pcc实验系统使用手册及实验指导书.doc

第一章 TWL-PCC教学实验系统概述一引言TWL-PCC计算机组成原理教学实验系统是专为计算机组成原理实验课程的开展而研发的高性能的教学实验系统。该系统结构清晰，操作方便、灵活多样，其功能部件丰富，且具有很高的开放性能（硬件和软件），结合联机操作软件，具有极佳的示教效果。本实验系统由下位机实验操作开发平台和上位机联机软件操作平台构成。上位机用来进行代码的编辑、联机通讯等，它可以监控下位机的所有控制信号，监视其运行，实时地修改下位机中的存储器中的指令及微控器中的微代码，进行动态调试，不管是部件实验还是模型机实验都具有用数据流图动态实时的表示出其总线间的数据流动、显示相关单元中的数据内容，从而将传统的实验操作变的形象直观、丰富多彩，极大的增强了学生的实验兴趣。二系统功能特点1两种操作方式，可相互切换，实验操作及观察更容易。系统提供两种操作方式：通过RS-232串行口与PC微机联机，可在PC机上对系统进行编程、装载、调试等操作，以动态图形界面进行实时显示，使得实验系统的任何动作都能形象直观的表达出来，从而获得极佳的教学效果，也可用于多媒体辅助教学；系统也可单独使用，通过拨动开关、LED显示灯及数码块等输入输出操作，进行编程、调试运行及显示等。两种方式可以自由切换。2多种形式的动态图形调试界面，对系统进行全面实时监控调试。系统具有从部件实验到模型机等多种动态图形监控调试界面，在调试过程中实时显示系统中的各个部件单元中的内容、各控制信号的状态及各部件之间数据的动态传送过程等所有信息。所以本系统的所有实验项目都有各自的这种动态图形方式监控调试，增进学生的理解及提高实验效率。3结构清晰的单元式实验电路，可根据具体要求构造出不同结构及复杂程度的原理性计算机。系统采用单元式结构电路，各个部件单元相互独立，用户可根据自己所设计的模型机结构方案，将不同的单元用排线连接起来，来构造不同结构及复杂程度的原理性计算机。4实验系统结构规范，硬件设计合理、可靠，组件完备、简洁。实验系统旨在体现计算机基本硬件系统的组成原理，尽量简化复杂指令系统和复杂体系结构。总线结构规范清晰，系统总线由数据总线、地址总线及控制总线构成，而数据总线被分成内部数据总线和外部数据总线。硬件组件完备，单元电路包括运算器、存储器、控制器、寄存器堆、移位寄存器、程序计数器、堆栈指针、指令寄存器、指令及寄存器译码单元、中断控制器、输入输出设备、外设译码等单元，并通过将各单元之间有关的信号线在实验时加以连接，使学生便于理解掌握各单元的工作原理和整个计算机系统组成原理。5实验系统具有极高的开放性，增强学生的综合设计能力。实验系统的微程序控制器中的微代码及微代码格式均可由用户自己定义，从而可以设计不同功能及复杂程度的指令系统，系统总线（包括数据总线、地址总线及控制总线）也都可由用户来操作连接，通过这些设计学生可以对计算机的原理及系统设计有更深入的理解和认识。6具有中断响应、中断允许、中断禁止和中断向量的读入等中断处理控制功能。7部件实验具有总线冲突检测功能。在做部件实验时是由手动拨动开关控制各个信号的，所以通过上位机的实时监控检测，提示实验操作中是否出现总线数据冲突，从而更有效地避免了单元电路在实验操作不当时造成的损坏。8实验连线在线检测功能及逻辑示波器测量平台。系统联机软件具有一个标准模型机的实验连线及单元电路好坏的在线检测功能，通过PC机操作可以提示有问题的实验连线及相关单元电路。另外，系统软件还具有一个示波器功能，通过表笔测量可以在计算机屏幕上同时显示4路逻辑信号的测量波形，有助于实验中的时序及控制信号的测量分析。三技术指标1该实验系统机器字长8位，运算器、存储器、寄存器等组件和内部数据总线、外部数据总线、地址总线均为8位。2控制器采用微程序控制，由4片28C16EEPROM组成，所以具有32位微代码。微地址为8位，所以控存空间为25632位。控存中的微指令可根据指令的功能及微指令的格式自行设计。3采用6116RAM芯片作为主存，使用低8位地址，可寻址256个字节单元，来存放用户程序和数据。4实验系统上的时钟产生电路产生50300 HZ的时钟信号，可由可调电位器进行调节。系统的时序发生器单元根据信号源产生T1、T2、T3、T4节拍信号，以提供整个实验系统电路的时序所需。5由二片74LS181芯片以串/并形式组成8位算术和逻辑运算器，再由74LS299及其进位控制电路组成移位运算器。3片74LS374组成3个8位的通用寄存器。6具有中断控制功能，有中断响应、中断允许、中断禁止和中断向量的读入等中断处理控制功能。7具有堆栈指针功能，可控制加一减一，在RAM中设置堆栈区，由堆栈指针SP指向。8实验系统上具有微程序的编程、校验及运行功能，微地址为8位。