计算机组成原理与系统结构SD—CMACM++实验指导书.pdf

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1、计算机实验系列讲义计算机组成原理与系统结构SD C M A/C M+实验指导书预备知识.1第 1 章 运 算 器.21.1基本运算器实验.4第 2 章 存 储 系 统.1 22.1静态随机存储器实验.1 2第 3 章 控 制 器.1 83.1 时序发生器设计实验.1 83.2 微程序控制器实验.2 1第 4 章 模型计算机.3 34.1 C PU与简单模型机设计实验.3 34.2复杂模型机设计实验.4 2附录1 软件使用说明.57附录2 时序单元介绍.68附录3 实验用芯片介绍.70附录4 T D-C MA 实验系统.74T DN-C M+实验介绍.76T DN-C M+系统集成操作软件.1

2、1 2计算机组成原理实验指导书苏州大学计算机硬件实验室实验预备知识注意：1.接线时必须断电2.接线时注意高位对高位，低位对低位开关的值(0 或 1)标在开关组的两边灯亮标示1,灯灭标示0实验箱上凡丝印标注有马蹄形标记表示这两根排针之间是连通的。实验报告一、实验目的(1)了解运算器的组成结构。(2)掌握运算器的工作原理。二、实验内容基本运算器实验，读 A、B两数，置寄存器A=65和寄存器B=A 7,改变运算器的功能设置，观察运算器的输出。三、实验原理(画出原理图)运算器内部含有三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，要处理的数据存于暂存器A和暂存器B,三个部件同时接受来自A和 B的数据

3、，各部件对操作数进行何种运算由控制信号S3 S0 和 C N来决定，任何时候，多路选择开关只选择三部件中一个部件的结果作为A LU 的输出。如果是影响进位的运算，还将置进位标志F C,在运算结果输出前，置 A LU 零标志。D|7.O|计算机组成原理实验指导书运算器原理图四、实验步骤(程序画出流程图)(1)按实验接线图连接，并检查无误。(2)将时序与操作台单元的开关K K 2 置 为 单拍 档，开关K K 1、K K 3 置 为 运行档。(3)打开电源开关，然后按动C ON单元的C LR按钮，将运算器的A、B和 F C、F Z 清零。(4)用输入开关向寄存器A置 6 5 数。拨动C ON单元的

4、S D 27S D 20 数据开关，形成二进制数0 1 1 0 0 1 0 1 (6 5),数据显示亮 为 1 ，灭 为 0 。置 LD A=1,LD B=O,连续(4 次)按动时序单元的S T按钮，产生一个T4 上沿，则将二进制数0 1 1 0 0 1 0 1 置入寄存器A中，寄存器A的值通过A LU 单元的A 7-A 0 八位LE D 灯显z j o(5)用输入开关向暂存器B 置 A 7数。拨 动 C ON单元的S D 27S D 20 数据开关，形成二进制数1 0 1 0 0 1 1 1 (A 7)置 LD A=O,LD B=1,连续(4 次)按动时序单元的S T按钮，产生一个T4 上沿

5、，则将二进制数1 0 1 0 0 1 1 1 置入寄存器B中，寄存器B的值通过A LU 单元的B 7-B 0 八位LE D 灯显不。(6)改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，置 A LU B=0、LD A=O、LD B=0,然后按表1-1 T 置 S 3、S 2、S I、S 0 和 C n 的数值，并观察数据总线LE D 显示灯显示的结2，计算机组成原理实验指导书 苏州大学计算机硬件实验室果。实验箱和P C 联机操作，单 击【开始】/【程序】/Ta n gD u/C MA/C MA 的 程 序 如 图 所 示，选择联机软件的 实 验】/【运算器实验F,打开运算器实验的数据通路图。进行手动操

6、作，每按动一次S T按钮，数据通路图会有数据的流动，反映当前运算器所做的操作。在软件中选择“【调试】一【单周期】，数据通路图反映当前运算器所做的操作。改变S 3 S 2 S I S O C N控制信号，FC 为进位标志，FZ 为运算器零标志，表中功能栏内的 FC、FZ 表示当前运算会影响到该标志。五、实验结果运算类型ABS3 S2 SI SOCN结果逻辑运算65A70 0 0 0XF=(65)FC=(0)FZ=(0)65A70 0 0 1XF=(A7)FC=(0)FZ=(0)0 0 1 0XF=(25)FC=(0)FZ=(0)0 0 1 1XF=(E7)FC=(0)FZ=(0)0 1 0 0X

