计算机组成原理实验指导书CP226

目录

第一章系统概述...............................................................2

1.1DICE-CP226简介..........................................................2

1.2DICE-CP226特点.........................................................2

1.3实验系统组成.............................................................3

第二章模型机模块实验........................................................4

2.1寄存器实验...............................................................4

实验1：A,W寄存器实验.....................................................5

实验2：RO,RI,R2,R3寄存器实验..........................................8

实验3：MAR地址寄存器，ST堆栈寄存器，OUT输出寄存器...................13

2.2运算器实验..............................................................16

2.3数据输出实验/移位门实验.................................................18

实验1：数据输出实验.........................................................20

实验2：移位实验.............................................................21

2.4微程序计数器UPC实验...................................................23

实验1：uPC加一实验.......................................................25

实验2：uPC打入实验.......................................................26

2.5PC实验.................................................................26

实验1：PC加一实验........................................................29

实验2：PC打入验..........................................................29

2.6存储器EM实验..........................................................30

实验1：PC/MAR输出地址选择................................................31

实验2：存储器EM写实验....................................................31

实验3：存储器EM读实验....................................................33

实验4：存储器打入IR指令寄存器/uPC实验....................................34

实验5：使用实验仪小键盘输入EM............................................36

2.7微程序存储器UM实验...................................................36

实验1：微程序存储器uM读出................................................38

实验2：使用实验仪小键盘输入uM.............................................38

2.8中断实验................................................................39

第三章CP226模型机.........................................................40

3.1模型机总体结构..........................................................40

3.2模型机寻址方式..........................................................41

3.3模型机指令集............................................................42

3.4模型机微指令集..........................................................44

第四章模型机综合实验（微程序控制器）....................................55

实验1：数据传送实验/输入输出实验............................................55

实验2：数据运算实验（加/减/与/或）..........................................58

实验3：移位/取反实验........................................................60

实验4：转移实验.............................................................62

实验5：调用实验.............................................................60

实验6：中断实验.............................................................61

实验7：指令流水实验.........................................................64

实验8RISC模型机.......................................................66

第五章组合逻辑控制........................................................68

5.1组合逻辑控制器..........................................................68