可由32位微代码二进制开关进行编程校验。有32位微代码显示灯、8位微地址显示灯、8位总线显示灯，8位地址总线显示灯，分别独立的二进制开关组，每个开关有其状态显示灯。9指令系统指令字长8位，操作码4位或6位。模型机可以设计多种寻址方式。10联机软件有从部件到模型机多种动态图形界面，模型机的图形调试界面可控制实验系统单步微指令、单步机器指令、连续运行、设置断点、读写机器指令及微指令、文件的保存及装载等功能。11部件实验联机软件具有总线冲突报警功能。12实验连线在线检测功能及4路逻辑信号示波器的逻辑信号测量平台。13实验系统采用高效开关稳压电源，输出5V、最大电流2A的直流模块电源，具有短路保护、过载保护、过压保护等功能。四主要实验项目1运算器组成实验2进位控制实验3移位运算实验4静态存储器实验5时序发生器及启停电路实验6总线及数据通路组成实验7控制器实验8基本模型机的设计与实现9复杂模型机的设计与实现10具有中断控制功能的模型机的设计与实验五系统构成TWL-PCC计算机组成原理实验系统是由下位机硬件实验开发平台和上位机联机操作软件构成，实验开发平台通过RS232C串行通讯电缆和PC微机串行通讯口相连进行通讯。如图1.1所示。该系统可只由下位机硬件实验开发平台来完成所有实验及开发，也可辅助上位机联机操作软件联机实验调试，实验效果更形象直观，易于学生理解及其具有的趣味性，从而提高了学生的学习兴趣，有利于增强学生的创新意识。串口TWL-PCC系统PC微机 串口图1.1 TWL-PCC实验系统与PC微机连接示意图串行通讯电缆的接线情况如下图1.2所示：23串口串口 PC微机 TWL-PCC硬件实验开发平台图1.2 串行通讯电缆连线图系统硬件结构图如图1.3所示。图1.3 系统硬件结构图第二章 TWL-PCC教学实验系统硬件基本组成一系统电源TWL-PCC计算机组成原理教学实验系统采用高效开关电源作为系统工作和实验电源，其主要技术指标为： 输入电压：AC90264V 4763HZ 输出电压电流：5V/2A,输出电压调整范围：10% 输出功率：10W 效率：72 保护功能：过载保护：105%150% ，自动恢复过压保护：110%150% 输出短路保护工作环境温度：-1050系统电源已置于电路板下方机箱内，电源开关在实验箱右侧边。只要用电源线连接到220V交流电源上，打开电源开关就可以给实验系统提供所需5V直流电源。当关闭电源后，不要立即重新开启，关闭到重新开启之间需要至少30秒间隔。二实验系统单元电路构成图2.1 系统硬件实验开发平台组成框图TWL-PCC计算机组成原理教学实验系统的硬件实验开发平台的基本组成框图如图2.1所示，所有电路做在一块印刷电路板上。它包括4大块部分：左边大粗体方框内的各个单元属于CPU内部部件；右边中间部分为CPU的系统总线、存储器及外设；右下“开关组单元”为系统提供独立的二进制拨动开关，用于做部件实验时手动模拟出一些控制信号；右上脚的“单片机管理单元”用来系统管理，负责和PC机的通讯、读各单元控制信号等发送往PC机等。以下详细介绍各具体的部件实验单元电路：1运算器单元“运算器单元”位于实验线路板的左部，包括运算器、进位控制电路及移位寄存器。图2.2为运算器及进位控制电路原理图。图中虚线框内的线路在实验系统的印刷电路板上已经连好，虚线框上的标注圆圈的为该单元对外部需要连接的输入或输出线，在装置线路板上该单元可以找到相应的丝印字。以下各单元类同。运算器单元中由以下部分构成：两片74LS181以串-并型构成一个8位的ALU，两片的运算状态控制信号S3、S2、S1、S0、M并联到一起由排针引出，最低位的进位输入由CN给出，最高位的进位输出接至进位锁存器中；ALU的两个工作暂存器TR1和TR2由两片74LS273构成，作为ALU的两个参与运算的数的暂存器，它们的打入时钟由门控信号C_TR1及C_TR2分别和T4脉冲相与得到，两暂存器的8位数据输入线已经接到了“总线单元”中的内部数据总线上；ALU的输出经过一个三态门（74LS245）接至该单元的数据输出排针AJ1上，三态门的输出使能控制信号B_ALU接至排针B_ALU上；由一片GAL16V8和一个D锁存器（74LS74）组成进位及移位控制电路，锁存器中锁存的为进位标志，有一个LED发光二极管指示其状态，亮为高电平，灭为低电平，锁存器的清零端已接至“开关组单元”中的总清开关CLR上；移位寄存器电路原理图如图2.3所示，移位寄存器由一片74LS299构成，它的输出使能由B_SR控制，状态控制信号S1、S0、M和ALU的对应的状态控制信号共用，CY为进位锁存器的输出，移位寄存器是在T4时刻发生装载或移位操作，移位寄存器的数据输入/输出端引至排针AJ5上，其移位控制电路功能表如表2.1所示。