电子科技大学中山学院计算机组成原理实验1系统认识实验

实验一系统认识实验1.实验目的建立对计算机组成及其原理的基本认识熟悉实验箱的构成；(3)熟悉联机软件CMA的使用。2.实验设备TD-CMA教学实验系统一套，PC机一台。3.实验原理计算机系统的基本组成一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两部分组成的，二者是一个有机的整体，必须协同工作才能发挥计算机的作用。数字计算机的组成一台典型的数字计算机是由五大部分组成的，即运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备。其基本硬件结构图如图1-1所示。图1-1数字计算机的基本硬件结构图运算器：是用来进行算术和逻辑运算的部件。它由算术逻辑部件(ALU)和若干通用寄存器组成。它的主要功能是进行加、减、乘、除等算术运算和实现“与”、“或”、“非”等逻辑运算。存储器：用来存放程序和数据的部件。它以单元为单位线性编址，按地址读／写其单元。输入／输出设备：计算机由输入设备接受外部信息，通过输出设备将信息送往外部。控制器：负责协调上述部件的操作，发出控制命令，是计算机的指挥中心。它从存储器中取出指令，进行分析，然后发出由该指令规定的一系列微操作命令，通过控制所有其他部件来完成指令规定的功能。通常，又把运算器和控制器合在一起称为中央处理器，即CPU。由图1－1可以看出，在计算机中，基本上有两股信息在流动：一种为数据信息流，即各种原始数据、中间结果、程序等；而另一股为控制信息流，即由控制器发出的一系列微命令序列，用来控制装置的启动或停止，控制运算器按一定的步骤进行各种运算和处理，控制存储器进行读／写，控制输出设备输出结果等。3.1.2数字计算机的工作原理虽然计算机技术已经发展了几十年，计算机体系结构也发生了许多演变，但计算机一般还是基于冯•诺依曼原理来工作的。冯•诺依曼机的主要特点如下：计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件构成；用二进制码表示指令和数据；采用存储程序的工作方式。冯•诺依曼计算机的工作方式，可称为控制流(指令流)驱动方式。在这种方式下，按照指令执行的序列，依次读取指令并根据所含有的控制信息调用数据进行处理。因此，在执行的过程中，始终以控制信息流为驱动工作因素，而数据信息流则是被动地被调用处理。为了对指令流进行控制，通过设置一个程序计数器(PC：ProgramCounter)来存放下一次将被执行的指令所在单元的地址。对于顺序执行的程序，每取出一条指令后PC的内容就自动加1。当程序发生分支转向时，就将转向去的地址送入PC中，以便按转向地址读取后续指令。所以，PC就可正确地指示并控制指令序列的执行顺序。3.2教学实验系统简介3.2.1系统功能特点结构清晰的单元式实验电路，可构造出不同结构及不同复杂程度的原理性计算机对实验设计具有完全的开放性，增强学生综合设计能力；通用逻辑器件和大规模可编程逻辑器件相结合，可面向不同层次的学生；具有实时调试功能的图形方式操作界面，也可用于多媒体辅助教学；多种输入／输出方式及逻辑信号测量功能，实验操作及观察更容易；实验电路具有实时在线检测功能，便于检查接线错误；提供微程序控制器和组合逻辑控制器两种控制方式；3.2.2系统布局

图1-2系统布局示意图3.2.3系统实验单元电路表L-llU-CMA垂議硬件内春MC单元微程序存储器，殺命令寄存器「微地址寄存器，微命令译码器警ALUifcKEG单元算术逻辑移也:运算部件，A.E显示灯，斗个通用寄存器PC&AR单元程序计数器，地址寄存器应单元指令寄存器，指令译码逻辑，寄存器译码逻辑CPU内总线CPU內部数据科*线座控制总线读写译码逻辑'CP匸中断使能寄存器，DMA控制逻辑数据总线LED显示灯，数据排线应地址总线LED显示灯，地址薛码电路，数据排线座扩展息线LED显示灯，扩展总线排线座IN单元&位开栄，LED显示灯OUT单元数码管，敎码管显示译码电路MEM单元SRANW1168259单元8259一片8237单元8237一片3253单元8253一片CON单元3组&位开关，系统清零按钮时序与操柞台单元时.