5.2用CPLD实现运算器功能.................................................76

第六章设计指令/微指令系统...................................................79

第七章扩展实验..............................................................83

扩展实验一：用8255扩展I/O端口实验.......................................83

扩展实验二：用8253扩展定时器试验..........................................84

第八章实验仪键盘使用.......................................................87

1、观察内部寄存器：.........................................................88

2、观察、修改程序存储器内容：..............................................88

3.观察、修改微程序存储器内容：............................................89

4.用小键盘调试实验一........................................................91

第九章CP226集成开发环境使用..............................................93

1）主菜单....................................................................94

2）快捷键图标...............................................................95

3）调试窗口区...............................................................95

4）结构图区..................................................................96

5）指令/微程序/跟踪窗口......................................................96

6）寄存器状态...............................................................97

附录一实验用芯片介绍.......................................................98

第一章系统概述

1.1DICE-CP226简介

DICE-CP226型计算机组成原理实验系统〈以下简称系统〉，是由江苏启东计算机总厂

有限公司继C2000/CH2000成功开发之后，结合国内同类产品的优点，最新研制开发的超

强型实验计算机装置〈以下简称模型机"该系统采用单片机管理和EDA控制技术，自带

键盘和液晶显示器，支持脱机和联PC机两种工作模式，运用系统监控和数码管等实时监

视，全面动态管理模型机的运行和内部资源。模型机软硬件配置完整，支持8位字长的多

种寻址方式，指令丰富，并配有以win98/2000/XP为操作平台的动态跟踪集成调试软件，

示教效果极佳，特别适用于计算机组成原理课程的教学与实验。

1.2DICE-CP226特点

1、采用总线结构

总线结构的计算机具有结构清晰，扩展方便等优点。DICE-CP226实验系统使用三组

总线即地址总线ABUS、数据总线DBUS、指令总线1BUS和控制信号，CPU、主存、外

设和管理单片机等部件之间通过外部数据总线传输，CPU内部则通过内部数据总线传输

信息。各部件之间，通过三态缓冲器作接口连接，这样一方面增强总线驱动能力，另一方

面在模型机停机时，三态门输出浮空，能保证不管模型机的CPU工作是否正常，管理单

片机总能读/写主存或控存。

2、计算机功能模块化设计

DICE-CP2226为实验者提供运算器模块ALU,众多寄存器模块（A,W,IA,ST,

MAR,R0...R3等），程序计数器模块PC,指令部件模块IR,主存模块EM,微程序控制

模块〈控存〉uM,微地址计数器模块UPC,组合逻辑控制模块及I/O等控制模块。

各模块间的电源线、地线、地址总线和数据总线等己分别连通，模块内各芯片间数据

通路也已连好，各模块的控制信号及必要的输出信号已被引出到主板插孔，供实验者按自

己的设计进行连接。

3、智能化控制

系统在单片机监控下，管理模型机运行和读写，当模型机停机时，实验者可通过系统

键盘，读写主存或控存指定单元的内容，使模型机实现在线开发。模型机运行时，系统提

供单步一条微指令（微单步）、单步一条机器指令（程单步），连续运行程序及无限止暂

停等调试手段，能动态跟踪数据，流向、捕捉各种控制信息，实时反映模型机现场，使实

验者及时了解程序和微程序设计的正确性，便以修改。

4、提供两种实验模式

①手动运行"Hand……”：通过拨动开关和发光二极管二进制电平显示，支持最底层的

手动操作方式的输入/输出和机器调试。

②自动运行：通过系统键盘及液晶显示器或PC机，直接接输入或编译装载用户程序v

机器码程序和微程序＞，实现微程序控制运行，运用多种调试手段运行用户程序，使实验

者对计算机组成原理一目了然。

5、开放性设计

运算器采用了EDA技术设计，随机出厂时，已提供一套已装载的方案，能进行加、

减、与、或、带进位加、带进位减、取反、直通八种运算方式，若用户不满意该套方案，

可自行重新设计并通过JTAG口下载。逻辑控制器由CPLD实现，也可进行重新设计并通

过JTAG口下载。用户还可以设计自己的指令/微指令系统。系统中已带三套指令/微程序

系统，用户可参照来设计新的指令/微程序系统。

系统的数据线、地址线、控制线均在总线接口区引出，并设计了40芯锁进插座，供

用户进行RAM、8251、8255、8253、8259等接口器件的扩展实验。

6、支持中断实验

采用最底层的器件设计，让学生可以从微程序层面上学习中断请求、中断响应、中断

处理、中断入口地址的产生、中断服务程序及中断返回（RETI）整个过程。

7、支持两种控制器实验

系统提供两种控制器方式，即微程序控制器和组合逻辑控制器。在微程序控制器中，

系统能提供在线编程，实时修改程序，显示程序并进行调试的操作环境。组合逻辑控制器，

已下载有一套完整的实验方案，用户也可使用CPLD工具在PC机上进行自动化设计。

8、支持子程序调用、返回、指令流水线和RISC精简指令系统实验。

9、配备以Win98/2000/XP为操作平台的集成调试软件包

系统通过RS-232C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档

与图形的动态管理系统，自带编译器，支持汇编语言的编辑、编译、调试，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口，在主界面中开辟了程序和与

