计算机组成原理实验指导.doc

教学实验教学实验由两个验证性的教学实验和一项计算机整机系统设计、规模较大的工程项目组成。验证性实验要求在教学实验室进行，完成质量记入平时考核成绩。规模较大的工程项目可以在宿舍或实验室进行，自由安排，一个学期，最终经过教师验收并评定期末实验成绩。实验一、TEC-2000教学计算机的简单用法与运算器实验一实验目的1初步学会TEC-2000教学计算机的操作与使用方法，即通过监控命令完成一些简单的运行与使用教学计算机的知识，了解教学机整机系统提供了哪些具体功能。这些内容首先在教学计算机实际系统上粗略地运行一下，将来可以到通过软件模拟系统来进一步学习。2深入了解AM2901运算器器件的功能与具体用法, 器件之间的连接办法，运算器芯片之外的有关线路，总之应该深入理解运算器部件的组成、设计、控制与使用等诸项知识。3本次实验更多的是验证性的内容，例如补码加减法运算，逻辑数据运算，寄存器内容移位操作等，并理解这些内容是如何在运算器部件内完成的，如何控制着运算器部件来执行这些运算处理功能,提出把16位教学机的运算器改造成8位教学机运算器的方案。4初步观察教学计算机的实际（物理）组成，运算器在哪里，（微程序的、硬连线的）控制器在哪里，内存储器在哪里，串行接口在哪里，教学机上有哪一些开关、按键、指示灯，各自的用途是什么，都分布在什么位置，也包括教学机上用到哪一些集成电路器件等等，不会都看得很清楚，至少有个大体印象,为后续学习和大实验做一些初步的准备。二TEC-2000 教学计算机的操作与使用方法练习说明TEC-2000教学计算机的操作与使用方法，主要指通过由监控程序提供的监控命令控制教学计算机的运行功能。教学计算机处于正常运行状态时，它通过串行接口和PC机仿真终端相连接,通过常用的A、D等监控命令可以进行联机操作。这些监控命令，实现类似于PC机DOS系统下的Debug程序的功能，包括A、U、G、T、P、R、D、E共8条命令，其格式为一个英文字母（大小写随意）表示的命令名、一个空格（可有可无）跟命令参数，下面分别介绍。（1）单条汇编命令A格式：A adr 这里的 adr 表示此处的地址参数adr为任选项，由4位十六进制的数组成（下同），无此参数时，系统将取默认值。功能：完成单条指令的汇编操作，把产生出来的教学计算机的执行代码放入对应的内存单元中。命令名后的地址将是头一条汇编语句的执行码的内存单元地址。每条语句汇编完成之后，系统将相应修改地址值，以便正确处理下条汇编语句。在应该输入汇编语句位置不给出汇编语句而直接回车，则结束A命令的运行过程。（2）反汇编命令U格式：U adr功能：每次从指定的（或默认的）地址反汇编15条指令，并将结果显示在终端屏幕上。反汇编完成之后，已将该命令的默认地址修改好。接下来键入不带参数的U命令时，将接着从上一次反汇编的最后一条语句之后继续反汇编。（3）执行程序命令G格式：G adr功能：从指定的（或默认的）地址连续地运行一个用户程序。为了使程序执行后能返回监控程序，要求每个用户程序的最后一条指令一定为RET指令。（4）、（5）单指令执行程序命令T和P格式：T adr 或 P adr功能：从指定的（或PC中的当前地址）开始，单条指令方式执行用户程序。通常情况下，每按一次T或P将执行一条指令。它们的区别是，T总是执行单条指令，但执行P命令时，则把每一个CALL语句连同被调用的子程序一次执行完成。每次执行后均显示所有通用寄存器及状态寄存器的内容，并反汇编出下一条将要执行的指令。（6）显示/修改寄存器内容命令R格式：R 寄存器名 功能：不带参数时，是显示全部寄存器及状态寄存器的值，并反汇编当前PC所指的一条指令，其中状态的显示格式为：“F=8位二进制数”，其各位的值分别对应于C、Z、V、S，P1、P0、0、0的值。带参数时，如R R0表示要通过输入新值来修改相应寄存器R0的内容。（7）显示存储器内容命令D格式：D adr功能：从指定（或默认的）地址开始显示内存128个存储字的内容。连续的D命令，保证显示内容前后正确的连续关系，即每次执行D命令，会将默认的地址值加上128。