计算机组成原理各章经典

第一章Dais-CMH+系统概述

1.1系统简介

Dais-CMH+计算机组成原理教学实验系统是启东达爱思计算机有限公司沿用国际流行的

EPLD（CPLD）大规模可编程逻辑器件精心设计、研制的新一代适合于计算机组成原理教学的智

能型实验装置，系统采用内、外总线结构，按开放式的要求设计了各关联的单元实验电路，除进

一步规范了可组成的原理计算机结构外，也为开放式实验教学提供了充足的软硬件可设计空间，

在实验电路构造方面，系统提供了多种手段，可按部件层次组合方式逐次构造不同结构和复杂程

度的部件实验电路及模型计算机，可以通过多种“原理计算机”的设计和实现方法灵活全面地支

持“计算机组成原理”课程的实验教学，满足不同层次和不同教学环节的要求，是完全符合教学

规律及开放式实验教学方法的高档次实验设备。

Dais-CMH+创造了按键式操作环境，实验方式灵活多样。在系统监控程序的管理下向用

户提供“L”（单元手动）、“H”（单元自动）、“M”（模型机）三种工作方式；并配有Windows

&DOS双操作平台的动态跟踪调试软件包，具有极佳的示教效果。

1.2系统特点

1.开放式的实验电路结构

系统支持三种实验电路构造方式，即实验元件零连线方式、单元电路跨接方式和实验电路''软

连线”方式。对于实验元件零连线方式，可采用双头实验导线及4芯、8芯排线和8芯扁平线

从零开始在扩展区上逐•搭起一个实验电路；对于各单元电路，只需使用双头实验导线及8芯

扁平线作简单的跨接，就可构造出（即使是较复杂的）实验电路；同时，也可使用可编程逻辑器

件在线设计下载实验电路，实现实验电路“软接线”。

用户可以根据实验教学的需要，自由选择、灵活组态，单独使用一种方式或几种方式结合使

用，从而做到“搭接过的实验线路不再重搭”，彻底改变传统的实验教学模式，使教学双方可把

实验教学的重点放在实验设计、调试和分析上。由于采用箭头示意式跨接方式，缩短了硬件接线

时间，而不减少接线内容，因而获得极佳的实验效果。

2.按键式操作环境，实验方式灵活多样

系统提供4X8键盘，8位LED显示，向用户提供三种工作方式。

（一）单元手动实验一“L”

通过拨动开关及发光二极管以二进制数码形式进行手动单元实验。

（二）单元键盘实验——“H”

以键盘、LED显示作为操作平台，用十六进制数码形式进行按键式单元实验。

（三）模型机实验——“M”

