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组成原理实验书
计算机组成原理实验指导书
河南师范大学
计算机与信息技术学院
TEC—4计算机组成原理实验系统
TEC—4计算机组成原理实验系统由北京邮电大学计算机学院、清华同方教学仪器设备公司、深圳拓普威电子技术有限公司联合研制。
它是一个8位计算机模型实验系统,可用于大专、本科、硕士研究生计算机组成原理课程、计算机系统结构课程的教学实验,对提高学生的动手能力、提高学生对计算机整体和各组成部分的理解、提高学生的计算机系统综合设计能力都会有很大帮助。
一、TEC—4计算机组成原理实验系统特点
1.计算机模型简单、实用,运算器数据通路、控制器、控制台各部分划分清晰。
2.计算机模型采用了数据总线和指令总线双总线体制,能够实现流水控制。
3.控制器有微程序控制器或者硬布线控制器两种类型,每种类型又有流水和非流水两种方案。
4.寄存器堆由1片ispLSI1016组成,运算器由1片ispLSI1024组成,设计新颖。
5.实验台上包括了1片系统编程芯片ispLSI1032,学生可用它实现硬布线控制器。
6.该系统能做运算器组成、双端口存储器、数据通路、微程序控制器、中断、CPU组成与机器指令执行、流水微程序控制器、硬布线控制器、流水硬布线控制器等多种实验。
7.电源部分采用模块电源,重量轻,具有抗电源对地短路能力。
8.采用自锁紧累接接线方式,接线可靠。
二、TEC—4计算机组成原理实验系统的组成
TEC—4计算机组成原理实验系统由下述六部分组成:
1.控制台
2.数据通路
3.控制器
4.用户自选器件试验区
5.时序电路
6.电源部分
下面分别对各组成部分予以介绍。
三、电源
电源部分由一个模块电源、一个电源插座、一个电源开关和一个红色指示灯组成。
电源模块通过四个螺栓安装在实验台下面。
它输出+5V电压,最大负载电流3安培,内置自恢复保险功能,具有抗+5V对地短路能力。
电源插座用于接交流220伏市电,插座内装有保险丝。
电源开关用于接通或者断开交流220伏市电。
当电源模块输出+5V时,点亮+5V红色指示灯。
四、时序发生器
时序发生器产生计算机模型所需的时序。
时序电路由一个1MHz晶体振荡器、2片GAL22V10(U6和U7)组成,位于控制存储器的右边。
根据本机设计,执行一条微指令需要4个时钟周期T1、T2、T3、T4,执行一条指令通常需要取指、送操作数、运算、写结果四个节拍,因此本机的基本时序如下:
图1基本时序图
图中,MF是晶体振荡器产生的1MHz基本时钟,T1、T2、T3、T4是数据通路和控制器中各寄存器的时钟脉冲,印制板上已将它们和有关的寄存器连接。
T1、T2、T3、T4既供微程序控制器时使用,也供硬布线控制器使用。
W1、W2、W3、W4只供硬布线控制器作指令节拍信号使用。
五、数据通路
数据通路的设计是TEC—4计算机组成原理实验系统最有特色的部分。
首先它采用了数据总线和指令总线双总线形式,使得流水实验能够实现。
它还使用了大规模可编程器件作为运算器和寄存器堆,使得设计简单明了,可修改性强。
数据通路位于实验系统中部。
下图是数据通路总体图,下面介绍图中各主要部件的作用。
图2数据通路总体图
1.运算器ALU
运算器ALU由一片ispLSI1024(U47)组成,在选择端S2、S1、S0控制下,对数据A和B进行加、减、与、直通、乘五种运算,功能如下:
表1运算器功能表
进位C只在加法运算和减法运算时产生。
加运算中,C表示进位;减运算中,C代表借位。
加、减运算产生的进位(借位)在T4的上升沿送入C寄存器保存。
与、乘、直通操作不影响进位C的状态,即进位C保持不变。
当ALU_BUS=1时,运算结果送往数据总线DBUS。