（8）修改存储器内容命令E格式：E adr功能：从指定（或默认的）地址逐字节修改每个内存单元的内容，要求用户打入一个新的值，相应内存单元的内容将被修改。接下来若打入空格键，可以开始修改下一个字，如打入的是回车键，则会结束E命令的执行过程。使用上述8条命令，就可以完成所期望的操作。用A命令键入教学计算机的一段汇编源程序，主要是向累加器送入数据和执行运算。A 2000（回车） ；程序的起始地址选为16进制的2000（即内存RAM 2000:MVRDR0，AA ；区的起始地址），这里的数据均为16进制。2002:MVRDR1，552004:ADD R0，R12005:AND R0，R12006:RET ；程序的最后一个语句，必须为RET指令2007:（直接敲回车键，结束A命令的输入程序的操作过程）用G命令运行前面刚输入的程序。G 2000（回车）程序运行结束后，可以看到程序的运行结果，屏幕显示各寄存器的值，其中R0和R1的值均为55，说明程序运行正确。当然也可以用P或T命令，逐条地执行这段程序中的指令，每执行一条指令就停下来，以便查看每一条指令的运行结果。T 2000（回车）（结果从略，自己到实验中去看）T （回车）（结果从略，自己到实验中去看）继续打入T命令，直到程序结束（不能用P、T命令运行程序的最后那条指令RET）。可以用R命令显示和修改有关寄存器的值，例如：R 不带参数则显示所有通用寄存器的值，状态字的值，下一条待执行指令的内容；带寄存器名参数时，是修改寄存器内容，例如，R R3 命令，回车后首先显示R3的原有内容，打入新值则完成替换。可以用U命令对刚输入并运行过的程序进行反汇编。U 2000（回车）（结果从略，自己到实验中去看）可以用D命令看从内存2000单元开始的这片存储区域中的内容。D 2000（回车）（结果从略，自己到实验中去看）还可以用E命令向内存储器2100单元开始的一片存储区域键入一些数据，之后再用D命令查看。三脱机运算器实验说明脱机运算器实验，是指把运算器部件从教学计算机整机中脱离出来，此时，它的全部控制与操作均需通过两个12位的微型开关来完成，这就谈不上执行指令，只能通过开关、按键来控制教学机的运算器执行指定的运算功能，并通过指示灯观察运算结果。这一实验的大体步骤和实验内容是：1. 选择运算器要完成的多项运算功能，包括数据来源，运算功能，结果保存等；后面有以表格形式给出了一组操作教学计算机的运算器并检查运行结果的例子。2. 需要时，通过数据开关向运算器提供原始数据；3. 通过24位的微型开关向运算器提供为完成指定运算功能所需要的控制器信号；4. 通过查看指示灯或用电表量测，观察运算器的运行结果（包括计算结果和特征标志）四实验要求1. 实验之前认真准备，看清实验要求、执行步骤，准备好实验数据和预计结果等，可以在下面表格中修改、增加一些运算功能；2实验中认真操作，听从教师安排，按时开始和结束实验过程；实验中仔细分析遇到的问题并设法解决，做好实验过程与实验结果的记录工作；防止损坏设备；3实验之后认真写出实验报告，包括实验预习与数据准备情况，实验中遇到的问题和解决的办法及效果，实验操作过程与实验结果的分析整理等总结性的内容；4实验中尚未完全理解或解决的问题，实验的收获及心得体会，对实验安排的建议与意见等。运算I8-I0A口地址B口地址SCiSSH压STEP前压STEP后ALU输出CZVSALU输出CZVS1234h-R0011000111不用000000001234h随机1234h随机2345h-R1011000111不用000100002345h随机2345h随机R0+R1-R00110000010001000000003579h随机58BEh0000R0-R1-R0R1-R9R0/2-R0R9-Q本实验中SST = 001实验二、TEC-2000教学计算机控制器实验一实验目的1初步学会TEC-2000教学计算机的操作与使用方法，即通过监控命令完成一些简单的运行与使用教学计算机的知识，了解教学机整机系统提供了哪些具体功能。这些内容首先在教学计算机实际系统上粗略地运行一下，将来可以到通过软件模拟系统来进一步学习。