計算機(jī)組成原理實習(xí) TEC XP

1、1、TEC-XP機(jī)簡介 TEC-XP由清華大學(xué)科教儀器廠和清華大學(xué)計算機(jī)系聯(lián)合研制。該實驗系統(tǒng)重點用于計算機(jī)組成原理和計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等課程的硬件教學(xué)實驗，還支持監(jiān)控程序、匯編語言程序設(shè)計、BASIC高級語言程序設(shè)計等軟件方面的教學(xué)實驗。 1教學(xué)機(jī)系統(tǒng)配置了兩個不同實現(xiàn)方案的CPU系統(tǒng)，一個CPU沿襲傳統(tǒng)的設(shè)計思路，和當(dāng)前主流的教材配套，由中小規(guī)模的器件組成；另一個CPU參考國外著名大學(xué)的設(shè)計思路用大規(guī)模的FPGA器件設(shè)計實現(xiàn)。 2教學(xué)機(jī)的機(jī)器字長16位，即運算器、主存、數(shù)據(jù)總線、地址總線都是16位。 3.指令系統(tǒng)支持多種基本尋址方式。其中一部分指令已實現(xiàn)，用于設(shè)計監(jiān)控程序和用戶的常規(guī)匯編程序，

2、尚保留多條指令供實驗者自己實現(xiàn)。 4主存最大尋址空間是18K字，由基本容量為8K（字節(jié)或16位的字）的ROM和2K（字節(jié)或16位的字）的RAM存儲區(qū)域組成。還可以進(jìn)一步完成存儲器擴(kuò)展的教學(xué)實驗。 5.原理上講，主時鐘脈沖的頻率可在幾百KHz近2MHz之間選擇。 6運算器由4片位片結(jié)構(gòu)器件級聯(lián)而成，片間用串行進(jìn)位方式傳遞進(jìn)位信號。ALU實現(xiàn)8種算術(shù)與邏輯運算功能，內(nèi)部包括16個雙端口讀出、單端口寫入的通用寄存器，和一個能自行以為的乘商寄存器。設(shè)置C（進(jìn)位）、Z（結(jié)果為0）、V（溢出）和S（符號位）四個狀態(tài)標(biāo)志位。 7控制器采用微程序和硬布線兩種控制方案實現(xiàn)，可由實驗者自由選擇。實驗人員可方便地修

3、改已有設(shè)計，或加進(jìn)若干自己設(shè)計與實現(xiàn)的新指令，新老指令同時運行。 8主機(jī)上安裝有兩路INTEL8251串行接口，一路出廠時已經(jīng)實現(xiàn)，可直接接計算機(jī)終端，或接入一臺PC機(jī)作為自己的仿真終端；另一路保留學(xué)生擴(kuò)展實現(xiàn)。選用了MAX202倍壓線路，以避免使用+12V和-12V電源。 9在主板的右下方，配置了完成中斷教學(xué)實驗的全套線路，可以實現(xiàn)三級中斷和中斷嵌套。 10系統(tǒng)實現(xiàn)多種運行方式，可以單步/連續(xù)運行主存儲器的指令或程序，也可以執(zhí)行一條或若干條通過數(shù)據(jù)開關(guān)手動置入的指令。 11主板上設(shè)置數(shù)據(jù)開關(guān)和微型開關(guān)、按鍵和指示燈，支持最低層的手工操作方式的輸入/輸出，通過指示燈來顯示重要的數(shù)據(jù)或控制信號的

4、狀態(tài)，可以完成及其調(diào)試和故障診斷。板上還有支持教學(xué)實驗用的一定數(shù)量的跳線夾。 12.實驗機(jī)硬件系統(tǒng)，全部功能部件分區(qū)域劃分在大一些的水平放置的一塊印制電路板的不同區(qū)域，所有器件都用插座插接在印制板上，便于更換器件。 13.實驗計算機(jī)使用單一的5V、最大電流3A的直流模塊電源，所耗電流在1.52.5A之間。電源模塊安裝在水平電路板右上角位置，交流220V通過電源接線插到機(jī)箱后側(cè)板，經(jīng)保險絲、開關(guān)連接到電路板上，開關(guān)安放在機(jī)箱右側(cè)靠后位置，方便操作且比較安全。 14. 兩路的串行接口的接插座安裝在機(jī)箱后側(cè)板以方便接線插拔和機(jī)箱蓋的打開關(guān)閉。 2、TEC-XP實驗機(jī)的硬件組成 21總線 在教學(xué)計算機(jī)