表2.1 移位控制电路功能表B_SRS1S0M功能000任意保持0010循环右移0011带进位循环右移0100循环左移0101带进位循环左移任意11任意装载图2.2 运算器原理图图2.3 移位寄存器原理图2寄存器堆单元寄存器堆单元电路原理图如图2.4所示。由三个寄存器R0、R1、R2组成，分别由三个带输出使能的寄存器74LS374来实现。三个寄存器的输入已经接到了“总线单元”的内部总线上，而三片的输出共同连接至排针RJ1引出，它们输出分别由各自的输出使能信号B_R0、B_R1、B_R2控制，低电平有效。它们的打入时钟信号由各自门控信号C_R0、C_R1、C_R2和T4脉冲相与得到。图2.4 寄存器堆单元电路原理图3存储器单元存储器单元电路原理图如图2.5所示。存储器部件由一片6116（2K8位）静态RAM芯片组成。电路中将其地址线的高三位接地，所以实际用到的地址为8位，共256个地址单元。4地址寄存器单元地址寄存器单元电路原理图如图2.6所示。地址寄存器由一片74LS273组成，它的数据输入已经接到“总线单元”的内部数据总线上，输出数据线引至“系统总线单元”中的地址总线上。地址寄存器的输出经一片74LS240反向后驱动8位的地址总线指示灯。地址寄存器的打入脉冲由门控信号C_AR和T3脉冲相与得到。图2.6 地址寄存器单元电路原理图5程序计数器单元程序计数器单元电路原理图如图2.7所示。程序计数器由两片4位的计数器74LS161构成，计数器的数据输入线已经接至“总线单元”的内部数据总线上，输出经过三台门（74LS245）引至排针PJ1上，输出使能信号由B_PC控制。计数器的打入时钟由门控信号C_PC和T4脉冲相与得到，LD为装载有效信号。程序计数器的清零端已经接至“开关组单元”中的总清开关CLR上。图2.7 程序计数器单元电路原理图6指令寄存器单元图2.8 指令寄存器单元电路原理图 指令寄存器电路原理图如图2.8所示。其在构成模型计算机时作为指令译码电路的输入，实现指令微程序入口地址及微程序的跳转控制。它由一片74LS273构成，数据输入已经接到了“总线单元”的内部数据线上，输出由排针IJ1引出。打入时钟由门控信号C_IR和T3脉冲相与得到。7时序发生器单元时序发生器单元根据信号源及启停电路产生模型计算机所需的节拍脉冲信号OT1、OT2、OT3、OT4，其电路原理图如图2.9所示。图2.9 时序发生器单元电路原理图它的基本原理是根据方波信号源经过消抖电路产生四个等间隔的时序信号0T1、0T2、0T3、0T4，并且受微动开关“START”和“连续/单步”开关的控制。当“连续/单步”开关置为“连续”时，按动微动开关“START”启动时序，则产生连续的时序信号OT1OT4；当“连续/单步”开关置为“单步”时，每按动一次微动开关“START”，则产生一组时序信号OT1OT4。另外，为提供单元实验时的各个时序信号，本单元还有一个独立的单脉冲产生及消抖电路KK2，每按动一下微动开关KK2，就产生一个稳定的单脉冲（包括一正一负），并通过排针形式引出。见图2.10所示。时序信号OT1OT4和信号源的关系图如图2.11所示。时序电路也受总清开关CLR的控制，当拨动CLR开关101时，会使时序发生器电路停止运行并OT1OT4输出全为0。图2.10 微动开关START及KK2图2.11 时序信号OT1OT4和信号源的关系图8信号源单元 信号源单元用来产生机器所需要的时钟信号，其电路原理图如图2.12所示。其电路由一个555震荡电路组成，SY端输出一个可调频率的方波信号，由可调电阻进行调节，信号的频率范围在50HZ300HZ之间。此电路用来给时序发生器产生信号源。图2.12 信号源电路原理图9微程序控制器单元本系统的微程序控制器单元主要由编程电路部分和核心微控器部分组成，其电路构成如图2.13所示。 控制存储器由4片EEPROM芯片28C16并联组成，具有可重复编程及掉电保护功能，每个28C16只使用A7A0地址，高三位A10、A9、A8被接地，它们的地址A7A0分别并到一起，每片的数据位为8位，所以，控存的容量为25632位。控存的数据线输出至微指令寄存器，微指令寄存器由3片锁存器74LS273和4片2D触发器74LS74组成，它们的时钟脉冲为T2脉冲信号。3片273输出24位微命令信号，可以部分信号译码译出更多位，4片74LS74构成8位的后续微地址，经过一个三态门74LS245又输出到控存的地址线上。这样在时序信号的控制下，可以连续的读出控存中的微代码去完成相应的微操作，从而解释每一条机器指令的执行。控存的32位数据端有32位微代码指示灯，8位微地址有8位的微地址指示灯。为了在本地状态下手动为控存编程及校验，本单元设置有一个编程开关及其控制电路，在该单元的右上脚。该编程开关有三种状态：编程、校验及运行。