计算机组成原理实验指导-2012-1.pdf

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1、计算机组成原理实验指导河南大学计算机与信息工程学院2011 年TEC-XPTEC-XP 实验设备概述实验设备概述TEC-XP 实验设备是由清华大学科教仪器厂和清华大学计算机系联合研制，并通过教育部鉴定的实验系统。TEC-XP 是在原有 TEC 系列教学计算机系统的基础上，重新设计的新一代产品，进一步增加了用单片 FPGA 门阵列器件实现的 CPU 系统。该实验系统重点用于计算机组成原理、计算机系统结构等课程的硬件教学实验，还支持监控程序、汇编语言程序设计、BASIC 高级语言程序设计等软件方面的教学实验。TEC-XP 教学机的外观如图 1 所示。图 1TEC-XP 教学机的外观TEC-XP 教

2、学机的系统结构如图 2 所示。/G AR地 址 寄 存 器电 平 转 换Y Y地地CZVS址址译码 2 2 路路 串串 行行 接接 口口器运运 算算 器器 部部 件件总总线线D DA口 B 口I8I0SSH SC ISST数数 据据内内 部部 总总 线线双 线 选 通 门/SW TOIB/YTOIB/IR LTOIB/FT OIB控控制制信信号号总总 线线数数 据据 总总 线线F F FPGP PG GA A A芯 片实实 现现 的的 C CPUP PU U系 统控控 制制 总总 线线/M IO REQ/W EDC2译/GAR码器/G IR译码器DC1译 码 器内内 存存 体体控控 制制 器器

3、 部部 件件地地址址总总线线图 2TEC-XP 教学机的系统结构图TEC-XP 教学机的主要技术指标TEC-XP 教学机的机器字长 16 位，即运算器、主存、数据总线、地址总线都是 16 位。（1）TEC-XP 的内存地址分配如图 3 所示。其中 0000H1FFFH 的 8K 空间是由 ROM 构成的，存放洗的监控程序，2000H27FFH的 2K 空间是由 RAM构成的工作区。该教学机还可以进一步完成存储器扩展的教学实验，扩展地址从 4000H 开始。图 3TEX-XP 教学机的内存分配（2）运算器由 4 片位片结构器件级联而成，片间用串行进位方式传递进位信号。ALU实现 8 种算术与逻辑

4、运算功能，内部包括 16 个双端口读出、单端口写入的通用寄存器，和一个能自行移位的乘商寄存器。设置 C（进位标志位） 、Z（零标志位） 、V（溢出标志位） 、S（符号标志位）四个状态标志位。（3）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。TEC-XP 教学机的面板结构TEC-XP 教学机的面板结构如图 4 所示，控制部件主要由运算部件 ALU、控制部件组合逻辑控制器和微程序处理器、存储部件ROM 和 RAM、控制存储器等芯片构成。用户输入部分在面板的最下方，自左向右分别是工作模式选择开关、运算器控制信号输入开关、数据输入开关三个部分。系统中的输出结果可由面板上的发光二极管状

5、态得到。图 4TEX-XP 教学机的面板TEC-XP 教学机的脱机和联机工作方式TEC-XP 教学机可以采用脱机和联机两种工作方式。脱机工作方式是指所有操作在 TEC-XP 教学机上完成， 通过控制按钮、 数据开关等硬件的设置来控制 TEC-XP 教学机的工作， 执行结果在发光二极管上查看。这种方式适合于需要做硬件级别实验时使用。联机工作方式是指， TEC-XP 教学机通过串口与 PC 连接， 由 PC 运行仿真终端软件 PCEC（路径一般为： D:大板可编程器件内容P） ， 在监控状态下对 TEC-XP 教学机的工作进行操作控制。这种方式适合于需要大量数据输入和输出的实验中使用。图 5TEC

6、-XP 教学机的串口工作模式选择开关工作模式选择开关在每次使用 TEC-XP 教学机进行实验之前，都应先选择当前教学机应工作的状态，这由面板左下方的 5 个黑色控制开关的状态决定，工作模式的选择如表 1 所示。其中“1”表示开关上拨， “0”表示开关下拨， “X”表示该开关无用。表1工作模式选择开关状态开关状态001100001011110110101XX00工作模式连续运行程序、采用组合逻辑控制器、联机、16 位机连续运行程序、采用微程序控制器、联机、16 位机单步运行程序、手动设置指令、采用组合逻辑控制器、联机、16 位机单步运行程序、手动设置指令、采用微程序控制器、联机、16 位机16