7、F=(9A)FC=(0)FZ=(0)移位运算0 1 0 1XF=(CA)FC=(0)FZ=(0)0 1 1 00F=(32)FC=(0)FZ=(0)1F=(B2)FC=(1 )FZ=(0)0 1 1 10F=(CA)FC=(0)FZ=(0)1F=(CA)FC=(0)FZ=(0)算术运算1 0 0 0XF=(65)FC=(0)FZ=(0)1 0 0 1XF=(0C)FC=(1 )FZ=(0)1010(FC=O)XF=(0D)FC=(1 )FZ=(0)1 0 1 0(FC=1)XF=(0D)FC=(1 )FZ=(0)1 0 1 1XF=(BE)FC=(1 )FZ=(0)1 1 0 0XF=(64

8、)FC=(0)FZ=(0)1 1 0 1XF=(66)FC=(0)FZ=(0)六、实验体会通过这次实验3计算机组成原理实验指导书第1章 运 算 器计算机的一个最主要的功能就是处理各种算术和逻辑运算,这个功能要由C P U 中的运算器来完成，运算器也称作算术逻辑部件A LU。本章首先安排一个基本的运算器实验，了解运算器的基本结构，然后再设计一个加法器和一个乘法器。1.1 基本运算器实验1.1.1实验目的实验内容(1)目的：了解运算器的组成结构，掌握运算器的工作原理。(2)内容：基本运算器实验，读 A、B两数，置寄存器A=6 5 和寄存器B=A 7,改变运算器的功能设置，观察运算器的输出。1.1.

9、2 实验设备P C 机一台，TD-C MA 实验系统一套。排线：8芯 3 根、4芯 3 根、2 芯根。1.1.3 实验原理本实验的原理如图17 T 所示。运算器内部含有三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，要处理的数据存于暂存器A和暂存器B,三个部件同时接受来自A和 B的数据(有些处理器体系结构把移位运算器放于算术和逻辑运算部件之前，如 A R M),各部件对操作数进行何种运算由控制信号S 3 S O和 C N来决定，任何时候，多路选择开关只选择三部件中一个部件的结果作 为 A L U 的输出。如果是影响进位的运算，还将置进位标志F C,在运算结果输出前，置A L U 零标志。A

10、L U 中所有模块集成在一片C P L D 中。逻辑运算部件由逻辑门构成，较为简单，而后面又有专门的算术运算部件设计实验,在此对这两个部件不再赘述。移位运算采用的是桶形移位器，一般采用交叉开关矩阵来实现，交叉开关的原理如图1 T-2 所示。图中显示的是一个4 X 4 的矩阵(系统中是一个8 X 8的矩阵)。每一个输入都通过开关与一个输出相连，把沿对角线的开关导通，就可实现移位功能，即:(1)对于逻辑左移或逻辑右移功能，将一条对角线的开关导通，这将所有的输入位与所使用的输出分别相连,而没有同任何输入相连的则输出连接0。(2)对于循环右移功能，右移对角线同互补的左移对角线一起激活。例如，在 4位矩

11、阵 中 使 用 右 1 和 左 3 对角线来实现右循环1 位。(3)对于未连接的输出位，移位时使用符号扩展或是0 填充，具体由相应的指令控制。使用另外的逻辑进行移位总量译码和符号判别。4计算机组成原理实验指导书苏州大学计算机硬件实验室7CnSI3.0I译码器图 ITT运算器原理图运算器部件由一片C P L D 实现。A L U 的输入和输出通过三态门74 L S 2 4 5 连到C P U 内总线上，另外还有指示灯标明进位标志F C 和零标志F Z。请注意：实验箱上凡丝印标注有马蹄 形 标 记-，表示这两根排针之间是连通的。图中除T 4 和 C L R,其余信号均来自于 A L U 单元的排线

12、座，实验箱中所有单元的T l、T 2、T 3、T 4 都连接至控制总线单元的T 1、T 2、T 3、T 4,C L R 都连接至C O N 单元的C L R 按钮。T 4 由时序单元的T S 4 提 供（时序单元的介绍见附录二），其余控制信号均由C O N 单元的二进制数据开关模拟给出。控制信号中除T 4 为脉冲信号外，其余均为电平信号，其中A L U B 为低有效，其余为高有效。5计算机组成原理实验指导书图 1-1-2 交叉开关桶形移位器原理图暂存器A和暂存器B的数据能在LED灯上实时显示，原理如图1 T-3所 示（以A0为例，其它相同）。进位标志FC、零标志FZ和数据总线D7 DO的显示原