开关拨在“编程”状态下，即可以手动给控存写微代码。此时8位微地址寄存器的输出三态门关上，控存的地址由手动编程微地址锁存器74LS374给出，它的使能打开，时钟脉冲为T1脉冲信号。锁存器的输入可由8位数据开关给出；而32位的微代码由32位微代码输入开关给出，此时32位微代码经过的三态门打开，数据输入到控存的数据线上，这样用开关置上微代码和微地址后，启动时序，由产生的T1脉冲在其上升沿将微地址打入到手动微地址锁存器，在其高电平状态控存为写状态，会将32位微代码开关上置的数据写入到相应的微地址中。 开关拨在“校验”状态下，即手动读出某微地址中的微代码。同样此时8位微地址寄存器的输出三态门关上，控存的地址由手动编程微地址锁存器74LS374给出，它的使能打开，时钟脉冲为T1脉冲信号。锁存器的输入可由8位数据开关给出；而32位微代码输入开关的三态门关闭；启动时序，由产生T1脉冲在其上升沿将微地址打入到手动微地址锁存器，此图2.13 微程序控制器电路原理图时控存处于读状态，直接读出上述微地址中存储的微代码，并由32位微代码指示灯显示。当编程开关拨在“运行”状态下时，32位微代码输入开关的三态门关闭，手动微地址锁存器374的输出使能关闭，8位微地址寄存器的输出三态门打开，这样在时序的控制下可以连续的读出执行存储的微代码。8位后续微地址锁存器的强制端由地址转移逻辑控制，强制若干位为1，从而发生微程序的分支转移。详细电路见指令译码单元。控存的读/写及片选信号在联机时也可由单片机管理单元来控制，从而可以在上位机联机操作软件中对控存进行更直观便捷的读写操作。微指令寄存器及后续微地址寄存器的清零端都已经接至“开关组单元”的总清开关CLR上，当拨动CLR开关101，就可以使它们清零。10指令及寄存器译码单元 该单元实现指令译码及寄存器译码功能，即根据机器指令及相应的微代码进行译码使微程序转入相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行，以及三个工作寄存器R0、R1、R2的选通译码，分别由一片GAL20V8和GAL16V8来实现。其电路原理图如图2.14、图2.15所示。图2.14 指令译码逻辑 指令译码图中，电路对指令寄存器中的指令码的I7I4、I1、I0位进行逻辑译码，条件有测试字TW3、TW2、TW1、TW0、时序脉冲T4、进位标志FC、中断信号INT、单条指令执行完成标志ICF等，SWB、SWA为控制台状态信号，通过不同的指令及条件得出SE5SE0不同的状态，SE5SE0接到微程序控制器中微地址寄存器的强制端上，用来强制后续微地址的低6位，从而使微程序的地址产生分支转移。图2.15 寄存器译码逻辑 寄存器译码同样根据指令寄存器中的I3I0和微控器输出的源寄存器输出使能B_Rs、目的寄存器输出使能B_Rd及寄存器打入选择C_Ri信号，来产生寄存器R0、R1及R2的输出使能B_R0、B_R1、B_R2和门控信号C_R0、C_R1、C_R2。11中断控制单元中断控制单元电路原理图如图2.16所示。在该单元中，用一个寄存器（74LS374）用来存放中断向量，以提供中断子程序入口地址。由两个D触发器组成中断的请求、响应、允许及禁止。中断向量寄存器的打入门控信号为C_INT，和T4相与得到寄存器的时钟脉冲，输出使能信号为B_INT,低电平有效。右边有两个D触发器，一个为中断屏蔽触发器，它的数据输入端接高电平，时钟端由IA信号控制，用来开中断。另一个D触发器为中断请求锁存器，IREQ为外部中断源请求信号。当中断为开状态时，外部发出一个有效的中断请求信号（为上升沿触发），就会将一个“1”状态锁存进中断请求锁存器，由INT向CPU发出请求。当CPU响应中断后读取中断向量的同时会由B_INT发出低电平将中断屏蔽触发器和中断请求锁存器清零，进行自动关中断，防止在处理中断服务程序期间响应另一个中断请求。中断向量寄存器的输入已经接至“总线单元”的内部数据总线上，两D触发器的清零端为B_INT和总清开关CLR输出相与得到，即在拨动总清开关CLR为101后，也会使中断屏蔽寄存器和中断请求锁存器清零。图2.16 中断控制单元电路12堆栈指针单元堆栈指针单元电路原理图如图2.17所示，由两片4位加减计数器74LS169串-并组成。堆栈指针寄存器的数据输入线已经接至“总线单元”的内部数据总线上，输出经过三态门引至排针SPJ1上，输出使能由B_SP信号控制。U/D为计数器加减选择，为高电平时做加计数，图2.17 堆栈指针单元电路原理图低电平时做减计数。时钟脉冲为门控信号C_SP和T4脉冲相与得到，每到来一个有效的时钟脉冲，计数器做加1或减1操作。LD为预置装载使能控制信号，低电平有效，即当LD为低电平时，此时到来一个有效的时钟脉冲，即可将当前数据总线上的数打入到计数器中。