7、位机、脱机运算器实验TEC-XP 教学机串口的状态寄存器TEC-XP 教学机是通过串口（可编程串行接口 8251A）与 PC 连接的，在联机操作中，PC 机对教学机的访问是通过对其数据端口和控制状态端口来完成的。 TEC-XP 教学机的COM1 口（左侧）的数据端口地址为 80H，控制与状态口地址为 81H；COM2（右侧）的数据端口地址为 82H，控制与状态口地址为 83H。TEC-XP 教学机与 PC 机的联机操作方法1、将 TEC-XP 教学机放在实验台上，连接好电源线，关上实验箱侧边的电源开关。2、使用串行通信线连接 TEC-XP 教学机与 PC 机的串口。 （该串口连接已由实验室老师

8、完成）3、将 TEC-XP 教学机的工作模式选择开关设置为 00110。4、打开 TEC-XP 教学机的电源开关，检查面板上的发光二极管状态是否正常。5、打开 PC 机，在 D:大板可编程器件内容P 路径下找到 PCEC16.EXE文件，并运行；注意：监控程序运行时需要选择连接串口，此时应选的是当前所连注意：监控程序运行时需要选择连接串口，此时应选的是当前所连PCPC机的串口，而不是机的串口，而不是TEC-XPTEC-XP教学机的串口。教学机的串口。实验时可尝试选择串口 1 或串口 2，其他设置一般不用改动，直接回车即可。6、按下 TEC-XP 教学机的面板左下角的 RESET 和 START

9、按键，当主机上显示如下内容时，表示已进入 TEC-XP 教学机的的监控程序，可以开始联机实验。TEC-XP CRT MONITORTEC-XP CRT MONITORVersion 1.0 April 2001Version 1.0 April 2001Computer Architecture Lab. ,Tsinghua UniersityComputer Architecture Lab. ,Tsinghua UniersityProgrammed by He JiaProgrammed by He Jia 注意：提示符“注意：提示符“ ”是”是TEC-XPTEC-XP教学机监控程序的提

10、示符。教学机监控程序的提示符。TEC-XP 教学机的监控命令当 TEC-XP 教学机在联机工作方式下时，应使用 PC 来控制教学机的工作。在 PC 机的监控状态下， 监控命令与 DOS 系统的 DEBUG命令相似， 具体命令格式及含义如表 2 所示。表2教学机的监控命令格式及含义命令名称汇编命令反汇编命令执 行 程 序 命令命令格式功能AadrUadrGadr输入单条指令，并将汇编之后的机器代码存入相应的内存单元中。有错误提示，但功能并不完善从指定或默认地址开始反汇编 15 条指令，并将结果显示处理从指定或默认地址开始连续运行一个用户程序从命令指定或 PC 指定地址开始单条执行指令当 R 命令

11、不带参数时只是显示所有寄存器的内容；当 R 命令带参数时显示指定寄存器的内容，并可修改其值从指定或默认地址开始显示内存 128 个存储字的内容从指定或默认地址开始逐字显示每个内存字的内容并等待用户键入一个新值存回该单元，用空格切换各个单元，用回车结束 E 命令的执行。单 条 指 令 执Tadr行命令Padr显示/修改寄存 器 内 容 命Rreg令显 示 存 储 器内容命令Dadr修 改 存 储 器Eadr内容命令其中，adr 表示直接地址，reg 表示寄存器，均是可选项。注意：以上监控命令与注意：以上监控命令与80868086汇编系统中的汇编系统中的DEBUGDEBUG命令名相同，但命令格命令

12、名相同，但命令格式不同，请注意使用时区分清楚。式不同，请注意使用时区分清楚。TEC-XP 教学计算机的指令系统TEC-XP 教学计算机的指令系统中共有 48 条指令，包含基本的传送类指令、算术逻辑运算类指令、IO 访问指令、转移控制类指令、子程序调用和返回指令等。根据指令的不同功能，指令的操作数个数为 03 个，操作数可以使用立即数寻址方式、寄存器寻址方式、直接寻址方式、寄存器间接寻址方式、寄存器相对寻址方式等，但每条指每条指令中的操作数寻址方式都是固定的，只能按照对应的格式使用，不能随意更改令中的操作数寻址方式都是固定的，只能按照对应的格式使用，不能随意更改 。1 1、指令系统的分组、指令系

13、统的分组TEC-XP 教学计算机中，按照每条指令的功能和实际的执行步骤，将指令分成了 A、B、C、D 共 4 组，每条指令的所属组详见具体的指令描述。A 组中的指令执行时，一般只是完成通用寄存器间的数据运算或传送，在取指后可一步完成。B 组中的指令，一般需要完成一次内存或 I/O 读、写操作，在取指后可两步完成：第一步把要使用的地址传送到地址寄存器 ARH、ARL 中，第二步执行内存或 I/O 读写操作。C 组中的指令，在取指后可三步完成：其中 CALR 在用两步读写内存后，第三步执行寄存器间的数据传递；而其它指令在第一步置地址寄存器 ARH、ARL，第二步读内存（即取地址操作数） 、计算内存