13、理也是如此.图 1 1 3 A 0显中原理图ALU和外围电路的连接如图1 7-4所示，图中的小方框代表排针座。运算器的逻辑功能表如表IT T 所示，其中S3 S2 SI SO CN为控制信号，FC为进位标志，FZ为运算器零标志，表中功能栏内的FC、FZ表示当前运算会影响到该标志。B7.0TIN7.0图 1-1-4 A L U和外围电路连接原理图6，计算机组成原理实验指导书 苏州大学计算机硬件实验室表1-1-1运算器逻辑功能表运算类型S3 S2 SI SOCN功 能0000XF=A（直通）0001XF=B（直通）逻辑运算0010XF二 A B(FZ)0011XF=A+B(FZ)0100XF=/A

14、(FZ)0101XF二A不带进位循环右移B（取低3位）位(FZ)01100F二A逻辑右移一位(FZ)移位运算1F=A带进位循环右移一位(FC,FZ)01110F=A逻辑左移一位(FZ)1F二A带进位循环左移一位(FC,FZ)1000X置 FC=CN(FC)1001XF=A 加 B(FC,FZ)1010XF=A加B加FC(FC,FZ)算术运算1011XF=A 减 B(FC,FZ)1100XF=A 减 1(FC,FZ)1101XF=A 加 1(FC,FZ)1110X（保留）1111X（保留）*表 中“X”为任意态，下同1.1.4 实验步骤（1）按 图1T-5连接实验电路，并检查无误。图中将用户需要

15、连接的信号用圆圈标明（其它实验相同）。7CLKO30HZ时 厅 与 操 作 台 单 元T S3 rTS4控 制 总 线 单 元T 3T 4CPU内 总 线 单 元D7.DO计算机组成原理实验指导书ALU® 单 元D7.DOOUT7 OUTOALU BS 3.SO一LDA LDBIN7 INOI T-5-A 实验接线图 排线：8 芯 3 根、4 芯 3根、2 芯 3 根。图 1-1-5-B 实验接线图 排线：8 芯 3根、4 芯 3 根、2 芯 3 根(2)将时序与操作台单元的开关KK2置 为 单 拍 档，开关KK1、KK3置为 运行档。(3)打开电源开关，如果听到有 嘀 报警声，说明有总

16、线竞争现象，应立即关闭电源,8，计算机组成原理实验指导书 苏州大学计算机硬件实验室重新检查接线，直到错误排除。然后按动C O N 单元的C L R 按钮，将运算器的A、B 和 FC、FZ 清零。（4）用输入开关向暂存器A置数。拨动C O N 单元的S D 2 7-S D 2 0数据开关，形成二进制数01 1 001 01（6 5 或其它数值）,数据显示亮为 1 ,灭 为 0。置 L D A=1,L D B=O,连续（4次）按动时序单元的S T按钮，产生一个T4 上沿，则将二进制数01 1 001 01 置入暂存器A中，暂存器A的值通过A L U单元的A 7 A 0八位L ED 灯显示。（5）用

17、输入开关向暂存器B置数。拨动C O N 单元的S D 2 7 S D 2 0数据开关，形成二进制数1 01 001 1 1（A 7 或其它数值）。置 L D A=O,L D B=1,连续（4次）按动时序单元的S T按钮，产生一个T4 上沿，则将二进制数1 01 001 1 1置入暂存器B中，暂存器B的值通过A L U单元的B 7-B 0八位L ED 灯显示。（6）改变运算器的功能设置，观察运算器的输出（观察C P U内总线1）7-D 0显示灯显示的结果）。置 A L U_ B=O、L D A=O、L D B=O,然后按表IT T 置 S 3、S 2、S I、S O 和 C n 的数值,并观察数

18、据总线L ED 显示灯显示的结果（观察C P U内总线D 7-D 0显示灯显示的结果）。如置S 3、S 2、S I、S 0为 001 0,运算器作逻辑与运算，置 S 3、S 2、S I、S 0为 1 001,运算器作加法运算。如果实验箱和P C 联机操作，则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果（软件使用说明请看附录一），方法是：单 击【开始】/【程序】/T a n g D u/C M A/C M A 的程序如图1 T-6 所示，选择联机软件的 实 验】/【运算器实验】，打开运算器实验的数据通路图，如 图 1 T-7 所示。进行上面的手动操作，每按动一次S T 按钮，数据通路图会有数据的流动，