13总线单元总线单元电路原理图如图2.18所示。由于CPU内部各个部件的数据输入总线已经连接到“总线单元”上的内部数据总线上，所以做实验时只需要将相应单元的输出数据线接到总线单元中的数据线排针即可，数据线排针的D7D0位横向是已经连接好的，它们经过一片74LS240驱动发光二极管用来指示总线上的数据。实验中各部件用到的时序信号均已接至总线单元对应的T1T4上，所以实验时可以将“时序发生器单元”输出的时序信号OT1OT4对应接至该单元的T1T4，或用单脉冲信号接至T1T4某位上，即可给用到该时序信号的实验单元供上时序信号。图2.18 总线单元电路原理图14系统总线单元系统总线用于CPU连接存储器及输入输出设备等，系统总线单元图如图2.19所示。其中，数据总线连接到了“总线单元”的内部数据总线上，地址总线连接到了“地址寄存器单元”的输出上，控制总线中的RD、WE、IO/M信号分别连接到“微程序控制器单元”中相应的输出信号上，IREQ信号连接到“中断控制单元”的相应输入信号端上。 图2.19 系统总线单元15输入设备单元输入设备单元电路原理图如图2.20所示。8位二进制拨动开关作为数据开关，有相应的8个发光二极管指示其电平状态，灯亮为高电平，灭为低电平。数据开关的输出经过一个三态门（74LS245）引至排针IPJ1上，三态门的输出使能为B_SW信号和RD信号进行逻辑或得到。 图2.20 输入设备单元电路原理图16输出设备单元 输出设备单元电路原理图如图2.21所示。由两片GAL16V8编程分别实现4位数据的锁存及数码管7段译码，驱动数码块显示。锁存器的时钟脉冲为CS信号和WR写信号进行逻辑或得到。图2.21 输出设备单元17外设译码单元 外设译码单元电路原理图如图2.22所示。此单元用来选通存储器或I/O设备的片选信号。MY0用来选择存储器的片选，IOY0、IOY1、IOY2及IOY3用来选择不同的I/O设备的片选有效，它们都为低电平有效。从图中可以看出，当IO/M为高电平时，MY0为低电平，存储器选择有效，而其他I/O设备的片选都为高电平，为无效状态；当IO/M为低电平时，存储器选择无效，而此时根据A1、A0的状态来选择哪个I/O片选有效，用了一片2：4译码器（74LS139）。而写信号WE只有在T3时刻是才会输出有效的低电平信号。图2.22 外设译码单元电路原理图18开关组单元 开关组单元为18个相对独立的二进制拨动开关，用来手动模拟一些二进制控制信号方便单独研究每个部件模块的功能。除最右边的CLR为总清开关，很多部件的清零端都已连接至此开关，其他开关可任意使用。开关电路原理图如图2.23所示。每个开关都有一个发光二极管指示其状态，灯亮为高电平，灭为低电平。图2.23 开关组单元电路原理图19显示单元此单元为调试方便设置了8个LED指示灯用来指示所连接端L7L0的电平状态。单元电路图如图2.24所示。L7L0排针经过一片74LS245驱动8位LED指示灯。图2.24 显示单元电路图20转接单元 该单元为实验接线时方便用于连接排线的转接，同时，留出电源线和地线的连线排针，可以用于给扩展板提供电源。如图2.25所示。所连排针的相应每位竖向是连接的。 图2.25转接单元21逻辑信号测量单元此单元位于“单片机管理单元”中，有4路逻辑信号测量输入插孔。当联机操作时，可以在PC屏幕上同时显示并测量此4路测量表笔所测量点的逻辑电平及其波形。该单元如图2.26所示。图2.26 测量单元第三章 TWL-PCC联机操作软件使用说明TWL-PCC联机操作软件是专为TWL-PCC计算机组成原理教学实验系统配套的上位机实时监控联机调试软件，该集成操作软件具有图形方式操作界面，操作简便，具有实验中各个部件及整机的动态调试功能，可以实时形象的反映出实验系统中各种数据的动态流动，其流向、数据值、控制信号状态及各部件单元中的内容。本软件是通过PC机串行通讯口和实验系统进行通讯，将命令发送给实验系统中的单片机管理单元，单片机采集各种信息后送上位机进行处理，从而可以使上位机软件具有对实验系统的程序存储器及微程序控制器进行读写，控制模型机单步微程序、单步机器指令、连续运行、设置断点等调试操作，对各个部件实验进行监控分析显示功能，同时，还有上传、下载文件，代码编辑器及逻辑示波器等功能。借助上位机软件的辅助功能，使得传统的实验操作变得简单明了、丰富多彩。一软件的安装1软件运行环境：适用于WINDOWS98/ME/2000/NT及WINDOWS XP等操作系统。 2显示分辨率：显示分辨率可以设置为1024768或800600，推荐为1024768。3在配套光盘中本软件的安装目录下找到SETUP.EXE双击，开始安装。4按照屏幕提示，选择安装盘符及路径，完成安装。