14、地址、置地址寄存器 ARH、ARL，第三步读、写内存。D 组中的指令，完成两次读、写内存操作，在取指之后可四步完成。2 2、指令的一般格式、指令的一般格式该指令系统中包含有单字长指令（16 位）和双字长指令（32 位） ，其指令的一般格式如下所示。1587430操作码目的寄存器号源寄存器号I/O 端口地址/相对偏移量立即数/绝对地址/变址偏移量所有指令的操作码均为 8 位的， （记作 IR15IR8） ，每位的含义如下：IR15、IR14 用于区分指令组：0X 表示 A 组，10 表示 B组，11 表示、D 组；C、D组的区分还要用 IR11，IR11=0 为 C 组，IR11=1 为 D 组

15、。IR13 用于区分基本指令和扩展指令：基本指令该位为 0，扩展指令该位为 1。IR12 用于简化控制器实现，其值恒为 0。IR11IR8 用于区分同一指令组中的不同指令。若指令中使用寄存器寻址方式，则可使用的寄存器共有 16 个，分别为 R0R15，其中R4R4，R5R5，R6R6为专用寄存器为专用寄存器，分别作为 R4堆栈指针；R5程序计数器 PC；R6指令当前地址寄存器 IP；其余其余1313个寄存器作为通用寄存器供用户编程用个寄存器作为通用寄存器供用户编程用。3 3、指令系统、指令系统下面按照指令字长和指令中操作数的个数，分类介绍每条指令，在以下描述中，使用默认的助记符如下：SR源操作

16、数寄存器；DR目的操作数寄存器；PC程序计数器；OP指令操作码。 单字、无操作数指令，共 8 条格式：指令格式PSHFPOPFRETCLCSTCEIDIIRET 单字、单操作数指令，共 21 条指令格式DECDRINCDRSHLDRSHRDRJROFFSETJRCOFFSETJRNCOFFSETJRZOFFSETJRNZOFFSETINI/O 端口OUTI/O 端口含义状态标志（C、Z、V、S、P1、P0）入栈弹出栈顶数据到状态标志寄存器子程序返回清进位标志位 C= 0置进位标志位 C= 1开中断，置中断允许位 INTE1关中断，置中断允许位 INTE0中断返回指令类型B组基本指令B组基本指令

17、B组基本指令A 组扩展指令A 组扩展指令A 组扩展指令A 组扩展指令D 组扩展指令15 815 8OPOP7 07 00000 00000000 000015 815 8OPOP7 07 0DR 0000DR 00000000 SR0000 SROFFSETOFFSETI/OI/O 端口端口含义指令类型A 组基本指令A 组基本指令A 组基本指令A 组基本指令A 组基本指令A 组基本指令A 组基本指令A 组基本指令A 组基本指令B组基本指令B组基本指令DRDR1DRDR1DR 逻辑左移（低位补 0，高位移入 C）DR 逻辑右移（高位补 0，低位移入 C）无条件转移到 ADR，ADR=原 PC 值

18、位移量C=1 时，转移到 ADR，ADR=原 PC 值位移量C=0 时，转移到 ADR，ADR=原 PC 值位移量Z=1 时，转移到 ADR，ADR=原 PC 值位移量Z=0 时，转移到 ADR，ADR=原 PC 值位移量R0I/O 端口从外设 I/O 端口读入字节数据到 R0 低 8 位I/O 端口R0R0 低 8 位数据写入外设 I/O 端口PUSHSRPOPDRRCLDRRCRDRASRDRNOTDRJMPRSRCALRSRJRS OFFSETJRNS OFFSETSR 入栈弹出栈顶数据到 DRDR 与 C 循环左移（C 移入最低位，最高位移入 C）DR 与 C 循环右移（C 移入最高位

19、，最低位移入 C）DR 算术右移（最高位不变，最低位移入 C）DR 求反，即 DR/DR无条件转移到 SR 指向的地址调用 SR 指向的子程序S=1 时，转移到 ADR，ADR=原 PC 值位移量S=0 时，转移到 ADR，ADR=原 PC 值位移量B组基本指令B组基本指令A 组扩展指令A 组扩展指令A 组扩展指令A 组扩展指令A 组扩展指令C 组扩展指令A 组扩展指令A 组扩展指令 单字、双操作数指令，共 12 条指令格式ADDDR , SRSUBDR , SRANDDR , SRCMPDR , SRXORDR , SRTESTDR , SRORDR , SRMVRR DR , SRLDRR

