2014版计算机组成原理实验讲义-实验一

1、计算机组成原理实验讲义第一部分 实验基本要求一. 概述计算机组成原理是一门理论性、实践性很强的课程。为了帮助学生掌握其基本理论和基本概念，学生必须通过一定数量的实验环节来验证、巩固并加深自己对所学理论知识内容的理解。本实验指导书共设置了六个基本实验和两个选修实验，学生根据教学大纲要求完成规定的必修实验，并尽可能地通过选修实验以及课程设计等加深对计算机组成结构的逻辑特性的理解，加深对运算器、控制器工作原理的理解，加深对计算机指令、寻址方式的设计原理、执行过程的理解。从而提高学生对计算机组成原理、工作原理的认识程度，同时，在硬件开发环境的使用方面也将得到进一步的训练。本实验指导书适用于本科计算机科

2、学与技术专业或相关专业。二. 实验环境计算机组成原理实验所需的硬件环境是微型计算机和专用的TEC-XP实验系统平台。同时，学生应具备数字逻辑电路、汇编语言程序设计等课程的相关知识。.三. 实验要求1. 实验注意事项 禁止插拔总线。 禁止带电插拔，电源接通时，严禁进行任何联机操作。 机器发生故障时应及时报告，不要擅做处理。 不要随意修改计算机设置及参数。2. 实验一般步骤 编辑汇编语言源程序、汇编生成可执行文件。 关闭实验台电源。 连接线路。 打开实验箱电源，运行程序，观察实验结果。 需要调整联机时，需在断电情况下进行。3. 实验预习 学生在实验前必须仔细阅读实验指导书，查阅有关数据，复习相关基

3、础理论，在此基础上写出实验预习报告。实验预习报告作为正式实验报告的一部分。 实验预习报告的内容包括： 实验内容的熟悉。 实验目的的明确。 画出实验相关的线路图或时序图或流程图。 初步计算实验数据。 编制实验应用程序。4. 进行实验 学生在进行实验前，教师需检查预习报告，学生应能回答实验指导教师有关实验内容的提问。若发现学生预习不充分或没有预习时，教师应提出批评，或令学生完成实验预习后再进行实验。 学生在进行实验时，必须遵守实验室规定和操作规则，服从指导教师或实验室工作人员的指导。 学生在实验过程中，准备好电路联机后，应仔细检查方可接通电源进行实验。实验结束后，学生应将原始记录交指导教师查阅签字

4、后才能拆除电路。 实验结束后，学生应切断一切电源，将实验设备归位，整理导线，清理实验桌面。5. 实验报告实验报告是实验完成的总结，是实验成果的书面报告，编写实验报告也是培养科学研究能力的内容之一。具体要求如下： 编写实验报告要有实事求是的态度和一丝不苟的科学作风。 实验报告应包括以下内容：实验名称、目的、任务、有关的电路连接图或时序图、流程图、自编的实验程序、实验数据、实验结果或结论、实验体会等。在结论部分要求写出简要说明并从理论上解释实验结果。如果实验结果与理论分析存在差别时应说明其原因。 实验报告中的电路连接图、时序图等要求细致整洁，并注明相关的参数。第二部分 基本实验实验1 TEC-XP

5、教学实验系统基础操作与基础汇编语言程序设计实验目的：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学习简单的TEC-XP教学实验系统汇编程序设计；实验内容：1学习联机使用TEC-XP教学实验系统和仿真终端软件PCEC.2使用监控程序的R 命令显示/修改寄存器内容、D 命令显示存储器内容、E 命令修改存储器内容；3使用A 命令写一小段汇编程序，U 命令反汇编刚输入的程序，用G 命令连续运行该程序，用T、P 命令单步运行并观察程序单步执行情况；实验步骤在使用该教学机之前，应先熟悉教学机的各个组成部分，及其使用方法。一实验具体操作步骤：1 准备

6、一台串口工作良好的PC 机；2 将TEC-XP放在实验台上，打开实验箱的盖子，确定电源处于断开状态；3 将黑色的电源线一端接220V 交流电源，另一端插在TEC-XP实验箱的电源插座里；4 取出通讯线，将通讯线的9 芯插头接在TEC-XP实验箱上的串口“COM1”或“COM2”上，另一端接到PC 机的串口上；5 将TEC-XP实验系统左下方的六个黑色的控制机器运行状态的开关置于正确的位置，在这个实验中开关应置为001100（连续、内存读指令、组合逻辑、联机、16 位、MACH），控制开关的功能在开关上、下方有标识；开关拨向上方表示“1”，拨向下方表示“0”，“X”表示任意，其它实验相同；6 打