19、反映当前运算器所做的操作。或在软件中选择 调 试】一【单周 期（4个单拍是1 个单周期）F,其作用相当于将时序单元的状态开关K K 2 置为 单拍 档后按动了一次S T 按钮，数据通路图也会反映当前运算器所做的操作。重复上述操作，并完成表1 T-2。然后改变A、B的值，验证F C、F Z 的锁存功能。波迎使用唐都仪器TD-CMA-CMA1文件（E）编 辑 查 看 端 口 实 瓶D检测（I）转储调 试 醐 波 形 设 置 窗 口 的 帮助凹幽 嗣 仞 回国段回。喜！脑dR M，X|网创图 1 T-6 实验箱和PC联机软件操作图9计算机组成原理实验指导书图1-1-7数据通路图表1-1-2运算结果表

20、运算类型ABS 3 S 2 S I S OC N结果逻辑运算6 5A 70 0 0 0XF=(6 5 )F C=()F Z=()6 5A 70 0 0 1XF=(A 7)F C=()F Z=()0 0 10XF=()F C=()F Z=()0 0 11XF=()F C=()F Z=()0 10 0XF=()F C=()F Z=()移位运算0 10 1XF=()F C=()F Z=()0 1100F=()F C=()F Z=()1F=()F C=()F Z=()0 1110F=()F C=()F Z=()1F=()F C=()F Z=()算术运算10 0 0XF=()F C=()F Z=()10

21、 0 1XF=()F C=()F Z=()1 0 1 0(F C=O)XF=()F C=()F Z=()1 0 1 0(F C=1)XF=()F C=()F Z=()10 11XF=()F C=()F Z=()110 0XF=()F C=()F Z=()110 1XF=()F C=()F Z=()注：F=()观察CPU内总线D7-DO显示灯显示的结果，F表示运算结果。10，计算机组成原理实验指导书 苏州大学计算机硬件实验室F C=()观察A L U N&R E G 单元的F C 显示灯，F C 表示运算结果进位信号，灯亮表示“1”灯灭表示“0”。F Z=()观察A L U N&R E G 单元

22、的F Z 显示灯，F Z 表示运算结果判零信号，灯亮表示“1”灯灭表示“0”。如果实验箱和PC 联机操作F=()观察C PU 内总线D 7-D 0 显示灯显示的结果。同时可在图1-1-7 数据通路图上观察。F C=()观察A L U N&R E G 单元的F C 显示灯，灯亮表示“1”灯灭表示“0”，同时可在图1-1-7 数据通路图上观察。F Z=()观察A L U N&R E G 单元的F Z 显示灯，灯亮表示“1”灯灭表示“0”，同时可在图1-1-7 数据通路图上观察。11计算机组成原理实验指导书第2章 存 储 系 统存储器是计算机各种信息存储与交换的中心。在程序执行过程中，所要执行的指令

23、是从存储器中获取，运算器所需要的操作数是通过程序中的访问存储器指令从存储器中得到，运算结果在程序执行完之前又必须全部写到存储器中，各种输入输出设备也直接与存储器交换数据。把程序和数据存储在存储器中，是冯诺依曼型计算机的基本特征，也是计算机能够自动、连续快速工作的基础。本章安排了两个实验：静态随机存储器实验及C a c h e 控制器设计实验。2.1静态随机存储器实验2.1.1 实验目的实验内容（1）目的：掌握静态随机存储器R A M 工作特性及数据的读写方法。（2）内容:给存储器的O O H、0 1 H、0 2 H、0 3 1 k 0 4 H 地址单元中分别写入数据1 1 H、1 2 H、1

24、3 H、1 4 H、1 5 H,再依次读出数据。2.1.2 实验设备P C机一台，T D-CM A 实验系统一套。排线：8芯 5 根、4芯 2 根、2芯 3 根。2.1.3 实验原理实验所用的静态存储器由一片6 1 1 6 （2 K X 8 b i t）构 成（位于M EM 单元），如图2TT所示。6 1 1 6 有三个控制线：CS （片选线）、O E（读线）、WE（写线），其功能如表2TT所示，当片选有效（CS=0）时，0 E=0 时进行读操作，WE=0 时进行写操作，本实验将CS 常接地。Vcc A8 A9 WE OE A10 CS 1/07 1/06 1/05 1/041/03RAM(6

25、116)A7 A6 A5 A4 A3 A2 Al AO 1/00 VO1 1/02 GND图 2-1-1 SR A M 6116 引脚图由于存储器（M EM）最终是要挂接到CP U上，所以其还需要一个读写控制逻辑，使得CP U能控制M EM 的读写，实验中的读写控制逻辑如图2-1-2 所示，由于T 3 的参与，可以保证M EM 的写脉宽与T 3 一致，T 3 由时序单元的T S 3 给出（时序单元的介绍见附录2）。I O M用来选择是对I/O 还是对M EM 进行读写操作，R D=1 时为读，WR=1 时为写。12计算机组成原理实验指导书苏州大学计算机硬件实验室表 2-1-1 SRA M 61