加、减运算产生的进位(借位)C与控制台的C指示灯相连。
2.DR1和DR2
DR1和DR2是运算操作数寄存器,DR1和ALU的B数据口相连,DR2和ALU的A数据口相连。
DR1和DR2各由2片74HC298(U23、U24、U21、U22)组成。
U23是DR1的低4位,U24是DR1的高4位;U21是DR2的低4位,U22是DR2的高4位。
当M1=0且LDDR1=1时,在T3的下降沿,DR1接收来自寄存器堆B端口的数据;当M1=1且LDDR1=1时,在T3的下降沿,DR1接收来自数据总线DBUS的数据。
当M2=0且LDDR2=1时,在T3的下降沿,DR2接收来自寄存器堆A端口的数据;当M2=1且LDDR2=1时,在T3的下降沿,DR2接收来自数据总线DBUS的数据。
3.多端口通用寄存器堆RF
多端口通用寄存器堆RF由1片ispLSI1016(U32)组成,它的功能和MC14580类似。
寄存器堆中包含4个8位寄存器(R0、R1、R2、R3),有三个控制端口。
其中两个端口控制读操作,一个端口控制写操作,三个端口可同时操作。
RD1、RD0选择从A端口读出的寄存器,RS1、RS0选择从B端口读出的寄存器,WR1、WR0选择被写入的寄存器。
WRD控制写操作。
当WRD=0时,禁止写操作;当WRD=1时,在T2的上升沿将来自ER寄存器的数据写入由WR1、WR0选中的寄存器。
A端口的数据直接送往操作数寄存器DR2,B端口的数据直接送往操作数寄存器DR1。
除此之外,B端口的数据还通过1片74HC244(U15)送往数据总线DBUS。
当RS_BUS#=0时,允许B端口的数据送到数据总线DBUS上;当RS_BUS#=1时,禁止B端口的数据送到数据总线DBUS。
4.暂存寄存器ER
暂存寄存器ER(U14)是1片74HC374,主要用于暂时保存运算器的运算结果。
当LDER=1时,在T4的上升沿,将数据总线DBUS上的数据打入暂存寄存器ER。
ER的输出送往多端口通用寄存器堆RF,作为写入数据使用。
5.开关寄存器SW_BUS
开关寄存器SW_BUS(U38)是1片74HC244,用于将控制台开关SW7—SW0的数据送往数据总线DBUS。
当SW_BUS#=1时,禁止开关SW7—SW0的数据送往数据总线DBUS;当SW_BUS#=0时,允许开关SW7—SW0的数据送往数据总线DBUS。
6.双端口存储器RAM
双端口存储器由一片IDT7132(U36)及少量附加控制电路组成。
IDT7132是2048字节的双端口静态随机存储器,本机实际使用256字节。
IDT7132两个端口可同时进行读、写操作。
在本机中,左端口的数据连接总线DBUS,可进行读、写操作,右端口数据和指令总线INS连接,输出到指令寄存器IR,作为只读端口使用。
存储器IDT7132有6个控制引脚:
CEL#、LRW、OEL#、CER#、RRW、OER#。
CEL#、LRW、OEL#控制左端口读、写操作,CER#、RRW、OER#控制右端口读、写操作。
CEL#为左端口选择引脚,低有效,为高时禁止左端口操作;LRW为高时,左端口进行读操作,LRW为低时,左端口进行写操作;OEL#为低时,将左端口读出的数据放到数据总线DBUS上。
CER#、RRW、OER#控制右端口读、写操作的方式与CEL#、LRW、OER#控制左端口读、写操作的方式类似,不过右端口读出的数据放到指令总线上而不是数据总线上。
本机设计中,OER#已固定接地,RRW固定接高电平,CER#由CER反相产生。
当CER=1时,右端口读出数据,并放到指令总线INS上;当CER=0时,禁止右端口操作。
左端口的OEL#由LRW经反相产生,不需要单独控制。
当CEL#=0且LRW=1时,左端口进行读操作;当CEL#=0且LRW=0时,在T3的上升沿开始进行写操作,将数据总线DBUS上的数据写入存储器。