安装完成后，在TWL-PCC安装目录下有TWL-PCC主程序、相关连接文件、帮助文件及一个SAMPLE目录，里边存放实验指导书中三个模型机的机器指令及微指令代码。二主要功能介绍1联机通信 启动TWL-PCC联机操作软件后，系统首先检测和下位机串口通讯是否正常，所以，在实验之前，应连接好串口通讯电缆，打开下位机实验系统的电源开关。进入软件后，软件按上次运行选择的串口号进行通讯检测，若仍通讯不成功，再在菜单【通信】-【串口】选择正确的串口。示意图如图3.1所示。图3.1 通信设置选择正确的串口号，进行【通信检测】系统提示是否联机成功。选择【系统设定】，弹出对话框，用来选择各种有通路图实验时的数据信号流动速度的快慢。如图3.2所示。图3.2 系统参数设置 选择【关闭端口】用来关闭通信的串行口。2视图本联机软件具从部件实验到模型机多个数据通路图及代码编辑器、示波器等视图，如图3.3所示。图3.3 视图菜单1）代码编辑器联机软件启动后，首先进入代码编辑器视图，如图3.4所示。 代码编辑器可以在联机或脱机状态下进行微指令及机器指令的编写，并保存成文件，在实验调试时可以直接装载所编辑保存的文件。从图中可以看出，代码编辑器被分成上下两部分，上部分为微代码编辑区，下部分为机器指令编辑区。它们的地址都为8位，共256个单元。编辑微代码时，在相应的地址单元中根据最顶一行提示的32位微代码所代表的控制信号，填上相应的二进制0或1状态，同时，在最后一列自动转化成十六进制代码显示，在没有填写的位会以0状态填充。同样，也可以图3.4 代码编辑器在十六进制代码列项中填上十六进制数，会同步转化为前边的二进制数据显示。在32位微代码表示符中，有三个字段译码A字段（A2、A1、A0）、B字段（B2、B1、B0）、C字段（C2、C1、C0），将鼠标放到这些字符上，可以提示出这些字段对应的译码控制信号。机器指令编辑区同样在相应的地址单元填写二进制或十六进制机器指令及数据。用鼠标右键单击微指令或机器指令的任意地址单元，可弹出三个选择项：对该地址单元中的内容“用1填充”、“用0填充”及“清空这一行”。在菜单【文件】中，有【新建】、【打开】、【保存】、【另存为】、【退出】等选项。选择【保存】或【另存为】会将编辑的代码保存成后缀为“.TWL”的文件，可以用于打开编辑或向下位机装载。2）模型机通路图 在【视图】中选择【模型机通路图】，就进入模型机通路图调试界面，如图3.5所示。图3.5 模型机通路图该调试界面主要分三个区域：图形动态调试区，指令区及输出区。图形动态调试区用做模型机实验的通路图显示、数据流动态传输、各个部件的控制信号状态及各个部件中的内容等。在实验实时调试时，通路图中的所有控制信号颜色为高亮（红色）显示时表示此信号此时为高电平；相反，为低亮（黑色）时表示为低电平。指令区包括机器指令窗口和微指令窗口，机器指令窗口用来实时显示下位机中的存储器中的指令和数据，而微指令窗口用来实时显示下位机中控存中的微代码。它们的地址单元数都为256条（00HFFH），地址和数据都为十六进制显示。微代码32位，所以微代码的数据内容为8个十六进制数，而机器指令为8位，所以机器指令数据为2个十六进制数。联机实验时，可以双击任意地址中的数据进行实时修改，在机器指令窗口中任意地址上单击鼠标右键可以设置/取消机器指令断点，以方便模型机调试。同时，在微指令窗口用箭头显示出当前正在执行微指令对应的地址（黄色箭头）和下条将要执行的微程序的地址（红色箭头），而在机器指令窗口，用黄色箭头显示当前正在执行的机器指令的地址。 输出区为微指令的32位详细微指令解释，鼠标放到A、B、C字段译码位上会提示相应的译码逻辑。地址单元共256条，可拉动窗口滑动块查看。做模型机实验调试运行时，每单步一条微指令，会将当前的微代码自动滑动显示到该窗口的第一行。在模型机通路图调试中，有单步微指令、单步机器指令、连续运行、停止运行、强制停止及设置/取消机器指令断点等操作，如图3.6所示。图3.6 调试菜单其中，【连续运行】时，点【停止运行】是正常停止机器指令运行，即在一条机器指令结束后才停止继续运行，而【强制停止】是不管单步机器指令还是连续运行，在点击【强制停止】后，会在当前的微指令处停止，而不管当前执行的机器指令是否执行完成。设置/取消机器指令断点先将鼠标选择需要设置断点的机器代码地址，然后选择【调试】【设置/取消机器指令断点】或直接点击其快捷按钮。在【转储菜单】中，有代码窗口刷新、装载代码及保存代码等操作。如图3.7所示。图3.7 转储菜单其中，【代码窗口刷新】的操作功能为将微指令窗口和机器指令窗口对应的下位机中控存和存储器的所有代码读出来进行窗口刷新。【装载代码】为将PC机中所保存的代码文件（包括微代码和机器代码，文件后缀名为*.TWL）装载到下位机对应地址单元的控存或存储器中。