7、开电源，船形开关和5V 电源指示灯亮。7 在PC 机上运行PCEC16.EXE 文件，根据连接的PC 机的串口设置所用PC 机的串口为“1”或“2”, 其它的设置一般不用改动,直接回车即可。8 按一下“RESET”按键,再按一下“START”按键，主机上显示：TEC-2000 CRT MONITORVersion 1.0 April 2001Computer Architectur Lab.， Tsinghua UniversityProgrammed by He Jia9. 此时表明TEC-XP机器联机通讯正常，可使用监控命令执行相应的操作。二、实验注意事项：1. 连接电源线和通讯线前TEC

8、-XP实验系统的电源开关一定要处于断开状态，否则可能会对TEC-XP实验系统上的芯片和PC 机的串口造成损害；2. 六个黑色控制开关的功能示意图如下：3.几种常用的工作方式（开关拨到上方表示为1，拨到下方为0；）工作方式6个开关位置设定连续运行程序、组合逻辑控制器、联机、16位机、MACH001100连续运行程序、微程序控制器、联机、16位机、MACH000100单步、手动置指令、组台逻辑控制器、联机、16位机、MACH111100单步、手动置指令、微程序控制器、联机、16位机、MACH11010016位机、脱机运算器实验、MACH1XX000连续运行程序、联机、16位机、FPGA00X101

9、三实验要求：1 用R 命令查看寄存器内容或修改寄存器的内容，要求记录所有寄存器的内容并将寄存器R0的内容改为0036。2用D 命令显示存储器内容，要求记录第一行存储内容。3. 用E 命令修改存储器内容，将20002005地址单元内容改为0000 1111 2222 3333 4444 5555，并用D命令查看。注意：用E 命令连续修改内存单元的值时，每修改完一个，按一下空格键，系统会自动给出下一个内存单元的值，等待修改；按回车键则退出E 命令。4. 用A 命令键入一段汇编源程序，主要是向累加器送入数据和进行运算，执行程序并观察运行结果。1）在命令行提示符状态下输入：A 2000 ；表示该程序从

10、2000H（内存RAM 区的起始地址）地址开始屏幕将显示：2000：输入如下形式的程序：2000: MVRD R0，AAAA ；MVRD 与R0 之间有且只有一个空格，其他指令相同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:（直接敲回车键，结束A 命令输入程序的操作过程）若输入有误，系统会给出提示并显示出错地址，用户只需在该地址重新输入正确的指令即可。2）用U 命令反汇编刚输入的程序在命令行提示符状态下输入：U 2000在相应的地址会得到输入的指令及其操作码注：连续使用不带

11、参数的U 命令时，将从上一次反汇编的最后一条语句之后接着继续反汇编。3） 用G 命令运行前面键入的源程序G 2000程序运行结束后，并查看程序的运行结果，屏幕显示各寄存器的值，记录R0 和R1 的值，并分析说明程序功能及运行是否正确。4） 用P 或T 命令，单步执行这段程序，观察并记录指令执行结果。5根据以下要求，编写汇编程序, 用“A”命令输入,运行并观察记录结果1）设计一个小程序, 用次数控制在终端屏幕上输出0到9十个数字符；另外，编写一个程序，输出A到Z这26个字符。在此基础上，同时输出0到9十个数字符及A到Z这26个字符完成程序并记录结果。 提示：在屏幕上输出字符MVRD R0,003

12、0 ；“0”字符的ASCII 码送寄存器R0OUT 80 ；输出保存在R0 低位字节的字符 测试字符输出是否完成L:IN 81 ；查询接口状态，判字符串行输出完成否,SHR R0 ；JRNC L ；未完成, 则循环等待思考题: 若把IN 81, SHR R0, JRNC 2028 三个语句换成4 个MVRR R0，R0 语句,该程序执行过程会出现什么现象? 试分析并实际执行一次。2）计算1 到10 的累加和，编程并运行记录结果。计算1到同学学号后三位对应数字（例如学号为20111103，则取103）的累加和，编程并运行记录结果。3）选作题：设计一个有读写内存和子程序调用指令的程序, 功能是读出

13、内存中的字符，将其显示到显示器的屏幕上，若是英文字母，则转换为大写字母后再写回存储器原存储区域。上述例子, 都是用监控程序的A 命令完成输入源汇编程序的。在涉及到汇编语句标号的地方,不能用符号表示, 只能在指令中使用绝对地址。使用内存中的数据, 也由程序员给出数据在内存中的绝对地址。显而易见, 对这样的极短小程序矛盾并不突出, 但很容易想到，对很大的程序, 一定会有较大的困难。在用A 命令输入汇编源语句的过程中, 有一定用机经验的人, 常常抱怨A 命令中未提供适当的编辑功能, 这并不是设计者的疏漏, 因为我们并不准备在这种操作方式下支持设计较长的程序, 这种工作应转到提供了交叉汇编程序的PC