序爱生电路，555谐振荡电路，单脉冲电路本地主•控存編程、校验电路，本地机器调试及运行擬作控制电踣SYS单元系绕监观电路，思线竞争报警电路逻辑測量单元4赂逻辑示菠器扩屣单元LED显示灯，扩展接线座CPLD扩展板ALTERAMAXIIEPM1270T144C5,下载电路，LED显示灯微控器电路单元MC单元主要由编程部分和核心微控器两部分组成。编程部分是通过编程开关的相应状态选择及由T2引入的节拍脉冲的控制来完成将预先定义好的机器指令对应的微程序写入到E2PR0M2816控制存储器中，并可以对控制存储器中的微程序进行校验。该系统具有本机现场直接编程功能，且由于选用E2PR0M芯片为控制存储器，所以具备掉电保护功能。核心微控器主要完成接收机器指令译码器送来的代码，转向相应机器指令对应的微程序的首条微指令，对该条机器指令的功能进行解释或执行的工作。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指令的微地址入口；再通过由T2引入的时序节拍脉冲的控制，读出微指令(实验板上的微控器单元中的24位显示灯(M0〜M23)显示的是当前读出的微指令的二进制码)；然后，其中几位再经过译码，一并产生实验板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置，就可控制实现该微指令的功能；一条微指令执行完毕，地址译码产生下一条微指令对应的微地址；重复上述操作，每运行一段微程序，就完成一条机器指令的功能，周而复始，即可实现机器指令程序的运行。运算器单元包括运算器单元和寄存器堆单元。运算器单元(ALUUNIT)运算器部件由一片CPLD实现。ALU的输入和输出通过三态门74LS245连到CPU内总线上，另外还有指示灯标明进位标志FC和零标志FZ。运算器单元由算术、逻辑和移位运算部件组成。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，各部件对操作数进行何种运算由控制信号S3-S0和CN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ALU的输出。寄存器堆单元(REGUNIT)这部分由RO、Rl、R2、R3组成，它们用来保存操作数及中间运算结果等，其中R2还兼做变址寄存器，R3兼做堆栈指针。计数器与地址寄存器单元PC&AR单元位于实验箱线路板的中部，由地址寄存器AR、程序计数器PC构成。地址寄存器的输出以排针形式引出A7-A0指令寄存器单元IR单元位于实验箱线路板的中部。由指令寄存器、指令译码器和寄存器译码器构成。指令寄存器单元中指令寄存器的输入和输出都以排针形式引出，构成模型机时实现程序的跳转控制和对通用寄存器的选择控制。CPU内总线单元此单元由五排8线排针组成，它们之间相应位是相互连通的，CPU内总线是CPU内部数据集散地，每个部件的输入数据来自于CPU内总线，输出的数据也要通过CPU内总线到达目的地。控制总线单元此单元包含有CPU对存储器和10进行读写时的读写译码电路、CPU中断使能寄存器、外部中断请求指示灯INTR、CPU中断使能指示灯EI。数据总线单元数据总线是CPU和主存以及外设之间数据交换的通道，其包含五排8线排针，排针的相应位已和CPU内总线连通。地址总线单元此单元由两排8线排针，I/O地址译码芯片74LS139，地址指示灯组成。输入设备单元使用8个可拨动的输入开关作为输入设备。输出设备单元输出的数据进入锁存器后由两个LED数码管显示。主存储器单元MEM单元包括一片SRAM6116(静态随机存储器)和一套编程电路。控制台开关单元CON单元包含一个清零按钮CLR和24个开关。按下CLR按钮为系统部件提供清零信号，清零的部件有：程序计数器PC、地址寄存器AR、暂存器A、暂存器B、指令寄存器IR、微地址寄存器MAR。时序与操作台单元时序单元可以提供单脉冲或连续的时钟信号：KK和①。每按动一次KK按钮，在KK+和KK-端将分别输出一个上升沿和下降沿单脉冲。每按动一次ST按钮，根据时序开关档位的不同，在TS1、TS2、TS3、TS4端输出不同的波形。开关处于'连续'档时，TS1、TS2、TS3、TS4输出的是连续时序。