7.地址寄存器AR1和AR2
地址寄存器AR1(U37)和AR2(U27、U28)提供双端口存储器的地址。
AR1是1片GAL22V10,具有加1功能,提供双端口存储器左端口的地址。
AR1从数据总线DBUS接收数据。
AR1的控制信号是LDAR1和AR1_INC。
当AR1_INC=1时,在T4的上升沿,AR1的值加1;当LDAR1=1时,在T4的上升沿,将数据总线DBUS的数据打入地址寄存器AR1。
AR2由2片74HC298组成,有两个数据输入端,一个来自程序计数器PC,另一个来自数据总线DBUS。
AR2的控制信号是LDAR2和M3。
M3选择数据来源,当M3=1时,选中数据总线DBUS;当M3=0时,选中程序计数器PC。
LDAR2控制何时接收地址,当LDAR2=1时,在T2的下降沿将选中的数据源上的数据打入AR2。
8.程序计数器PC、地址加法器ALU2、地址缓存器R4
程序计数器PC、地址加法器ALU2、地址缓存器R4联合完成三种操作:
PC加载,PC+1,PC+D。
R4是一个由2片74HC298(U25、U26)构成的具有存储功能的两路选择器。
当M4=1时,选中数据总线DBUS;当M4=0时,从指令寄存器IR低4位IR0—IR3接收数据。
当LDR4=1时,在T2的下降沿将选中的数据打入R4。
ALU2由1片GAL22V10(U17)构成,当PC_ADD=1时,完成PC和IR低4位的相加,即PC加D。
程序计数器PC是1片GAL22V10(U18),当PC_INC=1时,完成PC+1;当PC_ADD=1时,与ALU2一起完成PC+D的功能;当LDPC=1时,接收从ALU2和R4来的地址,实际是接收来自数据总线DBUS地址,这些新的程序地址在T4的上升沿打入PC寄存器。
9.指令寄存器IR
指令寄存器IR是一片74HC374(U20)。
它的数据端从双端口存储器接收数据(指令)。
当LDIR=1时,在T4的上升沿将来自双端口存储器的指令打入指令寄存器IR保存。
指令的操作码部分送往控制器译码,产生各种所需的控制信号。
大多数情况下,指令的操作数部分应连到寄存器堆(用户自己连接),选择参与运算的寄存器。
在某些情况下,指令的操作数部分也参与新的PC的计算。
本实验系统设计了12条基本的机器指令,均为单字长(8位)指令。
指令功能及格式如下表所示。
表2机器指令格式
名 称
助记符
功 能
指 令 格 式
IR7 IR6 IR5IR4
IR3 IR2
IR1 IR0
加法
ADDRd,Rs
Rd+Rs->Rd
0 0 0 0
RS1 RS0
RD1 RD0
减法
SUBRd,Rs
Rd-Rs->Rd
0 0 0 1
RS1 RS0
RD1 RD0
乘法
MULRd,Rs
Rd*Rs->Rd
0 0 1 0
RS1 RS0
RD1 RD0
逻辑与
ANDRd,Rs
Rd&Rs->Rd
0 0 1 1
RS1 RS0
RD1 RD0
存数
STARd,[Rs]
Rd->[Rs]
0 1 0 0
RS1 RS0
RD1 RD0
取数
LDARd,[Rs]
[Rs]->Rd
0 1 0 1
RS1 RS0
RD1 RD0
无条件转移
JMP[Rs]
[Rs]->PC
1 0 0 0
RS1 RS0
XX
条件转移
JCD
若C=1则
PC+D->PC
1 0 0 1
D3 D2
D1 D0
停机
STP
暂停运行
0 1 1 0
X X
X X
中断返回
IRET
返回中断
1 0 1 0
X X
X X
开中断
INTS
允许中断
1 0 1 1
X X
X X
关中断
INTC
禁止中断
1 1 0 0
X X
X X