14、机上去完成。相反的情况是, 输入上述一些小程序, 用监控程序的A 命令完成, 往往比用交叉汇编完成更简捷。附录1 TEX-XP+的监控命令1. R命令功能：查看寄存器内容或修改寄存器的内容。格式l：R 显示R0-R15寄存器的内容格式2：R Ri 现实并提示修改指定寄存器的内容。2. D命令功能：显示存储器连续128单元内容。格式：D 地址 从当前地址/指定地址显示连续128个字的内容。3. E命令功能：显示并修改指定存储器单元内容。格式：E 地址 显示并修改指定地址存储单元的内容。注意：在用E命令显示/修改存储单元内容时，每修改完一个存储单元内容，按空格键自动给出下一存储单元内容并等待修改，

15、若按回车键则退出E命令。4. A命令功能：提示用户从指定存储器单元输入一段TH-Union汇编源程序。格式：A 地址 从当前地址/指定地址开始汇编。例：A 2000 表示该程序从2000H(内存RAM区的起始地址)开始屏幕将显示：2000： 等待用户输入TH-Union汇编指令输入如下形式的程序：2000：MVRD RO,AAAA ；MVRD与R0之间有且只有一个空格，其他指令相同。2002：MVRD R1,55552004：ADD RO,Rl2005：AND R0,R12005：RET ；程序的最后一个语句必须为RET指令2007： ；直接按回车，结束A命令输入程序的操作过程若输入指令有误，

16、系统会给出提示并显示出错地址，用户只需在该地址重新输入正确的指令即可。5. U命令功能：反汇编刚输入的程序。格式：U 地址 从当前地址/指定地址开始反汇编。例：在命令行提示符状态下输入 U 2000 从2000H(内存RAM区的起始地址)开始反汇编屏幕显示相应地址、输入指令及其操作码。注：连续使用不带参数的U命令时，将从上一次反汇编的虽后一条语句之后接着继续 反汇编。6. G命令功能：运行前面键入的源程序。格式：G 地址 从当前地址/指定地址连续运行程序。7. P或T命令功能：单步执行指令，观察指令执行结果格式：P/T地址 从当前地址/指定地址单步执行指令。例：对于以上A命令输入的汇编程序，在

17、命令行提示符状态下输入： T 2000 寄存器R0被赋值为AAAAH T 寄存器Rl被赋值为5555H T 执行加法运算，和放在R0，R0的值变为FFFFH T 执行“与”运算，结果放在R0，R0的值变为5555H 注：用P命令执行过程同上。但区别是：T总是执行单条指令，而执行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。T、P命令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。附录2 TEC-XP+的指令汇总表表2-1 实验系统的基本指令汇总表指令格式汇编语句操作数CZVS类型功能说明00000000 DRSR00000001 DRSR00

18、000010 DRSR00000011 DRSR00000100 DRSR00000101 DRSR00000110 DRSR00000111 DRSR00001000 DR000000001001 DR000000001010 DR000000001011 DR000001000001 OFFSET01000100 OFFSET01000101 OFFSET01000110 OFFSET01000111 OFFSETADD DR,SRSUB DR,SRAND DR,SRCMP DR,SRXOR DR,SRTEST DR,SROR DR,SRMVRR DR,SRDEC DRINC DRSHL

19、DRSHR DRJR ADRJRC ADRJRNC ADRJRZ ADRJRNZ ADR22222222111111111*.*.*.*.*.*.*.*.*.A组指令DRDR+SRDRDR-SRDRDR and SRDR-SRDRDR xor SRDR and SRDRDR or SRDRSRDRDR-1DRDR+1逻辑左移逻辑右移无条件转至ADRC=1时转至ADRC=0时转至ADRZ=1时转至ADRZ=0时转至ADR10000000 00000000ADR(16位)10000001 DRSR10000010 I/O PORT10000011 DRSR10000100 000000001000

20、0101 0000SR10000110 I/O PORT10000111 DR000010001000 DR000010001100 0000000010001111 00000000JMPA ADRLDRR DR,SRIN I/O PORTSTRR DR,SRPSHFPUSH SROUT I/O PORTPOP DRMVRD DR,DATAPOPFRET1212011120 0.B组指令无条件转至ADRDRSRR0I/O PORTDRSRFLAG入栈SR入栈I/O PORTR0DR出栈DRDATAFLAG出栈子程序返回11001110 00000000CALL ADR1.D组调用ADR处子程序注1：表中CZVS一列，*表示该指令执行后相应标志改变；.表示指令执行不影响该标志。注2：在DR、SR所指示的16个通用寄存器R0-R15中，R5用作16位堆栈指针PC，R4用作16位的程序计数器S