开关处于'单步'档时，TS1、TS2、TS3、TS4只输出一个CPU周期的波形。开关处于'单拍'档时，TS1、TS2、TS3、TS4交替出现时序与操作台单元的“MODE”短路块短路，系统工作在四节拍模式；“MODE”短路块拔开，系统工作在两节拍模式。时序与操作台单元的“SPK”短路块短路，系统具有总线竞争报警功能；“SPK”短路块拔开，系统无报警功能。时序与操作台单元还设有一组编程控制开关KK1、KK2、KK3、KK4、KK5，可实现对存储器(包括程序存储器和控制存储器)的三种操作：编程、校验、运行。系统单元SYS单元是为了和PC联机而设计，其原理是通过单片机的串口和PC机的串口相连，PC以命令形式和单片机进行交互，当单片机接收到某命令后，产生相应的时序，实现指定操作。SYS单元还安排了一个检测电路，当总线上数据发生竟争时，蜂鸣器会发出‘嘀'警报声。SYS单元还有一个重要职责：当ST按钮按下时会对单片机的INT1产生一个中断请求，此时单片机根据时序单元状态开关的档位，产生相应的时序。逻辑示波器启动后，单片机会定期采样CH3-CH0，并将采样所得数据通过串口发送到PC机，PC机再根据收到的数据，在屏幕上绘制波形。CPLD扩展板TD-CMA的部分实验在CPLD扩展板上进行，CPLD扩展板由由两大部分组成，一是LED显示灯，供调试时观测数据；另外就是一片MAXIIEPM1270T144及其外围电路。3.2.4系统集成操作软件CMACMA集成操作软件是用于实验箱与PC机联机操作的图形方式操作界面，具有动态调试功能，可以完全根据实验系统的数据通路图动态显示用户设计的实验数据流的流向、数据值、控制线和相关单元的内容。CMA软件通过PC机串行口与实验箱中的89C51单片机进行通信，利用单片机实现对实验装置的程序存储器、微程序控制器进行读写，并可实现单步微程序、单步机器指令和程序连续运行等控制。主界面如图1-3所示，由指令区、输出区和图形区三部分组成。(1)指令区：分为机器指令区和微指令区，指令区下方有两个Tab按钮，可通过按钮在两者之间切换。丄机器指令区：分为两列，第一列为主存地址(00—FF,共256个单元)，第二列为每个地址所对应的数值。串口通讯正常且串口无其它操作，可以直接修改指定单元的内容，用鼠标单击要修改单元的数据，此时单元格会变成一个编辑框，即可输入数据，编

辑框只接收两位合法的16进制数，按回车键确认，或用鼠标点击别的区域，即可完成修改工作。按下ESC键可取消修改，编辑框会自动消失,恢复显示原来的值，也可以通过上下方向键移动编辑框。口回冈丄微指令区：分为两列，第一列为微控器地址00—3F，共64个单元)，第二列为每个地址所对应的微指令，共6字节。修改微指令操作和修改机器指令一样，只不过微指令是6位，而机器指令是2位。口回冈欢迎使用唐都仪器TD-C1A-［豆杂模璧机数据通路圉］二］文件(E)編辑(E)查看(Y)谛口(E)实验(E)检测(工)转储(0调试(R)回放但)波形(Q)设置(Q)窗口(邂)帮助(旦)□列囚目目I复杂模型粗二］啊這斗再｛6|o£QN M00000029ai003230020026320300000029ai00323002002632030232300-400263405002635OB0024070701320108106009091830010A106010OB000001OC1030010D2006010E005341OFOOOOCB100014011100140212001603130014041400140515806020IE80602117005022180432011910601A1A28021AIB0053411C1010inID10608CIE1060IFIF101020指令区二地址u彊图1-3CMA软件主界面督主存古徽存「(2)输出区：输出区由输出页、输入页和结果页组成。输出页：在数据通路图打开，且该通路中用到微程序控制器,运行程序时，输出区用来实时显示当前正在执行的微指令和下条将要执行的微指令的24位微码及其微地址。当前正在执行微指令的显示可通过菜单命令【设置】一【当前微指令】”进行开关。输入页：可以对微指令进行按位输