表中的X代表随意值,RS1、RS0指的是寄存器堆的B端口选择信号RS1、RS0,RD1、RD0指的是寄存器堆的A端口选择信号RD1、RD0,不过由于运算结果需写回,因此它也同时指WR1、WR0,用户需将它们对应连接。
另一点需说明的是,为了简化运算,指令JCD中的D是一个4位的正数,用D3D2D1D0表示。
实验系统虽仅设计了12条基本的机器指令,但代表了计算机中常用的机器指令类型。
必要时用户可扩充到16条指令或者重新设计指令系统。
10.中断地址寄存器IAR
中断地址寄存器IAR(U19)是一片74HC374,用于保存中断发生时的断点地址。
它直接使用LDIAR信号作为时钟脉冲。
当IAR_BUS#=0时,它将断点地址送到数据总线DBUS上,以便用控制台上的数据指示灯观察断点地址。
以上介绍了数据通路的基本组成。
数据通路所需的各控制信号,除了T1、T2、T3、T4已在印制板上连接好以外,其余的控制信号在数据通路的下方都有插孔引出,实验时只要将它们和控制器产生的对应信号正确连接即可。
实验中提供的电路图上,凡引出、引入线端带有短粗黑标记的信号,都是需要用户自己连接的信号。
六、控制器
控制器位于本实验系统的中上部,产生数据通路操作所需的控制信号。
出厂时,提供了一个微程序控制器,使用户能够进行基本的计算机组成原理实验。
在进行流水微程序控制器实验,硬布线控制器实验和流水硬布线控制器实验等课程设计时,用户可设计自己的控制器,部分或者全部代替出厂时提供的控制器。
图3控制器框图
1.控制存储器
控制存储器由5片28C64(U8、U9、U10、U11、U12)组成。
28C64是电擦除的可编程ROM,存储容量为8K字节,本实验系统仅使用了128字节。
微指令格式采用全水平型,微指令字长35位。
其中顺序控制部分10位:
后继微地址μA0-μA5,判别标志P0、P1、P2、P3;操作控制字段25位,全部采用直接表示法,用于控制数据通路的操作。
标志位P3和控制台开关SWC、SWB、SWA结合在一起确定微程序的分支,完成不同的控制台操作。
标志位P2与指令操作码(IR的高4位IR4、IR5、IR6、IR7)结合确定微程序的分支,转向各种指令的不同微程序流程。
标志位P1标志一条指令的结束,与中断请求信号INTQ结合,实现对程序的中断处理。
标志位P0与进位标志C结合确定微程序的分支,实现条件转移指令。
操作控制字段25位,全部采用直接表示法,控制数据通路的操作。
在设计过程中,根据微程序流程图对控制信号进行了适当的综合与归并,把某些在微程序流程图中作用相同或者类似的信号归并为一个信号。
下面列出微程序控制器提供的控制信号。
信号名带后缀#者为低电平有效,否则为高电平有效。
INTS置中断允许标志INTE为1。
INTC清除中断允许标志INTE。
LDIR(CER)为1时,允许对IR加载,此信号也可用于作为双端口存储器右端口选择CER。
LDPC(LDR4)为1时,允许对程序计数器PC加载,此信号也可用于作为R4的加载允许信号LDR4。
PC_ADD为1时,进行PC+D操作。
PC_INC为1时,进行PC+1操作。
M4当M4=1时,R4从数据总线DBUS接收数据;当M4=0时,R4从指令寄存器IR接收数据。
LDIAR为1时,对中断地址寄存器IAR加载。
LDAR1(LDAR2)为1时,允许对地址寄存器AR1加载,此信号也可用于作为允许对地址寄存器AR2加载。
AR1_INC为1时,允许进行AR1+1操作。
M3当M3=1时,AR2从数据总线DBUS接收数据;当M3=0时,AR2从程序计数器PC接收数据。
LDER为1时,允许对暂存寄存器ER加载。
IAR_BUS#低有效,为0时将中断地址寄存器IAR送数据总线DBUS。
SW_BUS#低有效,为0时将控制台开关SW7—SW0送数据总线DBUS。