20、 DR，SRSTRR DR,SRADCDR , SRSBBDR , SR 双字、单操作数指令，2 条15 815 87 4 3 07 4 3 0OPOPDRDR含义不带进位加不带进位减逻辑与比较（SRSRDRDR的结果影响标志位的结果影响标志位）逻辑异或测试(做与操作，但不改变操作数，只影响标志位）逻辑或寄存器间传送数据DRSRDRSR带进位加带进位减SRSR指令类型A 组基本指令A 组基本指令A 组基本指令A 组基本指令A 组基本指令A 组基本指令A 组基本指令A 组基本指令B组基本指令B组基本指令A 组扩展指令A 组扩展指令15 815 87 07 0OPOP0000 00000000 0

21、000ADRADR指令格式JMPAADR含义无条件转移到地址 ADR指令类型B组基本指令D 组基本指令调用首地址在 ADR的子程序CALAADR 双字、双操作数指令，2 种格式格式 1：基本指令MVRDDR，DA TALDRADR，ADRSTRAADR，SR格式 2：15 815 8OPOP7 07 0DR 0000DR 00000000 SR0000 SRDATADATA含义DRDATADRADRADRSR指令类型B组基本指令C 组扩展指令C 组扩展指令15 815 87 07 0OPOPDR SRDR SRDATADATA含义DR OFFSET+ SROFFSET+ DR SR指令类型C

22、组扩展指令C 组扩展指令指令格式LDRXDR， OFFSETSRSTRXOFFSETDR，SR实验项目设置与安排计算机组成原理实验一共有 5 个实验，总共 18 个学时。实验项目实验项目实验一 TEC-XP 教学机环境熟悉实验二 运算器实验实验三 存储器实验实验四 微程序控制器实验实验五 TEC-XP 汇编语言程序设计实验六 中断实验合计学时安排学时安排2 学时4 学时2 学时4 学时2 学时4 学时18 学时实验注意事项1、硬件芯片级实验，避免用手、金属物直接碰触芯片，以防静电损坏芯片；2、进行硬件连接、或长时间不用时，请关闭实验箱电源；3、按时到达实验室（608） ，认真实验，做好数据记录

23、，课下完成实验报告；实验一实验一 TEC-XP TEC-XP 教学机环境熟悉教学机环境熟悉实验目的1、 学习和了解 TEC-XP 教学实验系统监控命令的用法；2、 学习和了解 TEC-XP 教学实验系统的指令系统；3、 学习和了解 TEC-XP 教学实验系统汇编程序设计方法。实验内容1、 熟悉 TEC-XP 教学机与 PC 机的联机操作过程；2、 练习常用的 TEC-XP 教学机监控命令；3、 在监控状态下输入给定的汇编程序，进行单步跟踪执行，并观察结果；4、 编写指定功能的汇编语言程序，并调试通过。实验要求使用教学机前，熟悉 TEC-XP 教学机的各个组成部分及其使用方法。实验学时2 学时实

24、验步骤1、完成 TEC-XP 教学机与 PC 机的联机操作详细步骤见概述部分的“脱机和联机工作方式” 。2、练习常用的 TEC-XP 教学机监控命令（1）R 命令（查看或修改寄存器内容）1在命令行提示符状态下输入：R R；显示寄存器内容2在命令行提示符状态下输入：R R0R R0；修改寄存器 R0 的内容，再用 R 命令查看修改的结果。（2）用 D 命令显示存储器的内容在命令行提示符状态下输入：D 2000D 2000；显示从地址 2000H 开始的 128 个字的内容；连续使用不带参数的 D 命令，起始地址会自动加 128（即 80H） 。（3）用 E 命令修改存储器的内容在命令行提示符状态

25、下输入：E 2000屏幕显示地址 2000 单元的原有内容，可输入更改值；然后再用 D 命令显示修改的结果。注意：用 E 命令连续修改内存单元的值时，每修改完一个，按一下空格，系统会自动给出下一个内存单元的值，等待修改；按回车则退出 E 命令。3、输入给定的汇编程序，单步跟踪执行，并观察结果（1）输入如下形式的程序，请单步跟踪执行，说明程序功能。2000：MVRD R0，AAAA ;MVRD 与 R0 之间有且只有一个空格，其他同2002：MVRD R1，55552004：ADD R0，R12005：AND R0，R12006：RET ;程序的最后一个语句，必须为 RET 指令2007：若输入