26、16 功能表CSWE0E功能1000X100X010不选择读写写图2-1-2 读写控制逻辑实验原理图如图2-1-3 所示，存储器数据线接至数据总线，数据总线上接有8个 LED灯显示D7D O 的内容。地址线接至地址总线，地址总线上接有8个 LED灯显示A 7-A 0的内容，地址由地址锁存器（74 LS 2 73,位于P C&A R 单元）给出。数据开关（位 于 I N 单元）经一个三态门（74 LS 2 4 5）连至数据总线，分时给出地址和数据。地址寄存器为8位，接入 6 1 1 6 的地址A 7A 0,6 1 1 6 的高三位地址A 1 0 A 8 接地，所以其实际容量为2 5 6 字节。1

27、3计算机组成原理实验指导书图2-1-3 存储器实验原理图实验箱中所有单元的时序都连接至时序与操作台单元，CLR都连接至CON单元的CLR按钮。实验时T 3由时序单元给出，其余信号由CON单元的二进制开关模拟给出，其 中I 0M应 为 低(即MEM操 作),RD、WR高有效,MR和MW低 有 效,LDAR高有效。2.1.4 实验步骤(1)关闭实验系统电源，按图2-1-4连接实验电路，并检查无误，图中将用户需要连接的信号用圆圈标明。(2)将时序与操作台单元的开关KK1、KK3置为运行档、开关KK2置 为 单步 档(时序单元的介绍见附录二)。(3)将CON单元的I 0R开关置为1(使I N单元无输出

28、，若CON单元的I 0R开关置为0系统长鸣报警)，打开电源开关，如果听到有 嘀报警声，说明有总线竞争现象，应立即关闭电源，重新检查接线，直到错误排除。14计算机组成原理实验指导书苏州大学计算机硬件实验室H寸中与台元。-OT S 1T S 23 0 H z T S 3I I T S 4Q-O-O-O一T 1T 2T 3T 4士也上止，以 线X A 7-XAO数 堀 心 线X D 7-XDOA 7.AOMEM旭元D 7.DOWR RDC P U内心 线D 7 .D OD 7 .DOPC&A R加元LDAR1)7.DO工Ng元IN _ B RDrri r7iXMWR XMRD才 闻至猛WR RD 1

29、OMLDARI O RRD IOMC O N单元图2-1-4-A实验接线图排线：8芯5根、4芯2根、2芯3根2-1-4-B实验接线图排线：8芯5根、4芯2根、2芯3根15计算机组成原理实验指导书(4)给存储器的O O H、0 1 H、0 2 H、0 3 H、0 4 H地址单元中分别写入数据1 1 H、1 2 H、1 3 H、1 4 H、1 5 H。由前面的存储器实验原理图(图2-1-3)可以看出，由于数据和地址由同一个数据开关给出，因此数据和地址要分时写入，先写地址，具体操作步骤为：先关掉存储器的读写(W R=0,R D=0),数据开关输出地址(I O R=0),然后打开地址寄存器门控信号(L

30、 D A R=1),按动S T产生T 3脉冲，即将地址打入到A R中。再写数据，具体操作步骤为：先关掉存储器的读写(W R=0,R D=0)和地址寄存器门控信 号(L D A R=0),数据开关输出要写入的数据，打开输入三态门(I O R=0),然后使存储器处于写状态(W R=1,R D=0,I 0 M=0),按动S T产生T 3脉冲，即将数据打入到存储器中。写存储器的流程如图2T-5所 示(以向0 0地址单元写入HH为例)：I N单元置地址(0 0 0 0 0 0 0 0)地址打入A R(0 0 0 0 0 0 0 0)I N单元置数据(0 0 0 1 0 0 0 1)数据打NI E M(0

31、 0 0 1 0 0 0 1)/W R 二 0R D =0I 0 M =0I 0 R 二 01 L D A R =0/W R 二 0 R D =0I 0 M =0I 0 R =0L D A R =1 T3 二/W R =0R D =0I 0 M =0I 0 R =0L D A R =0 /W R 二 1 R D =0I 0 M 二 0I 0 R 二 0L D A R =0T3 二图2-1-5写存储器流程图(5)依次读出第0 0、0 1、0 2、0 3、0 4号单元中的内容，观察上述各单元中的内容是否与前面写入的一致。同写操作类似，也要先给出地址，然后进行读，地址的给出和前面一样，而在进行读操作