2深入了解教学计算机微程序控制器的组成和设计技术，包括Am2910器件的功能与具体用法，教学计算机的总体组成和部件之间的连接办法，总之应该深入理解控制器部件的组成、设计、控制与使用等诸项知识。3本次实验更多的是验证性的内容，例如指令的执行步骤划分、每一步骤完成的操作功能（微操作），使用的控制信号及其状态等，控制器是如何控制整台计算机各功能部件来执行每一条指令的具体功能,以便有可能提出把16位教学机改造成8位教学机的整体方案。4初步观察教学计算机的实际（物理）组成，运算器在哪里，（微程序的、硬连线的）控制器在哪里，内存储器在哪里，串行接口在哪里，教学机上有哪一些开关、按键、指示灯，各自的用途是什么，都分布在什么位置，也包括教学机上用到哪一些集成电路器件等等，不会都看得完全清楚，至少有个比较明确的印象,为完成大实验做一些必要的准备。二教学机微程序控制器的教学实验内容及有关说明TEC-2000教学计算机的操作与使用方法，主要指通过由监控程序提供的监控命令控制教学计算机的运行功能。教学计算机处于正常运行状态时，它通过串行接口和PC机仿真终端相连接,通过常用的A、D等监控命令可以进行联机操作。这些监控命令，实现类似于PC机DOS系统下的Debug程序的功能，包括A、U、G、T、P、R、D、E共8条命令，其格式为一个英文字母（大小写随意）表示的命令名、一个空格（可有可无）跟命令参数。教学实验内容包括3项验证性的实验（即第1、2、4项，以看懂已经实现的设计内容为主要目的）和1项简单的设计与调试性的实验（即第3项，在原有基本指令的基础上扩展几条指令，初步体会设计与实现微程序的操作方法与过程）。1手拨指令运行过程的观察实验教学计算机正常运行时，总是从内存取得指令。从教学实验的角度，也可以使其从手拨开关得到指令，接下来分析并执行这条指令。这是通过教学机上的一个开关（HndIns/MemIns）来控制的，该开关拨向下方时是从内存取得指令（正常运行），拨向上方时从手拨开关读取指令（实验专用）。这后一种运行方式，主要用于方便地观察一条指令的执行步骤和每一步的操作功能及使用的控制信号的状态。此时应使教学机处于单步运行状态（最左一个功能开关拨向上方），在用手拨开关拨好指令内容之后，通过按RESET按键和启动按键，就可以在单步方式下反复地观察一条指令的执行步骤和每一步的操作功能以及使用的控制信号的状态。当需要看另外一条指令的运行过程时，再次从开关拨入新的指令即可。这里要特别强调，手拨指令的内容只有操作码部分起作用，低8位的操作数地址字段是不被使用的，因此，拨入指令内容时只拨入指令的操作码即可，不必拨入指令低8位的操作数地址字段的内容。2小程序单步运行的观察实验观察手拨指令的运行过程时不能检查指令运行结果的正确性，因为此时指令的操作数地址字段的内容不是由手拨开关给出的，带有随机性。为此，需要进一步改进，最简单的办法，是设计一个包含有要观察的指令的小程序，并使其运行于“死循环”方式。在正常运行的方式下，通过G命令使程序投入运行，随后把 连续/单步 功能开关拨为单步方式，接下来就可以通过按 启动按键 使这个程序的每一条指令单步运行，并通过指示灯观察控制信号的状态和每一步的运行结果。当然，如果愿意还可以随时把 连续/单步 功能开关拨为 连续 方式，接下来就可以通过按 启动按键 使这个程序进入正常的运行方式。也就是说，连续/单步 方式可以随时通过开关进行切换。3扩展指令的实验自己设计几条简单的扩展指令的微程序并添加到控制存储器中，调试正确并通过使用这几条扩展指令的小程序，检查设计结果的正确性，此项实验不必多做，为以后的综合实验打下一点基础就够了，在接下来的8位机设计与调试中会学到更多的知识与技术。4顺便看一下教学机组合逻辑（硬连线）控制器的运行过程把教学机的控制器选择开关（ComLog/MicroP）拨向上方，重新按RESET按键和启动按键，系统就进入组合逻辑控制器的运行方式，前面做过的全部实验都可以在这种方式下照样进行，几乎全部的内容都没什么变化，只是指令的执行步骤不再是通过微指令的地址来体现，而是改由“节拍发生器”的节拍状态来指示。三实验要求1. 