26、有误， 系统会给出提示并显示出错地址，只需在该地址用 A 命令重新输入正确的指令即可。（2）输入如下形式的程序，请单步跟踪执行，说明程序功能。 2000： IN 80 ;输入数据保存于 R0 寄存器的低 8 位中 2001： CMP R0 , 30 2002： JRC EXIT 2003： CMP R0 , 39 2004： JRNC EXIT 2005： OUT 80 ; R0- I/O PORT 2006： RET 2007： 实验报告要求本次实验需完成实验报告一份。实验二实验二运算器实验运算器实验实验目的1、深入了解 AM2901 运算器的功能与具体用法；2、深化运算器部件的组成、设计、

27、控制与使用等知识。实验内容在脱机方式下，对于给定指令分析其执行过程中运算的步骤，通过对 AM2901 运算器所需控制信号的设置，使之完成运算，并核对运算结果。实验要求1.实验前，认真了解 AM2901 运算器的基本结构，预习所需实验的内容，并在课前填写实验步骤表格，对于实验数据和实验结果进行预期性的分析，以提高实验效率；2.实验过程中，要按正确流程操作，防止损坏设备，分析可能遇到的各种现象，判断结果是否正确，记录运行结果。3.实验之后， 认真写出实验报告， 包括对遇到的各种现象的分析， 实验步骤和实验结果。实验学时4 学时实验原理图 2-1Am2901 的数据通路1、运算器数据通路TEC-XP

28、 教学机的运算器主要采用 4 片 Am2901 芯片级联组成，每片 Am2901 芯片实现 4位运算，4 片芯片级联成 16 位的运算器。Am2901 芯片的组成包括：1 个 4 位的算术逻辑单元 ALU、16 个 4 位的通用寄存器、1 个4 位的乘商寄存器 Q 和若干个多路选择开关。Am2901 的数据通路如图 2-1 所示。（1 1）算术逻辑单元）算术逻辑单元 ALUALUALU 有两个数据输入端 R 和 S。 R 端的数据来源有三个寄存器 A、数据线 D、数值 0；S 端的数据来源有四个寄存器 A、寄存器 B、乘商寄存器 Q、数值 0。在 RS 的各种组合中除去没有意义的和重复的，只有

29、 8 种有效的组合。ALUALU的数据来源由控制信号的数据来源由控制信号I2I1I0I2I1I0决决定，其控制方式如表定，其控制方式如表2-12-1所示。所示。ALU 可完成两个操作数的加、减、与、或、异或等多种操作，操作类型的控制有控制信操作类型的控制有控制信号号I5I4I3I5I4I3决定，其控制方式如表决定，其控制方式如表2-22-2所示。所示。ALU 若要实现乘除等其他运算，可使用串行算法来完成。ALU 的输出结果可保存到通用寄存器、乘商寄存器 Q，并且可以将其值乘除 2 之后再保存，该过程控制由该过程控制由I8I7I6I8I7I6和和SSHSSH控制，其控制方式如表控制，其控制方式如

30、表2-32-3、表、表2-52-5所示。所示。ALU 根据其运算的结果会产生 4 个标志位符号标志位 F3、零标志位 F=0、溢出标志位 OVR 和进位标志位 Cn+4。ALU 运算后标志位设置可有多种不同的方式，其设置控制由其设置控制由SSTSST控制信号决定，其控制方式如表控制信号决定，其控制方式如表2-62-6所示。所示。（2 2）通用寄存器组）通用寄存器组Am2901 中的通用寄存器组是由 16 个寄存器构成， 具有双端口读写电路。 可以通过 A 口、B 口输入的地址（4 位地址）选择寄存器，将其值送入A、B 锁存器。其中A 口地址指定的寄存器是只读的，B 口地址指定的寄存器是可读写的

31、。A、 B 锁存器可作为 ALU 的输入数据， ALU 输出的结果值也可以保存到 B 口指定的寄存器中，而且在写寄存器时，可以通过通用寄存器组入口处的三选一多路开关，选择写入ALU结果值，或其左移（乘 2） 、右移（除 2）之后的结果。（3 3）乘商寄存器）乘商寄存器乘商寄存器 Q 是为配合 ALU 的乘除运算而设置的。该寄存器输入端有三选一多路开关，可选择 ALU 输出结果、 或乘商寄存器 Q 本身的内容作为其输入数据，同时还可以将这两个输入值左移（乘 2） 、右移（除 2）之后，再送入 Q 中。（4 4）最低进位信号）最低进位信号 CinCinAm2901 的基本运算是加法电路， 其减法功