32、时，应先关闭I N单元的输出(I 0 R=l),然后使存储器处于读状态(W R=0,R D=1,I 0 M=0),此时数据总线上的数即为从存储器当前地址中读出的数据内容。读存储器的流程如图2T-6所 示(以 从0 0地址单元读出1 1 H为例):IN单元置地址(00000000)地址打入A R(00000000)关闭IN单元输出(*)读出M E M数据(00010001)/W R =0R D 二 0IO M 二 0IOR=0LD A R =01/W R =0 R D =0IO M 二 0I0R=0LD AR=1 T3 二旦)/W R =0R D =0IO M =0IOR=1LD A R 二 0

33、 /W R =0R D =1IO M =0IOR 二 1LD A R 二 0 /图2-1-6读存储器流程图如果实验箱和P C联机操作，则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果(软件使用说明请看附录1)，方法是：单击【开始】/【程序】/Tan gD u/C M A/C M A的程序如图1 T-616，计算机组成原理实验指导书 苏州大学计算机硬件实验室所示，打开软件，选择联机软件的 实 验】/【存储器实验】，打开存储器实验的数据通路图，如图2-1-7所示。进行上面的手动操作，每按动一次ST按钮，数据通路图会有数据的流动，反映当前存储器所做的操作（即使是对存储器进行读，也应按动一次ST按钮，数据通路

34、图才会有数据流动），或在软件中选 择 调 试】一【单周期】，其作用相当于将时序单元的状态开关置为单步档后按动了一次ST按钮，数据通路图也会反映当前存储器所做的操作，借助于数据通路图，仔细分析SRAM的读写过程。XMWRXMRD图2-1-7 数据通路图注：地址：00H 观察CPU内总线D7-DO显示灯显示的结果。数据：11H 观察CPU内总线D7-DO显示灯显示的结果。如果实验箱和PC联机操作地址：00H 观察CPU内总线D7 DO显示灯显示的结果。同时可观察图2-1-7数据通路图。数据：11H 观察CPU内总线D7-DO显示灯显示的结果。同时可观察图2-1-7数据通路图。17计算机组成原理实验

35、指导书第3章 控 制 器控制器是计算机的核心部件，计算机的所有硬件都是在控制器的控制下，完成程序规定的操作。控制器的基本功能就是把机器指令转换为按照一定时序控制机器各部件的工作信号，使各部件产生一系列动作，完成指令所规定的任务。本章安排了两个实验：时序发生器设计实验和微程序控制器实验。3.1 时序发生器设计实验3.1.1 实验目的实验内容(1)目的：掌握时序发生器的原理及其设计方法，熟悉C P L D 应用设计及E D A 软件的使用。(2)内容：用 VH D L 语言来实现一个时序发生器，输出如图3-1-2 所示T 1-T 4 四个节拍信号。3.1.2 实验设备P C 机一台，T D-C M

36、 A 实验系统一套。3.1.3实验原理计算机的工作是按照时序分步地执行。这就需要能产生周期节拍、脉冲等时序信号的部件，称为时序发生器。如图3-1-1 所示。节手向电位 工作脉K 肩 动 伶 机图3 T-1时序发生器时序部件包括：(1)脉冲源：又称主震荡器，为计算机提供基准时钟信号。(2)脉冲分配器：对主频脉冲进行分频，产生节拍电位和脉冲信号。时钟脉冲经过脉冲发生器产生时标脉冲、节拍电位及周期状态电位。一个周期状态电位包含多个节拍电位,而一个节拍单位又包含多个时标脉冲。(3)启停控制电路：用来控制主脉冲的启动和停止。18，计算机组成原理实验指导书 苏州大学计算机硬件实验室本实验是用VH D L

37、语言来实现一个时序发生器，输出如图3-1-2 所示T 1 T 4 四个节拍信号。时序发生器需要一个脉冲源，由时序单元的6提供(时序单元的介绍见附录二)，一个总清零C L R,为低时，T 1 T 4 输出低。一个停机信号S T O P,当 T 4 的下沿到来时，且S T O P 为 低,T 1 T 4 输出低。一个启动信号S T A R T,当 S T A R T、T 1 T 4 都为低，且 S T O P 为高，T 1 输出环形脉冲。I_|_CPU周 期-CPU周 期-H图3-1-2 时序状态图可通过4位循环移位寄存器来实现T 4-T 1,C L R 为总清零信号，S T O P 为低时在T