实验之前认真准备，看清实验要求、初步安排好实验内容和操作步骤，准备好实验数据和预计结果等；2实验中认真操作，听从教师安排，按时开始和结束实验过程；实验中仔细分析遇到的问题并设法解决，做好实验过程与实验结果的记录工作；防止损坏设备；3实验之后认真写出实验报告，包括实验预习与数据准备情况，实验中遇到的问题和解决的办法及效果，实验操作过程与实验结果的分析整理等总结性的内容；4实验中尚未完全理解或解决的问题，实验的收获及心得体会，对实验安排的建议与意见等。实验三、TEC-2000教学计算机工程设计项目实验在TEC-2000的16位字长教学计算机的主板上，设计与实现一台全新指令系统、全新汇编程序、全新监控程序的8位字长的计算机系统是一种可行的选择，这是清华大学计算机系计算机组成原理课程教学改革的重要举措之一，这比完成扩展几条新指令的教学实验要难得多，具有更大的挑战性，但完成后的学习收获也更大得多。一.实验环境、设备与必要技术说明TEC-2000教学计算机系统，可以支持16位和8位两种字长，可以同时实现微程序控制器的方案和硬连线控制器的方案。这两种不同字长的计算机在硬件组成和软件实现方面都是完全不同的系统，甚至于都很难在它们之间考虑彼此的兼容性问题。由于8位字长的教学机硬件资源更为不足，实现8位字长的有一定的完备程度的指令系统就有明显的复杂性，为了使用一定容量（至少是10KB）的存储器系统，地址总线要求是16位，这又给设计8位字长的指令的执行步骤增加更多的工作量。8位机中更短的指令格式和更弱的操作运算功能，使得设计8位机的系统软件（例如监控程序）和应用软件变得更困难。从这个角度讲，如果能够在课堂上以16位教学计算机系统为例子，把计算机组成原理和教学机实现中的有关技术讲解清楚，要求学生在这个基础上，自己动手设计并实现8位字长的教学机，还是有相当的研究性工作可做，有较多的设计与实现、调试任务可供完成，力争达到学习一门课程和设计并实现一台硬软件组成比较完整的计算机的双重目标，为课程的教学模式改革、培养更具有创新思维能力的高素质人才做出贡献。从2002年起，清华大学计算机系在这门课程的教学中就是按照这一思路来安排的，取得了良好的教学效果。实现这种教学安排必须具备某些必要条件，就实验设备本身来看，要求他做到：1） 可以配置成8位字长，或16位字长的计算机；指令系统可以完全重新设计；2） 可以实现硬连线的控制器，也可以实现微程序的控制器；3） 内存储器也有多种不同的设计与运行方式；对中断实验的支持更到位；4） 有2路串行接口支持，可以连接计算机终端或PC机仿真终端；5） 配备了合理的软件系统：交叉汇编程序、监控程序和PC机仿真终端程序；6） 只使用一块印制电路板和220V交流电源，方便携带和在实验室之外使用；7） 支持学生在更大程度上完成并实现自己的设计。8） 还有适当的辅助设计与模拟软件支持，为提高实验效率和设计质量提供帮助。除此之外，要求教师对这两种字长的教学计算机硬软件系统非常熟悉，还可以找到参加实验辅导的高年级同学（他们是在一年之前经历这一个教学过程并且收获较大）。二.实验目的、内容和操作步骤教学实验的具体安排是，每3名同学一组，占用一台TEC-2000教学计算机，初始配置成16位字长、同时支持硬连线和微程序两种控制器的已正常运行的机型；每组同学合作完成一台硬、软件组成相对完整的全新的8位计算机系统的设计、实现和调试任务。包括设计8位机的运算器、存储器，重点实现微程序控制器，也实现硬连线控制器，如果需要和可能，实现8位机的软件系统的修改与完善。全部的基本任务具体包括：1） 通过教学来学习、理解16位的教学计算机硬件系统的总体组成；学习16位教学计算机各功能部件（运算器、控制器、内存储器、总线、接口）的组成与设计，熟悉TEC-2000教学计算机主板上元、器件布局和布线情况，在16位机上完成运算器部件、控制器部件的验证性的教学实验。2） 独立构思8位教学计算机各功能部件（运算器、控制器、内存储器、总线、接口）的组成线路逻辑图；3） 了解、学习8位教学计算机的监控程序的功能设计和软件实现；8位教学计算机的交叉汇编程序的功能和软件实现；8位教学计算机的PC