现该内存单元的值改变了。

再使用A、G命令对存储器单元进行修改，断电后再次查看数据，发现数据同样被改变了。

接着对ROM存储器从进行测试，同样用E命令改变ROM内从单元的值，用D命令查看。

然后断电重启，再用D命令查看。

这次发现，两次D命令查看的数据相同，从而说明了ROM具有非电易失性，即断电不会丢失数据。

这样，整个实验就完成了。

3、实验体会：

这次实验，通过自己的操作我清楚的看到了RAM和ROM的不同。

RAM段电后数据丢失，而ROM却不同。

这与书上讲的是一样的，所以这个实验属于验证性实验。

这次实验虽然比较简单，但是它加深了我对RAM和ROM的认识，使书上的抽象的知识变成了更加具体的实践。

实验五.微程序控制器实验

1、实验内容：

（1）完成控制器部件的教学实验，主要内容是由学生自己设计几条指令的功能、格式和执行流程，并在教学计算机上实现、调试正确。

（2）首先是看懂TEC-XP教学计算机的功能部件组成和线路逻辑关系，然后分析教学计算机中已经设计好并正常运行的几条典型指令（例如，ADD、MVRR、OUT、MVRD、JRC、CALA、RET等指令）的功能、格式和执行流程，注意各操作功能所对应的控制信号的作用。

（3）设计几条指令的功能、格式和执行流程，并在教学计算机上实现、调试正确。

例如ADC、JRS、JRNS、LDRA、STAR、CALR等指令，可以从给出的19条扩展指令中任意选择，当然也可以设计与实现其他的指令，包括原来已经实现的基本指令（要交换为另外一个指令操作码）或自己确定的指令。

（4）单条运行指令，查看指令的功能、格式和执行流程。

（5）用监控程序的A、E（扩展指令必须用E命令置入）命令编写一段小程序，观察运行结果。

2、实验完成情况：

这次是微程序控制器的实验，与组合逻辑控制器不同的是微程序控制器需要用PC机向实验机写一段程序。

通过一些典型的指令比如ADD、JRC、CALA等完成对实验机的控制并输出相应的结果。

做实验时，首先要对实验机进行初始化，即将5个拨动开关置为11010意思为单步、手动置指令、微程序、联机、16位。

接着按“RESET”按键。

然后通过16位的数据开关SWH、SWL置入指令操作码。

控制采用的是单步方式，通过指示灯观察各类基本指令的微码。

预置完成就可以进行操作了，实验选取的操作为ADD指令和MVRD指令。

这两个指令的操作基本相同，拿其中的ADD指令来说。

在做ADD指令时，首先要做的就是置拨动开关SW=0000000000000001，接着按“RESET”按键，观察到microp指示灯亮了，然后重复按7次“START”按键，并观察每次指示灯的亮暗情况。

MVRD指令和ADD指令的操作基本相同，唯一的不同就是对于MVRD指令需要置拨动开关SW=1000100000000000。

做完基本指令的操作，接下来做的就是扩展指令的操作。

做扩展指令的实验时首先要做的就是将基本指令写入内存中，比如ADC指令的编码值为20，因此写入地址为4020，用同样的方法将STC、LDRA、CALR写入，写入操作采用的是E命令。

当完成写入后，采用和基本指令同样的方式，首先预置SW，然后按“RESET”按键，重复接着按“START”按键观察指示灯就可以完成实验。

其中ADC的SW预置为00100000000000，LDRA的SW为1110010000000000，CALR的SW为1110000000000000。

当完成了ADC、LDRA、CALR的设置工作后就开始检测其功能。

以ADC指令为例，首先用A命令输入地址2000然后通过MVRD向寄存器R0，R1赋值接着输入RET命令，然后用E命令输入设计时给STC、ADC、R0，R1的代码，接着用G命令键入源程序地址2000。

最后用R命令查看寄存器。

对于CALR和LDRA的测试大致和ADC相同，只不过由于他们实现了不同的功能，所以在测试的具体操作时采用了不同的测试方法。

3、实验体会：

.这次的实验是最繁琐的一次同时也是最难的一次。

这次实验非常的综合，它需要用到实验一中的汇编语言的编写，同时还要用到组合逻辑控制器对实验机预置以及一系列的“RESET”和“START”操作。

这次实验大体分为基本的指令测试和扩展指令的设计和测试。

其中扩展指令的测试基本和基本指令一样，而扩展指令的设计由基本指令构成，通过汇编语言进行实现。

在实验中，我进一步的了解到了指令的节拍控制以及各个节拍所完成的工作。

而且我学会了如何通过汇编语言设计扩展指令。

当这些完成后，我发现当进行指令的测试时会变的异常简单，而且在测试的过程我能清楚的感到每一步计算机是怎么工作的。

总之，在这次实验中我学到了很多，对于课上学到的东西理解的更深了。

4．部分重要芯片

Am2910ADC

1.功能说明

Am2910是一片能共提供12位微指令地址的器件，即它的输入输出的地址位数和器件内的部件的位数均为12位，能直接寻址4096条伪指令字的空间范围。

四片4位的运算器芯片Am2910彼此串接可输出16位的运算的结果（用Y表示）和4个结果特征为（用Cy、F=0000、OVER、F15标志），它的输入（用D表示）只能来自于内部总线。

确定运算器运算的数据来源、运算功能、结果处置方案，需要使用控制器提佛那个的I8~I0、B3~B0、A3~A0共17个信号。

运算器的输出直接连接到地址寄存器AR的输入引脚，用于提供地址总线的信息来源。

运算器的输出还经过两个8位的244器件的控制（使用DCI译码器的/YTOIB信号）被送到内部总线IB，用于把运算器中的数据