计算机组成原理实验指导书-CPTH

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21.9 积分

DJ-CPTH计算机组成原理实验系统实验指导阜讯师范学院廿算机与信息学院2008年3月目录 1实验一认识实验装置 2实验二寄存器实验 10实验三运算器实验 18实验四数据输出和移位实验 22实验五存储器实验 26实验六 uPC和PC实验 32实验七 微程序存储器uM实验 37实验八模型机综合实验一 39实验九模型机综合实验二 46实验十微程序设计实验 55实验扩展实验 60附录1： CPTH集成开发环境使用 63附录2：指令/微指令表(insfilel.mic) 68附录3：实验用芯片介绍 79实验一认识实验装置实验目的：了解实验仪的特点及纽成；掌握实验仪键盘的使用。实验器材：DJ-CPTH实验仪实验要求：1、 认真填写预习报告，包括对实验仪器组成的理解、实验操作步骤等。2、 实验之后写岀实验报告，包括实验过程中遇到的问题，解决方法，实验后的心得体会及对 该次实验的建议与意见。实验原理及步骤：一、DJ-CPTH 特点1、 采用总线结构总线结构的计算机具有结构清晰，扩展方便等优点。DJ-CPTH实验系统使川三组总线即地 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，这样一方而增强总线驱动能力，另一方而在模型机停机吋，三态门输 出浮空，能保证不管模型机的CPU工作是否正常，管理单片机总能读/写主存或控存。2、 计算机功能模块化设计DJ-CPTH为实验者捉供运算器模块ALU,众多寄存器模块(A, W, IA , ST, MAR, RO… 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 输出信号已被引岀到主板插孔，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，当模型机停机吋，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，实时反映模型机现场，使实验者及时了解程序和微程序设 计的正确性，便以修改。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 口动运行：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v机器码 程序和微程序〉，实现微程序控制运行，运用多种调试手段运行用八程序，使实验者对计算机组 成原理一 H 了然。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，可口行重新设计 并通过JTAG 口下载。逻辑控制器由CPLD实现，也可进行重新设计并通过JTAG 口下载。用户 还可以设计口己的指令/微指令系统。系统中已带三套指令/微程序系统，用户可参照來设计新的 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、 支持中断实验采用授底层的器件设计，让学生对以从微程序层曲上学习中断请求、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。在微程序控制器中，系统能 提供在线编程,实时修改程序，显示程序并进行调试的操作环境。组合逻辑控制器，已下载有一 套完整的实验方案，用八也可使用CPLD I具在PC机上进行自动化设计。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VVin98/2000/XP为操作平台的集成调试软件包系统支持RS-232C串行通讯，借助PC资源形成了强大的在线文档为图形的动态管理系统， 口带编译器，支持汇编语言的编辑、编译、调试，一次点击即对完成程序和与其对应微程序的链 接装载并白动弹出调试窗口，在主界而中开辟了程序和与其对应微程序的调试、模型机结构示意 图(点击各模块即可修改双向模块参数)、微程序等跟踪显示窗口，供川户选择，町动态显示数 据流向、实时捕捉数据、地址、控制总线的各种信息，使调试过程极为牛动形象。二、实验系统组成CPTH 111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纽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-CPTH计算机组成原理实验系统模型机包括了一个标准CPU所具备所有部件，这些部件包 括：运算器ALU、累加器A、工作寄存器W、左移门L、直通门D、右移门R、寄存器组R0-R3、 程序计数器PC、地址寄存器MAR、堆栈寄存器ST、中断向量寄存器IA、输入端口 1N、输出端 口寄存器OUT、程序存储器EM、指令寄心器IR、微程序计数器uPC、微程序存储器uM,以及 屮断控制电路、跳转控制电路。其屮运算器和屮断控制电路以及跳转控制电路川CPLD来实现, 其它电路都是用离散的数字电路组成。微程序控制部分也对以用组合逻辑控制来代替。模型机为8位机，数据总线、地址总线都为8位，但其工作原理与16位机相同。相比而言 8位机实验减少了烦琐的连线，但其原理却更容易被学生理解、吸收。模型机的指令码为8位，根据指令类型的不同，可以有0到2个操作数。指令码的最低两 位用来选择R0-R3寄存器，在微程序控制方式中，用指令码做为微地址来寻址微稈序存储器， 找到执行该指令的微程序。而在组合逻辑控制方式中，按时序用指令码产牛相应的控制位。在本 模型机中，一条指令最多分四个状态周期，一个状态周期为一个吋钟脉冲，每个状态周期产生不 同的控制逻辑，实现模型机的各种功能。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位控制位分別介绍如下：XRD :外部设备读信号，当给出了外设的地址后，输岀此信号，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， 关 键 词： 计算机 组成 原理 实验 指导书 CPTH

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