通过键盘及LED显示可直接输入或装载用户模型机程序（机器程序和微控制程序），系统

具备单步一条微指令、单步一条机器指令、连续运行程序等常规调试命令，能动态跟踪数据流向、

捕捉各种控制信息、100%展现模型机现场，有无限止暂停等智能化调试途径，设置灵活、操作

方便、进一步优化了模型机的实验环境，使其组成原理一目了然。

3.配备Windows&DOS双操作平台的集成调试软件包

系统通过RS-232-C串行通讯接口与PC机联接，借助PC资源形成了强大的在线文挡与图

形的动态管理系统，支持机器代码和与其对应微控制程序的混合编辑，一次点击即可完成程序和

与其对应微程序的链接装载并自动弹出调试窗U,在视图栏中开辟了程序和与其对应微程序的调

试、模型机示意图、寄存器代码空间、微代码空间、逻辑示波器等跟踪显示窗口，供用户选择，

可动态显示数据流向、实时捕捉数据、地址、控制总线的各种信息，使调试过程极为生动形象。

4.选用RAM器件营造一个灵活可变的微程序控制空间

RAM是一种具刷新功能的静态存贮器，因此可根据实验需要随机装载不同类型的模型机控

制程序。

5.可重定义的运算器结构及微指令格式

系统中运算器结构、微控制器的指令格式均可由用户根据自身教学需要灵活设计、自行定义。

6.具2路逻辑测试通道

适用于实验中逻辑信号的观测，能够动态的跟踪实验现场，记录外部事件。

7.信号测试功能

适用于各种高、低电平信号及脉冲信号的测试。

8.可调式脉冲源

系统提供窄、宽脉冲两种时钟信号，配脉宽调节器，可根据实验需要调整当前脉冲宽度。

9.单脉冲

系统配有T1、T2、T3、T4四个单脉冲按钮，在单元实验时可结合时序手动加载单脉冲信

号，产生实验所需的时序信号。

10.时序启停

系统配有时序启停按钮，通过时序电路的启停了解运行时的时序电路过程。

11.锁紧式通用型扩展区（仅Dais-CMH*提供此单元）

在做扩展实验时可扩展40芯以内所有I/O接口芯片。

12.下载式PLD扩展区（仅Dais-CMH+提供此单元）

系统以扩展方式提供了PLD实验单元，在ispEX吒RT/Synario设计软件的支持下，可对

PLD器件进行在线编程和下载，完成芯片的功能设计，实现实验线路“软连线”方式。设计者

可以灵活定义芯片的内部逻辑与管脚，增强了实验设计的灵活性，提高了实验效率。

13.部件跟踪显示器

系统提供14组部件单元显示器，在实验中以十六进制方式静态跟踪显示每个部件的状态。

14.实验连线诊断软件

可检测实验连线的正确性，提示错误连接的区域和位置，为实验连接的排错提供了方便。

15.选用高性能开关电源

系统选用高性能开关电源，具过流、过压、短路保护、静电隔离等功能。

1.3系统构成

Dais-CMH+硬件内容如表1-1所示，系统硬件结构如图1-1所示：

表1-1Dais-CMH+硬件内容

电路名称主要电路内容

运算器、进位控制器、移位寄存器、寄存器堆、内部

运算器单元(ALUUNIT)

总线

计数器与地址寄存器单元

地址寄存器、程序地址计数器

(ADDRESSUNIT)

指令寄存器、指令择码器、微代码控制寄存器及其26

微控器单元

位二进制控制模拟开关、逻辑译码单元、时序电路、

(MICROCONTROLLERUNIT)