其对应微程序的调试、模型机结构示意图（点击各模块即弹出电路原理图）、微程序等跟

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。

1.3实验系统组成

CP226计算机组成原理实验系统由实验平台、开关电源、软件三大部分组成。

实验平台上有寄存器组R0-R3、运算单元、累加器A、暂存器W、直通/左移/右移单

元、地址寄存器、程序计数器、堆栈、中断源、输入/输出单元、存储器单元、微地址寄存

器、指令寄存器、微程序控制器、组合逻辑控制器、扩展单元、总线接口区、微动开关/

指示灯、逻辑笔、脉冲源、管理单片机、24个按键、字符式LCD、RS232口。

第二章模型机模块实验

对于硬件的描述可以有多种方法：如原理图，真值表，高级语言(本手册使用

ABEL/VHDL),时序图等，在本手册中可以使用以上的四种方式来综合描述硬件。

2.1寄存器实验

实验要求：利用CP226实验仪上的K16..K23开关做为DBUS的数据，其它开关做

为控制信号，将数据写入寄存器，这些寄存器包括累加器A,工作寄存器W,数据寄存器

组R0..R3,地址寄存器MAR,堆栈寄存器ST,输出寄存器OUT。

实验目的：了解模型机中各种寄存器结构、工作原理及其控制方法。

实验电路：寄存器的作用是用于保存数据的，因为我们的模型机是8位的，因此在

本模型机中大部寄存器是8位的，标志位寄存器(Cy,Z)是二位的。

CP226用74HC574来构成寄存器。74HC574的功能如下:

74HC574

<OC)---------------n-0OC

<CLK)>CLK

21Q

IDIQI，/C7\

<D7)3io、Q7_______/

<D6)2D2Q

417\Q6/

<D53D3Q

___________5___]6潜——(

<D4__/<4D4Q1c、Q4_______/

5D5Q

<D3)714、QJ_______/

6D6Q

--------<8-《Q2〉

7D7Q/X1i\

9-i?-----------<Q>

<DO>8D8Q\QU_____/

1.在CLK的上升沿将输入端的数据打入到8个触发器中

2.当OC=1时触发器的输出被关闭，当OC=0时触发器的输出数据

0CCLKQ7..Q0注释

1XZZZZZZZZ0C为1时触发器的输出被关闭

00Q7..Q0当oc=o时触发器的数据输出

01Q7..Q0当时钟为高时，触发器保持数据不变

XtD7..D0在CLK的上升沿将输入端的数据打入到触发器中

OC1

D[7:0]55HX66H

R[7:0]xxX55H

Q[7：0]zzX55H

CLK

74HC574工作波图

实验1：A,W寄存器实验

<AEN\\§|74HC574

-I5|

<CKQ<

_yV-K

74HC32Ot

9I1Q7

<DBUS7>=O/A7\

3D1/18冷---(

DBUS6>=

4D2Q17

<DBUS5>O卷——(

5土D3/160/\A/1\?

<DBUS4>A4

6白D4QX_____/

<DBUS3>D5Q14\A，__________/

7匕14/AO\

<DBUS2)D6Q

8②/A1\

<DBUS1>"D7O

9/

<DBUSO>曾D8Q-------------<A0>

寄存器A原理图

<WEN-----X3|74HC574

-3-

<CK____yM：OC

x_1>CLK

74HC32

910

(DBUS7)IDIQ

319\W7/

(DBUS6)2D2Q17\W0/

41z

<DBUS5)3D3Q/ws\

516\W5/

<DBUS4>4D4Q

615\W4:

<DBUS3>5D5Q

714--------<

(DBUS2)6D6Q

8

(DBUS1>7D7Q/Ww11\

917\z

(DBUSO)8D8Q/wo\

寄存器W原理图

AEN||

WEN||

DBUS[7:0]55HX66H-

A[7:0]XXX55H

W[7:0]XXX66H

CLKl_lU

寄存器A,W写工作波形图

连接线表:

连接信号孔接入孔作用状态说明

1JI座J3座将K23-K16接入DBUS[7:0]实验模式：手动

2AENK3选通A低电平有效

3WENK4选通w低电平有效

工作脉冲

4CK已连ALU上升沿打入

系统清零和手动状态设定：K23-K16开关置零，按［RST］钮，按［TV/ME］键三次，进

入”Hand......”手动状态。

在后面实验中实验模式为手动的操作方法不再详述.