选择该命令会弹出一个打开文件对话框，如图3.7所示。打开文件窗口提示打开文件类型为*.TWL文件，这类文件为在“代码编辑器”编辑并保存的文件或选择【保存代码】功能保存的文件。图3.7 装载代码【保存代码】是将下位机中控存或存储器中的内容保存成*.TWL文件，以备下次可以直接装载或由“代码编辑器”打开编辑。选择该命令会弹出一个对话框，如图3.8所示。图3.8 保存代码 通过取消对勾可以选择只保存微指令或机器指令，默认的为都保存。可以自己定义保存的起始地址和结束地址，默认的为00H20H。点确定后，弹出另一个对话框，输入要保存成的文件名即开始保存，保存成一个.TWL文件。3）部件实验视图 如图3.3所示，点击【部件实验视图】会弹出扩展菜单，有6个部件实验通路图：运算器通路图、进位控制通路图、移位运算通路图、存储器通路图、总线通路图和微控器通路图。它们为做部件实验时对应的调试数据通路图。只要选择一个数据通路图，就可以进行实时显示调试对应的部件实验，可以选择菜单【调试】【停止运行】停止部件调试，停止后可以选择【进行部件调试】重新开始监控显示。各部件实验时下位机各相关信号状态发生变化，通路图中的对应信号会以不同的亮度表示其电平状态，高亮（红色）表示高电平，低亮（黑色）表示低电平。当有总线数据流动时，通路图也会有动态数据流流程显示。部件及总线的数据值也直接显示出来。在各部件数据通路图如下：图3.9 运算器数据通路图图3.10 进位控制数据通路图图3.11 移位运算数据通路图图3.12 存储器数据通路图图3.13 总线数据通路图图3.14 微控器通路图4）示波器视图 示波器视图如图3.15所示。在实验系统的“单片机管理单元”中有4个表笔插孔：OS3、OS2、OS1、OS0。可以同时测量4路逻辑信号。打开【视图】【示波器视图】后，点“启动”按钮，即可以同时显示此4路波形，同时可以进行波形的放大与缩小。当点击“暂停”图3.15 示波器视图按钮后，可以暂停示波器的信号采集，此时用鼠标拖动两竖向的标尺线，即可以在“时间”框中直接显示出两标尺线之间的时间长度。实验一 运算器组成实验一、实验目的1、学习数据信息的表示方法，熟练掌握几种四则运算方法。2、掌握运算器的工作原理及其组成结构，学习运算器的设计方法。3、熟悉简单运算的数据传送通路。4、验证运算器功能发生器(74LS181)的组合功能。5、按给定数据，完成几种指定的算术和逻辑运算。二、实验设备1、TWL-PCC计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。2、PC微机一台（选配）。三、实验原理运算器是数据的加工部件，是中央处理器的重要组成部件，也是学习计算机整机运行原理与设计能力最基础的一个环节。它是用二进制进行算术和逻辑运算的部件。最基本的结构是由算术逻辑部件（ALU）、若干数据寄存器、累加器和数据总线等逻辑构件组成。它的主要功能是进行加、减、乘、除等算术运算和其他的逻辑运算。本实验中所用的运算器数据通路图如图1.1所示。完成本实验需要“输入设备单元”给出不同的数据来使“运算器单元”进行运算。本通路图中运算器单元由算术逻辑运算单元（ALU）、两个字长的工作暂存器TR1和TR2及一个8位的输出三态门组成。其中ALU是由两片74LS181以并-串型构成的8位字长的算术逻辑运算单元。右方为低4位运算芯片，左方为高4位运算芯片。低位芯片的进位输出端CN+4与高位芯片的进位输入端CN相连，使并行的低4位运算产生的进位串行的送进并行高4位运算中。从而产生8位字长的运算结果。低位芯片的进位输入端CN可与外来进位相连，高位芯片的进位输出引至外部。两个芯片的控制端S3、S2、S1、S0、M相应的控制信号相互并到一起由排针引出至外部。74LS181的功能表见表1-1。参与运算的两数据暂存器TR1和TR2由锁存器74LS273来实现，要实现两个操作数的运算，必须先将两数据分别打入到暂存器TR1及TR2中，这两个暂存器TR1和TR2的打入时钟由C_TR1和C_TR2分别与T4脉冲相与得到。当C_TR1或C_TR2为高电平时，此时来一个T4脉冲，内总线上的数据即被打入到相应的暂存器中。运算器的运算结果数据输出经过一个三态门（74LS245）连接到内总线上，此三态门输图1.1 运算器数据通路图出由一个B_ALU控制信号控制，当B_ALU为低电平（0）时，运算器的运算结果输出至内总线上，而为高电平（1）时，则输出高阻态，不影响内总线上的其他数据。同时，“输入设备单元”的8位数据开关也经过一个三态门（74LS245）连接到内总线上，它用来给出参与运算的数据。