启停电路、单脉冲电路、脉冲源、中断控制

主存单元(MAINMEM)SRAM6116

输入设备、输出设备开关、显示灯、8位LED显示、16个数字键、16个命

(INPUTDEVICESOUTFTDEVICE)令键，每个部件都有双位显示器

逻辑信号测量单元2路逻辑信号PC示波器、信号测试

单片机控制单元(PCUNIT)控制单片机、MACH>R&232-C串口等

电源高性能开关电源、输出为+5V/3A

通用实验单元(扩展实验)*2个1040/28芯通用型锁紧式扩展插座

PLD单元(扩展实验)*2个PLCC扩展方插座

注:带“*”的项目为Dais-CMH*的扩展实验单元，而Dais-CMH则不提供此单元。

r

内总线外总线

移位运算器驰程序地址

寄存器V卜数器寄存器

%夕i1

/

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1!£

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担

审

物

微控信号输出

信号源

j

图1-1Dais-CMH+系统硬件结构

1.4系统主要实验项目

1.运算器组成实验⑴算术逻辑运算实验；⑵进位控制实验；⑶移位运算实验

2.移位寄存器实验

3,堆栈寄存器实验

4.寄存器判零实验

5.缓冲输入/锁存输出实验

6.存储器和总线实验

7.微程序控制单元实验

8.指令部件模块实验

9.时序与启停实验

10.基本模型机设计与实现

11.带移位运算的模型机的设计与实现

12.复杂模型机实验

13.中断源在模型机中的设计与实现

14.可重构原理计算机组成实验⑴运算器部件实验；⑵指令译码实验

15.扩展8255并行口实验

16.PLD应用实验

1.5与众不同的独特之处

1.操作

剔除了烦琐的状态选择开关，用软件设定法创造了一个按键式操作系统，为实验者提供了一

个智能型的实验环境。

2.连线

采用箭头式提示连接法，引导学生正确连接构成计算机组成原理所必需的关联性电路，加快

了连线速度，提高了实验效率，避免了实验连线过程中的盲目与误连。

3.指令构造

支持计算机组成必不可少的中断、调用、返回等操作，涉及的指令如下：

助记符注释

CALLXXH；调用

RET;返回

EI；开中断

DI；关中断

DJNZRO,addr;RO减1,不为零转向addr

CJNER0,#data,addr;比较指令，RO与立即数data比较，不相等转addr

4.带部件跟踪显示

系统对计算机组成的每一个部件单元都配有静态显示器，以十六进制方式跟踪显示实验过程

中的部件状态，进一步优化了模型机的实验环境，使其组成原理一目了然，获得极性的实验效果。

5.锁紧式扩展单元

系统以锁紧式通用插座扩展实验区，适用于双列直插式40脚以内的接口芯片的实验扩展，

并且选用镀金孔和排针两种跨接方式供学生有选择地进行外部扩展连接，大大提高了实验连接的

可靠性，为扩展实验的稳定运行奠定了基础。

第二章Dais-CMH+系统的配置与安装

2.1系统配置

Dais-CMH+出厂配置如表2-1所示:

表2-1Dais-CMH+系统主要硬件配置

项目内容数量项目内容数量

运算器74LS1812TP801键盘32

键盘显示

移位器74LS2991LT547显示8

指令存贮器6116174LS2451

输入设备

累加器74LS2731数据开关8

辅助寄存器74LS273174LS2731

输出设备

通用寄存器74LS3744发光二极管8

指令寄存器74LS2731逻辑控制开关二进制开关26

程序计数器74LS1632状态显示灯发光二极管26

微程序控制存储器61164逻辑控制器件GAL16V8/20V832

74LS2732并行接口82551

微指令寄存器

74LS1751单片机89C521

微地址寄存器74LS743系统控制器MACH1281

74LS1751RS232C1

串行通信接口

时序发生器74LS7419芯插座1

74LS201通信电缆9芯RS232-C1

74LS002配套光盘集成实验环境1

时序启停单元

启/停按钮2电源+5V输出1

74LS002部件显示器LC4021(双位)14

单次脉冲

74LS32174LS1231

信号测试

74LS3931LM3191

脉冲信号源74LS1231IC锁紧式插座2

扩展单元*

NE5551PLCC方插座2

注:带“*”的项目为Dais-CMH+的扩展实验单元，而Dais-CMH则不提供此单元。

2.2系统联机

(1)用随机提供的RS-232-C通信电缆将PC微机的串行口与Dais-CMH+实验系统的串行

口连接起来，如图2-1所示。

图2-1Dais-CMH+系统与PC微机联机示意图

(2)Dais-CMH+系统联机操作软件的安装及使用请参阅本手册第五章。

2.3关于Dais-CMH的说明

Dais-CMH是Dais-CMH+的基础型产品，它拥有与CMH，完全一致的操作环境，在部件

组成、指令构造、实验途径、测试手段、示教方法及软硬件可设计方面与CMH+完全兼容，但

它省缺PLD与I/O两个扩展单元，可拓展性略欠一筹，对于本实验指导书的第七章实验十四至

实验卜六所列举的项目与内容无法实现。

第三章Dais-CMH+系统硬件环境

3.1系统实验单元电路

1.运算器单元(ALUUNIT)