RS_BUS#低有效,为0时将寄存器堆RF的B端口送数据总线DBUS。
ALU_BUS为1时,将ALU中的运算结果送数据总线DBUS。
CEL#低有效,为0时允许双端口存储器左端口进行读、写操作。
LRW当LRW=1且CEL#=0时,允许双端口存储器左端口进行读操作;当LRW=0且CEL#=0时,允许双端口存储器左端口进行写操作。
WRD为1时,允许对寄存器堆RF进行写操作。
LDDR1(LDDR2)为1时允许对操作数寄存器DR1加载。
此信号也可用于作为对操作数寄存器DR2加载。
M1(M2)当M1=1时,操作数寄存器DR1从数据总线DBUS接收数据;当M1=0时,操作数寄存器DR1从寄存器堆RF接收数据。
此信号也可用于作为操作数寄存器DR2的数据来源选择信号。
S2、S1、S0选择运算器ALU的运算类型。
TJ暂停微程序运行。
NC0、NC1、NC2备用
、NC3、NC4
上述控制信号连同时序电路提供的时序、控制信号位于控制器的下边。
2.微地址寄存器μAR(74HC273)
微地址寄存器μAR(74HC273)对控制存储器提供微程序地址。
当CLR#=0时,将其复位到零,使微程序从000000B地址开始执行。
在T1的上升沿将新的微程序地址μD0—μD5打入微地址寄存器μAR。
控制台开关SWC直接连到74HC273,作为μD6,用于实现读寄存器操作KRR。
3.跳转开关JUMP
这是一组6个跳转开关(J1)。
当用短路子将它们连通时,微地址寄存器μAR从本实验系统提供的微程序地址译码电路得到新的微程序地址μD0—μD5。
当他们被断开时,用户提供自己的新微程序地址μD0—μD5。
这样用户能够使用自己设计的微程序地址译码电路。
4.微程序地址译码电路DECORDER
微程序地址译码电路DECORDER产生后继微程序地址,它由2片74HC32(U2、U3)和2片74HC08(U4、U5)构成。
微程序地址译码电路数据来源是:
控制存储器产生的后继微程序地址μA0—μA5,控制存储器产生的标志位P0—P3,指令操作码IR4—IR7,进位标志C,中断请求标志INTQ,控制台方式标志位SWA、SWB。
七、控制台
控制台位于TEC—4计算机组成原理实验系统的下部,主要由若干指示灯和若干拨动开关组成,用于给数据通路置数、设置控制信号、显示各种数据。
1.SW7—SW0
数据开关,直接接到数据通路部分的数据总线DBUS上,用于向数据通路中的器件置数。
开关拨到上面位置时输出1,拨到下面位置时输出0。
SW7是最高位,SW0是最低位。
2.K15—K0
双位拨动开关。
开关拨到上面位置时输出1,拨到下面位置时输出0。
实验中用于模拟数据通路部分所需的电平控制信号。
例如,将K0与LDDR1连接,则K0向上时,表示置LDDR1为1;K0向下时,表示置LDDR1为0。
3.数据指示灯D7—D0
8个红色发光二极管,用于显示数据总线DBUS或者指令寄存器IR的状态。
D7是最高位,D0是最低位。
双位开关IR/DBUS拨到IR位置时,显示指令寄存器IR的状态;双位开关IR/DBUS拨到DBUS位置时,显示数据总线DBUS状态。
4.地址指示灯A7—A0
8个绿色发光二极管,用于显示双端口存储器的地址寄存器内容。
A7是最高位,A0是最低位。
双端口存储器IDT7132有两个地址端口,地址寄存器AR1提供左端口地址A7L—A0L,地址寄存器AR2提供右端口地址A7R—A0R。
当双位开关AR2/AR1拨到AR1的位置时,显示地址寄存器AR1的内容;当双位开关AR2/AR1拨到AR2位置时,显示地址寄存器AR2的内容。
5.微地址指示灯μ_A5—μ_A0
6个黄色发光二极管,用于显示控制存储器的地址μ_A5—μ_A0。
μ_A5是最高位,μ_A0是最低位。
6.其他指示灯P3、P2、P1、P0、IE、C