38、4 脉冲下沿清零时序，时序发生器启动后，移位寄存器在时钟的上沿循环左移一位，移位寄存器的输出端即为T 4 T 1。3.1.4 实验步骤(1)参照上面的实验原理，用 VH D L 语言来具体设计一个时序发生器。使用Q u a r t u s I I软件编辑VH D L 文件并进行编译，时序发生器在E P M 1 2 70 芯片中对应的引脚如图3-1-3 所示，框外文字表示I/O 号，框内文字表示该引脚的含义(本实验例程见 安装路径C p l dT i m e r T i m e r.q p f 工程)。A22A21A20A19T3T2T1TOEPM1270CLKCLRSTOPSTARTD28D2

39、7D26D25图3-1-3 实验接线图(2)关闭实验系统电源，按图3 T-4 连接实验电路，并检查无误，图中将用户需要连接的信号用圆圈标明。19计算机组成原理实验指导书(3)打开实验系统电源，将生成的P O F 文件下载到E P M 1 2 70 中去，C P L D 单元介绍见实 验 1.2。(4)将 C O N 单元的 K 7(S T A R T)、K 6 (S T O P)开 关 置 1 ,K 5 (C L R)开 关 置 O T ,使T IT 4 输出低。运行联机软件，选 择“【波形】一【打开r 打开逻辑示波器窗口，然后选择“【波形】一【运行】启动逻辑示波器，逻辑示波器窗口显示T 1T

40、 4 四路时序信号波形。(5)将 C O N 单元的K 7(S T AR T)开 关 置 1-0-1 启动T 1T 4 时序,示波器窗口显示 T 1T 4波形，如图3 T-5 所示。图3-1-5 时序波形图(6)将 C O N 单元的K 6 (S T O P)开关置0,停止T 1T 4时序，示波器窗口显示T 1T 4波形均变为低。20计算机组成原理实验指导书苏州大学计算机硬件实验室3.2 微程序控制器实验3.2.1实验目的实验内容(1)目的：掌握微程序控制器的组成原理。(2)内容：微程序的编制、写入，观察微程序的运行过程。3.2.2 实验设备P C 机一台，T D-C M A实验系统一套。排线

41、：8 芯 7 根、6芯 1 根、4 芯 3 根、2 芯 10根。3.2.3实验原理微程序控制器的基本任务是完成当前指令的翻译和执行，即将当前指令的功能转换成可以控制的硬件逻辑部件工作的微命令序列，完成数据传送和各种处理操作。它的执行方法就是将控制各部件动作的微命令的集合进行编码，即将微命令的集合仿照机器指令一样，用数字代码的形式表示，这种表示称为微指令。这样就可以用一个微指令序列表示一条机器指令，这种微指令序列称为微程序。微程序存储在一种专用的存储器中，称为控制存储器,微程序控制器原理框图如图3-2-1所示。图3-2 T微程序控制器组成原理框图控制器是严格按照系统时序来工作的，因而时序控制对于

42、控制器的设计是非常重要的，从前面的实验可以很清楚地了解时序电路的工作原理，本实验所用的时序由时序单元来提供，分为四拍T S 1、T S 2、T S 3、T S 4,时序单元的介绍见附录2。微程序控制器的组成见图3-2-2,其中控制存储器采用3 片 2816 的 E2P R 0M,具有掉电保护功能，微命令寄存器18位，用两片8 D 触 发 器(273)和一片4D (175)触发器组成。微地址寄存器6位，用三片正沿触发的双D触 发 器(74)组成，它们带有清“0”端和预置端。在不判别测试的情况下，T2 时刻打入微地址寄存器的内容即为下一条微指令地址。当 T 4 时刻进行测试判别时，转移逻辑满足条件

43、后输出的负脉冲通过强置端将某一触发器置为“1”状态，完成地址修改。21r计算机组成原理实验指导书113I 1S3dQleddddOVS詈00aszss2as匚asozas:zzasxc0s-sZZd图3-2-2微程序控制器原理图22，计算机组成原理实验指导书 苏州大学计算机硬件实验室在实验平台中设有一组编程控制开关KK3、KK4、KK5（位于时序与操作台单元），可实现对存储器（包括存储器和控制存储器）的三种操作：编程、校验、运行。考虑到对于存储器（包括存储器和控制存储器）的操作大多集中在一个地址连续的存储空间中，实验平台提供了便利的手动操作方式。以向00H 单元中写入332211为例，对于控制