运算单元”由以下部分构成：两片74LS181构成了并/串型8位ALU：两个8位寄

存器DR1和DR2作为暂存工作寄存器，保存参数或中间运算结果;ALU的输出由三态74LS245

通过8芯扁平线连接到数据总线上，一片8位的移位寄存器74LS299通过8芯扁平线连接到

数据总线上，由GAL和74LS74锁存器组成进位标志控制电路和判零标志控制电路、进位标志

和判零标志指示灯。其电路构成如图3-1(a,b,c)所示，图中虚线框内的线已在线路板上连好，

虚线框为双排8芯总线输入/输出接口，在实验平台的丝印层标有数据流向。

,181运算器进位位

AND

[202

74LS74

D1人QI

CY

ZQ

T4

AMR

2.寄存器组单元(REGUNIT)

“⑥寄存器组”由3片8位字长的74LS374组成RO、R1、R2寄存器，用来保存操作

数及中间运算结果等。3个寄存器的输入/输出接口通过2双排8芯接口与BUS总线连接。如

图3・2所示。

1

qR0-B

■dRl-B

Q7...Q0

D?...D0

3.程序计数器单元(PC)

程序指针”由2片74LS163构成，作为8位PC程序计数器数据通路用一8芯扁平

接口与BUS总线相连，如图3-3所示。

I------------------------------------------------------------------------------------------1

数据总线「

一

--—

@r

＜三态门(245)

—

二J……[

—

进

—

制U

—

开

—

关

—Q?...Q4

单

—PC(163)

元LD7...D4

一J

--

4.地址寄存器单元(ADDRESSUNIT)

地址总线”由地址锁存器(74LS273)给出，该锁存器的输入/输出通过8芯扁平线分

别连至数据总线接口和存储器地址接口。地址显示单元显示ADCHAD7的内容。其电路原理如

图3-4所不。_______

III数据总线r

I@

.

二

进

制

AR(273)开

关

单

元

III数抿总线.

图3-4地址寄存器单元

5.指令寄存器单元(INSUNIT)

,1@指令寄存器”由1片74LS273构成，其8位输入端与BUS总线之间实验装置已作

连接，其输出端用一8芯扁平线与微地址单元SE5-SEO接口连接。其电路构成如图3-5所示。

SES…SE0

T2T4

।------1-----------------------

数据总线

图3-5指令寄存器单元电路

6.时序启停单元(STATEUNIT)

时序启停”单元由1/2片74LS74、1片74LS175及6个二输入与门、2个二输入

与非门和3个反向器构成。可产生4个等间隔的时序节拍信号T1-T4,其中“时钟”信号由

脉冲源”提供。为了便于控制程序的运行，时序电路发生器也设置了一个启停控制触发器CR,

1

使T1~T4信号输出可控。图3-6(a)中启停电路由/2片74LS74、74LS00及1个二输入与

门构成。“运行方式”和“停机”控制位分别由管理CPU(89C52)的两个PI/O口控制。

T4T1T2T3

图3-6(a)时序启停单元电路

下面我们详细介绍其中各部分电路：

⑴单周期脉冲

在实验中【单步】命令键用来产生单周期四拍制脉冲信号；“启动”由管理CPU产生，用

89C52的PI/O口发出时序电路的启停信号。

(2)时序控制电路

“单步”、“停机”及“启动”信号分别由管理CPU根据用户键入的操作命令来设定与启

动。当用户按【运行】命令键时，管理CPU令“运行方式"为"0",并发出“启动”信号，运

行触发器Cr一直处于"r状态，因而时序信号T1~T4将周而复始的发送出去。若用户按【单步】

命令键时，管理CPU令“运行方式"为"1",然后发出“启动”信号，机器处于单步运行状态，

即此时只发送一个CPU周期的时序信号就停机。利用单步方式，每次只产生一条微指令，因而

可以观察微指令的代码与当前微指令的执行结果。另外，当模型机连续运行时，如果用户键入【宏

单】暂停命令键，管理CPU置“停机"为"1"也会使机器停机。

该电路采用一片74LS175、4D触发器组成移位发生器，经译码逻辑产生等间隔的时序信号

T1、T2、T3、T4。键入启停控制命令，运行触发器Cr控制，产生受控的全机工作所需的节拍

脉冲信号T1-T4O

⑶■调式脉冲源

“电脉冲源”提供窄脉冲、宽脉冲2种时钟信号，由W1、W2电位器分别调节其脉冲宽

度。该脉冲信号为时序信号的时钟输入源。如图3-6(b)。

0W10W2

|一。源

图3-6(b)脉冲源

7.微控器电路单元(MlCRO-CONTROLLERUNIT)