32、能的实现是通过对减数求补而完成的。 因此，在 ALU运算时，应使用 SCISCI控制位设置最低进位信号控制位设置最低进位信号CinCin的状态，的状态， 具体控制方式见表具体控制方式见表2-42-4。2、Am2901 的级联结构一片 4 位的 Am2901 芯片的引脚信号如图 2-2 所示。其中 A3A0、B3B0用于输入选中的通用寄存器地址（00001111分别对应于 R0R15） ；I8I0用于运算过程的控制信号；D3D0用于输入外部数据；Y3Y0用于输出运算的结果；CP 为时钟信号；/OE 为选通信号；RAM3、RAM0为运算结果左右移时的移出位；Q3、 Q0为乘商寄存器 Q 左右移时的

33、移出位； Cy、 F=0、Over、F3 分别为进位标志位、零标志位、溢出标志位、符号标志位； Cin为外部输入的最低进位位。图 2-2Am2901 芯片的引脚信号TEC-XP 教学机的 16 位运算器是采用 4 片 Am2901 芯片级联而成的，各芯片之间采用串行进位方式，具体连接图如图 2-3 所示。该运算器进行运算时，需要对4 个芯片加同样的A、B口地址、I8I0控制信号，通过对选定的 16 位通用寄存器（每4 位分属 4 个芯片） 、或外部数据 D 的运算，产生 Y 输出，以及标志位状态。图 2-34 片 Am2901 芯片的级联结构3、Am2901Am2901 时钟信号的作用时钟信号

34、的作用在 Am2901 的每个 ALU操作周期内，ALU各部件的执行时间是不同的，具体操作过程如图 2-4 所示图 2-4Am2901 时钟信号的作用4、实验控制信号开关说明该实验是在完全脱机的方式下完成的。实验过程中，使用实验箱面板下方标有microswitch 1 和 micro switch 2的两个红色开关（控制信号顺序如图 2-5 所示） ，设置 24 位的运算控制信号。运算完成后，通过实验箱面板中间位置的发光二极管观察运算结果。实验过程中可能会用到外部输入数据，则可通过实验箱面板右下方的 16 个黑色数据开关设置。图 2-5Micro switch 开关信号顺序5、指令举例指令指令

35、 1 1：MVRD R0,0FFFFHMVRD R0,0FFFFH分析：（1）该指令是使用立即数为寄存器赋值的，立即数应从数据总线拨入，经 ALU传送至目的寄存器 R0，因此，ALU的数据来源应选择 D、0，即 I2-I0取值为 111。（2）该赋值指令中的数据必须经过 ALU 才可写入通用寄存器，可使用 FFFFH+0R0的操作，因此，ALU的运算类型应选择算术加；I5- I3取值为 000。（3）ALU 的运算结果应保存至 B 口地址指定的通用寄存器中，即 I8-I6取值为 011，同时 B口地址输入 R0 的地址（0000） 。（4）其余信号：A 口地址无用，为任意值；SST 取 000

36、（标志位保持不变，传送类指令不影响标志位状态） ；SSH00（不移位） ；Sci00（Cin=0） 。指令指令 2 2：ADD R0, R1ADD R0, R1分析：（1）该指令是加法运算指令，因此，ALU的运算类型应选择算术加；I5-I3取值为 000。（2）两个操作数都是通用寄存器，故，ALU的数据来源应选择 A、B；I2-I0取值为 001，且 A 口地址为 0001，B口地址为 0000，I8-I6取值为 011 （将 ALU的输出保存至 B口指定寄存器） 。（3） 其余信号： SST001 （按照运算结果设置标志位，加法指令正常影响标志位） ； SSH00（不移位） ；Sci00（C

37、in=0） 。指令指令 3 3：SUB R0 , R1SUB R0 , R1分析：（1）该指令是减法运算指令，两个操作数都是通用寄存器，故，ALU 的数据来源应选择 A、B； I2-I0取值为 001， 且 A 口地址为 0001， B口地址为 0000， I8-I6取值为 011 （将 ALU的输出保存至 B口指定寄存器） 。（2）由 ALU数据的来源可决定，本次运算应使用 B-A 的方式，因此，结合I5-I3的组合形式，可取值 001。（3）其余信号：SST001（按照运算结果设置标志位） ；SSH00（不移位） ；Sci01（使用 Cin=1 的值作为减数求补时末位应加上的 1） 。实验