44、存储器进行编辑的具体操作步骤如下：首先将KK1拨 至 停 止 档、KK3拨 至 编程档、KK4拨至 控 存 档、KK5拨 至 置 数 档，由 C ON单元的SD 05SD OO开关给出需要编辑的控存单元首地址（000000）,IN单元开关给出该控存单元数据的低8 位（00010001）,连续两次按动时序与操作台单元的开关ST（第一次按动后M C 单元低8 位显示该单元以前存储的数据，第二次按动后显示当前改动的数据），此时M C 单元的指示灯M A 5一M A O显示当前地址（000000）,M 7M 0 显示当前数据（00010001）然后将KK5拨 至 加 1 档，IN单元开关给出该控存单元

45、数据的中8 位（00100010）,连续两次按动开关ST,完成对该控存单元中8 位数据的修改，此时M C 单元的指示灯M A 5M A 0显示当前地址（000000）,M l5一M 8 显示当前数据（00100010）；再 由 I N 单元开关给出该控存单元数据的高8 位（00110011）,连续两次按动开关S T,完成对该控存单元高8 位数据的修改此时M C 单元的指示灯M A 5M A 0显示当前地址（000000）,M 23M 16显示当前数据（00110011）。此时被编辑的控存单元地址会自动加1（01H）,由 IN单元开关依次给出该控存单元数据的低8 位、中 8 位和高8 位配合每次

46、开关ST 的两次按动，即可完成对后续单元的编辑。编辑完成后需进行校验，以确保编辑的正确。以校验00H 单元为例，对于控制存储器进行校验的具体操作步骤如下：首先将KK1拨 至 停 止 档、KK3拨 至 校 验 档、KK4拨 至 控 存 档、KK5拨 至 置 数 档。由 C ON单元的SD 05一SD OO开关给出需要校验的控存单元地址（000000）,连续两次按动开关ST,M C 单元指示灯M 7M 0显示该单元低 8 位 数 据（00010001）；KK5拨 至 加 1 档，再连续两次按动开关ST,M C 单元指示灯M 15-M 8显示该单元中8 位 数 据（00100010）；再连续两次按动

47、开关ST,M C 单元指示灯M 23M 16显示该单元高8 位 数 据（00110011）。再连续两次按动开关ST,地址加1,M C单元指示灯前7M 0显示01H 单元低8 位数据。如校验的微指令出错，则返回输入操作，修改该单元的数据后再进行校验，直至确认输入的微代码全部准确无误为止，完成对微指23计算机组成原理实验指导书令的输入。位于实验平台M C 单元左上角一列三个指示灯M C 2、M C I、M C O 用来指示当前操作的微程序字段，分别对应M 2 3 M 1 6、M 1 5 M 8、M 7 M 0 实验平台提供了比较灵活的手动操作方式，比如在上述操作中在对地址置数后将开关K K 4 拨

48、 至 减 1 档，则每次随着开关S T 的两次拨动操作，字节数依次从高8位到低8 位递减，减至低8 位后，再按动两次开关S T,微地址会自动减一，继续对下一个单元的操作。微指令字长共2 4 位，控制位顺序如表3-2 T：2 32 22 1 2 0 1 91 8-1 51 4-1 21 1-98-65-0M 2 3M 2 2W R R D I 0 M S 3-S 0A 字段B 字段C 字段M A 5-M A 0A字段B字段C字段1 41 31 2 选择000 O P001L D A010L D B011L D R 0100保留101保留110保留111L D I R表3-2-1微指令格式1 11

49、 0 9选择0 0 0N()P0 01A L U B0 1 0R O B0 1 1保留1 0 0保留1 01保留1 1 0保留1 11保留8 7 6选择0 0 0()P0 01P 0 1 0保留0 1 1保留1 0 0保留1 01保留1 1 0保留1 11保留其中M A 5 M A O 为 6位的后续微地址，A、B、C为三个译码字段，分别由三个控制位24计算机组成原理实验指导书苏州大学计算机硬件实验室译码出多位。C字段中的P l 为测试字位。其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码,使微程序转入相应的微地址入口，从而实现完成对指令的识别，并实现微程序的分支，本系统上的指令译码原理如图3-2-3

50、所示，图 中 1 7 1 2 为指令寄存器的第7 2位输出，SE 5-SE 0 为微控器单元微地址锁存器的强置端输出，指令译码逻辑在I R单元的I NSJ 3E C(G A L2 0 V8)中实现。从图3-2-2 中也可以看出，微控器产生的控制信号比表3-2 T 中的要多，这是因为实验的不同，所需的控制信号也不一样，本实验只用了部分的控制信号。本实验除了用到指令寄存器(I R)和通用寄存器R0 外，还要用到I N和 OUT单元，从微控器出来的信号中只有I 0 M、W R和 RD 三个信号，所以对这两个单元的读写信号还应先经过译码，其译码原理如图3-2-4所示。I R单元的原理图如图3-2-5所