本系统的微控器单元主要由编程部分和核心微控器部分组成，其电路构成如图3-7所示。

编程部分是系统在“M”或"H”状态下通过键盘与LED显示来完成将预先定义好的、与机

器指令相对应的微代码程序写入到6116控制存贮器中，操作方法参阅本指导书第四章。

核心微控器主要完成接收机器指令译码器送来的代码，使控制转向相应机器指令对应的首条

微代码程序，对该条机器指令的功能进行解释或执行的过程。更具体讲，就是通过接收CPU指

令译码器发来的信号，找到本条机器指令对应的首条微代码的微地址入口，再通过由CLK引入

的时序节拍脉冲的控制，逐条读出微代码。实验箱上微控器单元中的26位指示灯(M25~M0)

显示的状态即为读出的微指令。然后，其中几位再经过译码，-并产生实验箱所需的相应控制信

号，将它们加到数据通路中相应的控制位，可对该条机器指令的功能进行解释和执行.指令解释

到最后，再继续接收下一条微代码对应的微地址入口，这样周而复始，即可实现机器指令程序的

运行。

核心微控器同样是根据26位显示灯所显示的相应控制位，再经部分译码产生的电平信号来

实现机器指令程序顺序、分支、循环运行的，所以有效地定义32位微代码对系统的设计至关重

要。

在图3-7所示的微控制单元电路中：

⑴微地址显示灯显示的是后续微地址，而26位显示灯显示的是当前微单元的二进制控制

位。

(2)微控制代码输出锁存器273(0-2)、175及后续微地址输出锁存器M7~M2(74LS74)。

(3)CKO、CK1、CK2、CK3为微控制器微代码锁存输出控制位。

(4)T2为后续微地址输出锁存控制位，在模型机运行状态有效。

(5)微控制程序存贮器(6116)片选端CSO、CS1、CS2、CS3受控于管理CPU(89C52)。

(6)微控制程序存贮器(6116)读、写端OE、WE均受控于管理CPU(89C52)。

⑺SE5~SE0是指令译码的输入端，通过译码器确定相应机器指令的微代码入口地址。

(8)4片245在CPU管理下产生装载微代码程序所需的四路8位数据总线及低5位地址线。

(9)管理CPU(89C52)及大规模可编程逻辑器件MACH128N是系统的指挥与控制中心。

SEB...SE0

图3-8(a)基本模型机指令译码电路图3-8(b)带移位运算模型机及复杂模型机指令译码电

路

9.主存储器单元(MAINMEM)

“葩内存”单元用于存储实验中的机器指令，其电路原理如图3-9所示。

D7,・・D0

|-------------1力二-------------I

------------------------6A10

D7...D0068

I1aa

CEr<r

SRAM〈6116〉

U/RfU/ROE

◎7.・,A0

A7...A0

图3-9主存储器单元

10.输入设备单元(INPUTDEVICE)

“⑥缓冲输入”单元以8个拨动开关作为输入设备，其电路原理如图3-10所示。

r一

@

1

1二

1进

-制

-开

-关

-单

元

-一

ICE)

DEV

PUT

OUT

单元(

设备

输出

11.

如

值，

示其

管显

二极

发光

由8位

器后

锁存

进入

数据

输出

设，

出外

为输

单元

出”

存输

“④锁

示。

11所

图3・

--1

------------

------------

------------

------------

------------

i----------

总线

1数据