38、步骤1、预习 Am2901 运算器原理，并填写下表。 （第一次实验之前务必完成）表1运算器实验一验证内容运算按 START前I80SST011MVRDR0 , 0101000111011MVRDR1 , 1010000111011ADDR0 , R10000000000000010101000000000110100000000SSHSCIBAALU 输出SVZC按 START后ALU 输出SVZC0000任0101意010100100001010SUBR0 , R1SUBR1 , R0ORR0 , R1ANDR0 , R1XORR0 , R1(R0R1)R02*R0R0R0/2R02、实验方

39、式设置将 TEC-XP 教学机左下方的 5 个功能开关设置为 1*00（单步、16 位、脱机） ；先按一下“RESET”按键，再按一下“START”按键，进行初始化。3、逐条指令执行，并核对结果完成初始化后，请按顺序控制运算器执行每条指令，每条指令执行时请记录按 START前和按 START后两个时刻的状态，若与预期结果不同，请查找问题并思考原因。4、预习 Am2901 运算器原理，并填写下表。 （第二次实验之前务必完成）表2运算器实验一验证内容运算按 START前I80SSTSSHSCIBAALU 输出SVZC按 START后ALU 输出SVZC按照上次实验的步骤，继续完成验证型实验内容。思

40、考问题1、每次运算，为什么按 START之前和按 START之后的结果会有不同？应使用哪个结果作为当前的运算结果？为什么？2、分析第二次实验内容中的 R0-R2R0 和 R8-R9R9 的结果，说明其中操作控制的区别。实验报告要求本次实验需完成实验报告一份，本次实验报告内容写出验证后“表 1证内容”的内容，并对思考问题进行讨论。运算器实验一验控制信号附录表表2-1ALU数据来源控制I2I1I0表2-2ALU运算类型控制I5I4I3表2-3ALU数据传送控制I8I7I6SCI00110101Cin01CTCLK2方波典型指令ADD、DECINC、SUBADC、SBB本实验中不使用表2-4最低进位

41、Cin控制信号SCI表2-5移位状态控制信号SSHSSH0011010左移RAM00CQ3Q0*F3右移RAM30CCYF3OVQ3*RAM0说明补 0（逻辑左右移）带进位移（循环移位）带 Q 同时移位（乘除时）补码右移1*RAM0注：注：RAM0RAM0指任意一个通用寄存器的最低位，指任意一个通用寄存器的最低位，RAM15RAM15指任意一个通用寄存器的最高位。指任意一个通用寄存器的最高位。表2-6标志位状态控制信号SSTSST 编码000001010011100101110111CZVSCZVSCy F=0 OVR F15内部总线对应的一位0ZVS1ZVSRAM0ZVSRAM15 ZVSQ

42、0ZVS说明四个标志位的值保持不变接收 ALU的标志位输出的值恢复标志位原来的现场值置“0”C，另三个标志位不变置“1”C，另三个标志位不变右移操作，另三个标志位不变左移操作，另三个标志位不变联合右移，另三个标志位不变实验三实验三存储器实验存储器实验实验目的1、了解计算机中半导体存储器 RAM、EPROM 和 E PROM 的功能和区别；2、理解并掌握半导体存储器芯片的扩展和验证方式；2实验内容1、验证半导体存储器 RAM的读写特性；2、使用给定的存储芯片进行存储器的容量扩展，扩展地址从 4000H 开始；3、对于扩展的存储芯片进行读写验证，并理解 E2PROM 的读写特性；实验要求实验前先复

43、习存储器字、位扩展的方法，并熟悉所做实验的内容。实验学时2 学时实验步骤1、TEC-XP 教学机现有 RAM 存储区的读写特性验证TEC-XP 教学机的存储系统中， 2000H27FFH的 2K 空间是由 6116 RAM芯片构成的 （详见概述部分的“主要技术指标”内容介绍） 。随机存储器 RAM 的读写特性是：在不断电的情况下，CPU 可以对该存储器的任何单元进行随机读写操作，其中内容可以长期保存；但该存储器是易失性的存储器，一旦断电，其中数据均被清空。本实验要在监控状态下，分别使用不同的监控命令对该 RAM存储芯片的读写特性进行验证。由于是联机测试，需要将由于是联机测试，需要将TEC-XP

44、TEC-XP的功能开关先置为的功能开关先置为0011000110。（1 1）检查）检查 FPGAFPGA 下方的插针按下列要求短接下方的插针按下列要求短接标有“/MWR” “RD”的插针左边两个短接；标有“/MRD” “GND”的插针右边两个短接；标有“ROMLCS”和“RAMLCS”的插针短接。（2 2）使用）使用 E E 命令修改命令修改 RAMRAM 中某存储单元的值中某存储单元的值在命令行提示符状态下输入：E2020屏幕将显示：2020内存单元原值：按如下形式输入：2020 原值：2222（空格）原值：3333（空格）原值：4444（空格）原值：5555注意：注意：E E命令之后的地址