将55H写入A寄存器

二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据55H

K23K22K21K20K19K18K17K16

01010101

置控制信号为:

K4(WEN)K3(AEN)

10

按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器A的黄色选择指示灯亮，表明选择A

寄存器。放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据55H被写入A寄存器。

将66H写入W寄存器

二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据66H

K23K22K21K20K19K18K17K16

01100110

置控制信号为:

K4(WEN)K3(AEN)

01

按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器W的黄色选择指示灯亮，表明选择W

寄存器。放开STEP健，CK由低变高，产生一个上升沿，数据66H被写入W寄存器。

注意观察：

1.数据是在放开STEP键后改变的，也就是CK的上升沿数据被打入。

2.WEN,AEN为高时，即使CK有上升沿，寄存器的数据也不会改变。

实验2：RO,RI,R2,R3寄存器实验

M8C334

寄存器R原理图

RWR-|r-

寄存器R写工作波形图

连接线表

连接信号孔接入孔作用状态说明

1J1座J3座将K23-K16接入DBUS[7:O]实验模式：手动

2RRDKll寄存器组读使能低电平有效

3RWRK10寄存器组写使能低电平有效

4SBKI寄存器选择B

5SAKO寄存器选择A

6CK已连寄存器工作脉冲上升沿打入

7D7..D0L7..L0观察寄存器数据输出

将11H写入R0寄存器

二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据11H

K23K22K21K20K19K18K17K16

000I0001

置控制信号为:

Kll(RRD)KIO(RWR)Kl(SB)KO(SA)

1000

按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器R0的黄色选择指示灯亮，表明选择

R0寄存器。放开STEP健，CK由低变高，产生一个上升沿，数据11H被写入R0寄存

器。

将22H写入R1寄存器

二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据22H

K23K22K21K20K19K18K17K16

00100010

置控制信号为:

l(RRD)KIO(RWR)KI(SB)KO(SA)

1001

按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器R1的黄色选择指示灯亮，表明

择R1寄存器。放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据22H被写入R1寄

存器.

将33H写入R2寄存器

二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据33H

K23K22K21K20K19K18K17K16

00110011

置控制信号为:

Kll(RRD)KIO(RWR)Kl(SB)KO(SA)

1010

按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器R2的黄色选择指示灯亮，表明选择

R2寄存器。放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据33H被写入R2寄存器。

将44H写入R3寄存器

二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据44H

K23K22K21K20K19K18K17K16

01000100

置控制信号为:

Kll(RRD)KIO(RWR)Kl(SB)KO(SA)

1011

按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器R3的黄色选择指示灯亮，表明选择

R3寄存器。放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据44H被写入R3寄存器。

注意观察：

1.数据是在放开STEP键后改变的，也就是CK的上升沿数据被打入。

2.K1(SB),KO(SA)用于选择寄存器。

KI(SB)KO(SA)选择

00RO

01RI

10R2

11R3

DBUS[7：0]左~乂UH33H44H丫"^

R0[7:0]11H

RI[7:0]22H

R2[7:0]33H

R3p^)]44H

SB

SA______11_____1

RRD

RWR

寄存器R读工作波形图

读RO寄存器

置控制信号为:

Kll(RRD)KIO(RWR)Kl(SB)KO(SA)

0100

这时寄存器R0的红色输出指示灯亮，R0寄存器的数据送上数据总线。此时数据总

线指示灯L7...L0为：00010001.将Kll(RRD)置为1,关闭R0寄存器输出。

读R1寄存器

置控制信号为:

Kll(RRD)KIO(RWR)Kl(SB)KO(SA)

0101

这时寄存器R1的红色输出指示灯亮，R1寄存器的数据送上数据总线。此时数据总

线指示灯L7...L0为：00100010.将Kll(RRD)置为1,关闭R1寄存器输出。

读R2寄存器

置控制信号为:

Kll(RRD)KIO(RWR)Kl(SB)KO(SA)

0110

这时寄存器R2的红色输出指示灯亮，R2寄存器的数据送上数据总线。此时数据总

线指示灯L7...L0为:00110011.将Kll(RRD)置为l,关闭R2寄存器输出。

读R3寄存器

置控制信号为:

Kll(RRD)KIO(RWR)Kl(SB)KO(SA)

0111

这时寄存器R3的红色输出指示灯亮，R3寄存器的数据送上数据总线。此时数据总

线指示灯L7...L0为：O1OOO1OO.将K11(RRD)置为1,关闭R3寄存器输出。

注意观察：

1.数据在Kll(RRD)为0时输出，不是沿触发，与数据打入不同。

实验3：MAR地址寄存器，ST堆栈寄存器，OUT输出寄存器

<MAROE

<MAREN74HC574

3

OC

>CLK

74HC32

219

(DBUS7IDIQ<ABUS7>

318

<DBUS62D2Q<ABUS6>

417

<DBUS53D3Q<ABUS5>

516

<DBUS44D4Q<ABUS4>

615

<DBUS35D5Q<ABUS3>

714

<DBUS26D6Q<ABUS2>

813

<DBUS17D7Q<ABUS1>

912

<DBUS08D8Q<ABUS0>

寄存器MAR原理图

寄存器ST原理图

<OUTEN)--------——

1-----------"74口小”4

、3/L。]惶

74HC32ii0U翼

IQ1c1G

21•/_______/CTTT7\

<DBUS7>7y1o、、UU1//

3ZQy(

<DBUS6>皿17)OUlb

4EQy(

<DBUS5>1'/CTTTA、

5寸Q寸y(

<DBUS4>SQ(-H-------(OUT4：

69y2./CTTTA\

<DBUS3>Q「

799y(14°U13——Z

<DBUS2>FQ1<-n-------<OUT2/

8y/CTTT1\

<DBUS1>8Qc17\OU11/

981

<DBUS0>y1//\cUiUTTJA.U\/

寄存器OUT原理图

DBUS[7:0]_______12H><34H><56H

MAR[7:0]________XXx12HXZZ

ST[7:0]_______________XXx34H

OUT[7:0]_______________________XX又56H

MAREN11

STEN-ir

OUTENi_______r-

CKi______।।।।______।

MAROE__________r

寄存器MAR,ST,OUT写工作波形图

连接线表

连接信号孔接入孔作用状态说明

1J2座J3座将K23-16接入DBU[7:0]实验模式：手动

2MAROEK14MAR地址输出使能低电平有效

3MARENK15MAR寄存器写使能低电平有效

4STENK12ST寄存器写使能低电平有效

5OUTENK13OUT寄存器写使能低电平有效

6CK已连寄存器工作脉冲上升沿打入

将12H写入MAR寄存器

二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据12H

K23K22K21K20K19K18K17K16

00010010

置控制信号为:

K15(MAREN)K14(MAROE)K13(OUTEN)K12(STEN)

0011

按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器MAR的黄色选择指示灯亮，表明选择

MAR寄存器。放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据12H被写入MAR寄

存器。

K14(MAR0E)为0,MAR寄存器中的地址输出，MAR红色输出指示灯亮。

将K14(MAROE)置为1,关闭MAR输出。

将34H写入ST寄器

二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据34H

K23K22K21K20K19K18K17K16

00110100

置控制信号为:

K15(MAREN)K14(MAROE)K13(OUTEN)K12(STEN)

1110

按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器ST的黄色选择指示灯亮，表明选择

ST寄存器。放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据34H被写入ST寄存器。

将56H写入OUT寄存器

二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据56H

K23K22K21K20|K19K18K17K16

0101110

置控制信号为:

K15(MAREN)K14(MAROE)K13(OUTEN)K12(STEN)

110