6个黄色发光二极管用于显示P3、P2、P1、P0、IE、C的值。
P3、P2、P1、P0是控存的微代码位,用于条件分支产生下一个微地址。
C是加、减运算时产生的进/借位值。
IE是中断允许标志。
当IE=1时,允许中断;当IE=0时,禁止中断。
7.微动开关CLR#、QD、INTR
这三个微动开关用于产生CLR#、QD、INTR单脉冲。
按一次按钮CLR#,产生一个负的单脉冲CLR#,对全机进行复位,使全机处于初始状态,微程序地址置为000000B。
CLR#到时序和控制器的连接已在印制板上实现,控制存储器和数据通路部分不使用复位信号CLR#。
按一次QD按钮,产生一个正的QD启动脉冲。
QD和时序部分的连接已在印制板上实现。
按一次INTR按钮,产生一个正的单脉冲,可用于作为中断请求信号。
INTR到时序部分的连接已在印制板上实现。
这三个单脉冲都有插孔对外输出,供用户设计自己的控制器和时序电路时使用。
8.单步、单拍、单指开关DB、DP、DZ
DB(单步)、DP(单拍)、DZ(单指)是三种特殊的非连续工作方式。
当DP=1时,计算机处于单拍方式,按一次QD按钮,每次只执行一条微指令,发送一组T1、T2、T3、T4时序脉冲。
当DZ=1时,计算机处于单指方式。
单指方式只对微程序控制器适用。
在单指方式下,按一次QD按钮,计算机执行一条指令。
当DB=1时,机器处于单步方式。
单步方式只对硬布线控制器适用。
在单步方式下,按一次启动按钮QD,发送一组W1、W2、W3、W4时序脉冲。
在使用硬布线控制器时,每条指令需要一组W1、W2、W3、W4时序脉冲,因此单步方式实际上是硬布线控制器下的单指方式。
DB、DP、DZ这三个双位开关,任何时刻都只允许一个开关置1,决不允许两个或三个开关同时置1。
当DB=0且DP=0且DZ=0时,机器处于连续工作方式。
9.控制台方式开关SWC、SWB、SWA
控制台方式开关SWC、SWB、SWA定义了TEC—4计算机组成原理实验系统的五种工作方式,出厂时存在控存中,五种工作方式定义如下:
SWCSWBSWA工作方式
000PR,启动程序
001KRD,读双端口存储器
010KWE,写双端口存储器
011KLD,加载寄存器堆
100KRR,读寄存器堆
在按CLR#按钮复位后,根据SWC、SWB、SWA选择工作方式。
PR是启动程序方式。
在此方式下,首先在SW7—SW0指定启动地址,按启动按钮QD后,启动程序运行。
KRD是读双端口存储器方式。
在此方式下,
(1)首先在SW7—SW0置好存储器地址:
按QD按钮,则将此地址打入地址寄存器AR1,并读出该地址存储器内容到数据总线DBUS。
(2)每按一次QD按钮,地址寄存器AR1加1,并读出新地址存储器内容到数据总线DBUS。
依次进行下去,直到按复位按钮CLR#为止。
KWE是写双端口存储器方式。
在此方式下,
(1)首先在SW7—SW0置好存储器地址:
按QD按钮,则首先将此地址打入地址寄存器AR1,然后等待输入数据。
(2)在SW7—SW0置好数据,按QD按钮,首先写数据到AR1指定的存储器单元,然后地址寄存器AR1加1,等待新的输入数据。
依次进行下去,直到按复位按钮CLR#为止。
KLD是加载寄存器堆方式。
此方式用于对寄存器堆加载。
(1)首先在SW7—SW0置好存储器地址,按QD按钮,则将此地址打入地址寄存器AR1和地址寄存器AR2。
(2)在SW7—SW0置好数据,数据的低2位D1、D0为寄存器堆中的寄存器号,按一次QD按钮,则写数据到AR1指定的存储器单元;然后将写入的数据从右端口读出,并送入指令寄存器IR。
(3)在SW7—SW0置好数据,该数据
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