该三态门的输出由B_SW和RD控制信号相或得出，当或的结果为低电平（0）时，数据开关所置的数据输出至内总线上，而当相或的结果为高电平（1）时，则输出高阻态。“数据总线”单元上的总线数据显示灯已与内总线相连，用来显示内总线上的数据。运表1.1 74LS181的逻辑功能表输入为A和B，输出为F，为正逻辑。S3 S2 S1 S0M=0(算术运算)M=1(逻辑运算)Cn=1(无进位)Cn=0(有进位)0 0 0 0F=AF=A加1F=A0 0 0 1F=A+BF=(A+B)加1F=A+B0 0 1 0F=A+BF=(A+B)加1F=AB0 0 1 1F=0减1F=0F=00 1 0 0F=A加ABF=A加AB加1F=AB0 1 0 1F=AB加(A+B)F=AB加(A+B)加1F=B0 1 1 0F=A减B减1F=A减BF=AB0 1 1 1F=AB减1F=ABF=AB1 0 0 0F=A加ABF=A加AB加1F=A+B1 0 0 1F=A加BF=A加B加1F=AB 1 0 1 0F=AB加(A+B)F=AB加(A+B)加1F=B 1 0 1 1F=AB减1F=ABF=AB1 1 0 0F=A加AF=A加A加1F=11 1 0 1F=A加(A+B)F=A加(A+B)加1F=A+B1 1 1 0F=A加(A+B)F=A加(A+B)加1F=A+B1 1 1 1F=A减1F=AF=A算器单元所须的T4脉冲信号连接至该单元的T4排针端。实验时，将“时序发生器单元”的微动开关KK2的输出KK2+连接到该单元的T4排针端，按动一下微动开关，即可获得一个单脉冲信号。此实验中的其他S3、S2、S1、S0、M、CN、C_TR1、C_TR2、B_ALU、B_SW、RD等都为电平信号，将他们连接到“开关组单元”中的二进制数据开关上来模拟不同的电平状态。“开关组单元”的SW1-SW17为相互独立的二进制数据开关，开关向上时为0，开关向下时为1，每个开关无固定用途，可根据实验具体情况选用，为方便实验，实验板丝印上将若干开关又重定义了一些控制信号的名称，以方便实验连线和查找。对于单总线数据通路，做实验时就要分时控制总线，即在一个时间不能有两个或两个以上的数据输出至总线上，这样会造成总线数据冲突。在此实验时，当向TR1或TR2工作暂存器打入数据时，数据开关三态门打开，这时应保证运算器输出三态门关闭；同样，当运算器输出结果至总线时也应保证数据输入三态门是在关闭状态。本TWL-PCC计算机组成原理实验系统中的所有LED指示灯均为亮时所示状态为高电平（1），灯不亮时所示其状态为低电平（0）。在做本实验时，结合本实验系统配套的上位机联机操作软件，将实验系统和PC微机用配套的串行电缆相连，打开实验系统电源，在软件中选择正确的串口并保证通讯成功后，选择【视图】【部件通路图】【算术逻辑运算】，即可实时观测该实验各个控制信号的状态、显示动态数据流及总线数据是否冲突等各种情况，以使实验效果更形象直观。四、实验步骤1、连接实验线路。参考实验连线图见图1.2。图中将用户需要连接的信号线用小圆圈标明（以后其它实验相同，不再说明）。仔细检查无误后，接通电源。图1.2 运算器组成实验接线图2、先置相关的控制信号为初始态，即使运算器和输入设备的输出都为高阻态（B_ALU=1、B_SW=1）,“输入设备单元”中的RD信号可以一直为低电平（RD=0）,暂存器TR1和TR2的门控信号都为低电平（C_TR1=0、C_TR2=0）。3、通过“输入设备单元”的数据开关向暂存器TR1中置数。 拨动8位数据开关形成一个8位二进制数。（如01100010）。 数据开关上的数据输出至总线（B_SW=0）,打开暂存器TR1的门控信号（C_TR1=1）。 按动微动开关KK2，产生一个T4脉冲，将数据开关上的数据（01100010）打入到TR1中。然后关掉暂存器TR1的门控信号（C_TR1=0）。4、通过“输入设备单元”的数据开关向暂存器TR2中置数。 拨动8位数据开关形成一个8位二进制数。（如10101101）。 数据开关上的数据输出至总线（B_SW=0）,打开暂存器TR2的门控信号（C_TR2=1）。 按动微动开关KK2，产生一个T4脉冲，将数据开关上的数据（10101101）打入到TR2中。然后关掉暂存器TR2的门控信号（C_TR2=0）。5、关掉数据开关的输出三态门（B_SW=1），打开运算器的数据输出三态门（B_ALU=0）,使运算器输出至总线上。此时，改变运算器的控制信号S3、S2、S1、S0、M及CN的状态，就可获得不同的运算结果。参照表1.1其逻辑功能表。如：先检验TR1和TR2中打入的数是否正确，可将S3、S2、S1、S0及M分别置为1、1、1、1、1时总线上显示的为TR1中的数；而置成1、0、1、0、1时则显示的为TR2中的数。五、实验要求1、做好实验预习，掌握运算器的数据传送通路和ALU的