45、应为命令之后的地址应为200025FFH200025FFH之间的某一个单元。之间的某一个单元。（3 3）使用）使用 D D 命令查看所修改单元的内容命令查看所修改单元的内容D2020这里查看到的数据，应与上一步中输入的数据一致。（4 4）断电后重新启动教学机，使用）断电后重新启动教学机，使用 D D 命令再次查看所修改单元的内容命令再次查看所修改单元的内容D2020这里发现原来置入到这几个内存单元的值已经改变。因此，用户使用RAM时，必须在每次断电重启后，重新写入所需要的数据。（5 5）使用）使用 A A 命令输入一段指令序列命令输入一段指令序列A 2000按如下形式输入：2000：MVRD

46、R0，AAAA2002：MVRD R1，55552004：AND R0，R12005：RET2006：这里，对这里，对RAMRAM使用使用A A命令写入连续的指令不会出错。命令写入连续的指令不会出错。（6 6）单步方式执行以上指令序列，观察结果）单步方式执行以上指令序列，观察结果T 2000R0 的值变为 AAAAH，其余寄存器的值不变。TR1 的值变为 5555H，其余寄存器的值不变。TR0 的值变为 0000H，其余寄存器的值不变。（7 7）教学机断电重启后，以上数据仍然会丢失）教学机断电重启后，以上数据仍然会丢失2、给定 E PROM 存储芯片的扩展连接TEC-XP 教学机中的 RAM芯

47、片和扩展对应的器件位置如图 3-1 所示。（1 1）将）将 E E2 2PROMPROM 芯片插入扩展插槽位置芯片插入扩展插槽位置每台教学机配备 2 片 E2PROM 芯片，实验时应首先将这两个芯片插入指定区域标有“EXTROMH”和“EXTROML”的自锁紧插座中。插入方法：将锁紧杆拨开，按正确的方向将芯片插入插座中，然后放下锁紧杆，固定芯片。2注意：芯片插入时，应将带有半圆形缺口的一方朝左插入，一旦插反会导致芯片烧毁。注意：芯片插入时，应将带有半圆形缺口的一方朝左插入，一旦插反会导致芯片烧毁。（2 2）数据地址线连接）数据地址线连接将标有“DataBus 15-8”和“DataBus 7-

48、0”的数据总线的指示灯下方的插针短接。将标有“AddressBus 15-8”和“AddressBus 7-0”的地址总线的指示灯下方的插针短接。（3 3）读写控制总线连接）读写控制总线连接将 EXTROML芯片右上方的标有“WE”和“A11”的插针下面两个短接。标有“TEC” “OE” “GND” “FPGA”的四个插针上面一排左边的两个短接。图 3-1存储器扩展实验器件位置图（4 4）片选信号连接）片选信号连接首先要将“EXTROMLCS”插针短接，具体的片选信号的连接可以有两种方式：一种是插针短接方式，扩展默认地址；另一种是直接连接译码器的方式，扩展地址可选。相关的插槽位置如图 3-2

49、所示。方法一：方法一：将 EXTROML 芯片右边标有“TEC” “/CS” “FPGA”的三个插针左边两个短接，这表示扩展的 RAM 的内存地址是从 4000H 开始，可用空间是 4000H5FFFH，用户可在这个范围内输入程序或改变内存单元的值。方法二：方法二：将标有“EXTROMLCS”的圆孔针与 74LS138 译码器下方的一排圆孔针中的任意一个用导线相连。注意：连接译码器的哪个输出端，给扩展芯片分配的就是对应的地注意：连接译码器的哪个输出端，给扩展芯片分配的就是对应的地址范围。址范围。图 3-2译码器及插槽示意图3、扩展容量的读写特性验证扩展用的 E2PROM 芯片，其读操作和 RA

50、M 一样，而其写操作，由于要先擦除信息再写入，因此需要一定的延迟时间，大约为 1 毫秒。在对 E PROM 进行写操作时，应加入一段延时子程序的调用，以完成正确的读写。（1 1）用）用 E E 修改扩展单元的内容，并用修改扩展单元的内容，并用 D D 查看结果查看结果假定第 2 步中的扩展连接采用的是默认地址 4000H5FFFH，使用 E 命令修改该地址范2围内的某几个单元，再用 D 命令查看数据的修改情况。将教学机断电后重新启动，再次查看以上修改单元的值，分析原因。（2 2）控制程序）控制程序实验使用的 E2PROM 芯片不能直接用 A 命令输入程序，单字节的指令可能会写进去，双字节指令的