5、總線部件設(shè)計中，選用單總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線都比較 簡單，保證教學(xué)機(jī)的正常運行并體現(xiàn)出總線設(shè)計的基本原理。211數(shù)據(jù)總線 被劃分成內(nèi)部總線IB（在CPU一側(cè)）和外部總線DB（在存儲器和串行接口一側(cè)）兩部分，它們之間通過2片8位的雙向三態(tài)門電路連接在一起。3組存儲器芯片的數(shù)據(jù)輸入輸出引腳都直接連接在一起，連接到16位的數(shù)據(jù)總線DB上，串行接口芯片的8位數(shù)據(jù)輸入輸出引腳只與數(shù)據(jù)總線DB的低8位（DB7-DB0這8位）相連接。 212地址總線 的構(gòu)成比較特殊，僅地址寄存器AR一個來源，AR又只接收ALU一路輸入。內(nèi)存儲器和接口電路的地址都來自于地址總線AB（地址寄存器AR的輸出），地

6、址總線的最高3位送到1片三-八譯碼器，地址總線的低位字節(jié)中的高4位（規(guī)定最高一位必定為1）送到另外1片三-八譯碼器，分別產(chǎn)生存儲器芯片的8個片選信號和接口電路的8個片選信號。 213控制總線 提供內(nèi)存和串口的讀寫命令，是把控制器提供的3位控制信號送1片雙二-四譯碼器得到的，以決定有無內(nèi)存或接口讀寫，若有，是內(nèi)存和還是接口工作，執(zhí)行的是讀還是寫操作。內(nèi)存和CPU選用同步方式運行，串行接口和CPU選用狀態(tài)查詢方式工作。 22運算器 運算器中配置了兩組獨立的8位字長的運算器，各自由2片位片結(jié)構(gòu)的運算器器件組成；還有四位的狀態(tài)標(biāo)志寄存器和教學(xué)實驗所需的相關(guān)邏輯部件。全部的算術(shù)與邏輯運算均在這里完成；還

7、完成幾種尋址方式的實際地址計算；它也是主要的數(shù)據(jù)、地址傳送的通路。 23控制器 控制器分別用微程序方式與硬布線方式兩種方案實現(xiàn)，實驗者可以方便地選擇使用其中任何一種。這能方便地比較兩種控制器各自的優(yōu)缺點，和設(shè)計過程的相同的、不同的步驟與方法。在選用器件時，微程序方案中選用了美國AMD公司的微程序定序器Am2901芯片，保證微程序設(shè)計的規(guī)范與實用性；控存體選用只讀存儲器（ROM）芯片，通過對該ROM的編程寫入方式支持動態(tài)微程序設(shè)計。硬布線方案中，節(jié)拍邏輯與時序控制信號形成部件（組合邏輯線路）選用了GAL20V8現(xiàn)場可編程器件和Macro Array CMOS High density（簡寫為MA

8、CH）器件，這對簡化控制器的邏輯設(shè)計與實現(xiàn)至關(guān)重要。 24存儲器 在教學(xué)計算機(jī)存儲器部件設(shè)計中，出于簡化和容易實現(xiàn)的目的，選用靜態(tài)存儲器芯片實現(xiàn)內(nèi)存儲器系統(tǒng)，包括了唯讀存儲區(qū)（ROM，存放監(jiān)控程序等）和隨讀寫存儲區(qū)（RAM）兩部分，ROM存儲區(qū)選用4片長度8位、容量8KB的芯片實現(xiàn)，RAM存儲區(qū)選用2片長度8位、容量2KB的芯片實現(xiàn)，每2個8位的芯片合成一組用于組成16位長度的內(nèi)存字，6個芯片被分成3組，其地址空間分配關(guān)系是：0-1777h用于第一組ROM，固化監(jiān)控程序，2000-2777h用于RAM，保存用戶程序和用戶數(shù)據(jù)，其高端的一些單元作為監(jiān)控程序的數(shù)據(jù)區(qū)，第二組ROM的地址范圍可以由用

9、戶選擇，主要用于完成擴(kuò)展內(nèi)存容量的教學(xué)實驗。 25 I/O設(shè)備 教學(xué)計算機(jī)提供了2路串行接口（INTEL 8251），以支持接入PC機(jī)作為教學(xué)計算機(jī)的仿真終端完成輸入輸出操作；第一個串口的端口地址分配為80h/81h，第二個串口的端口地址可以由用戶選擇。作為擴(kuò)展實驗內(nèi)容，也可以通過在一個40芯的器件插座上插上其他標(biāo)準(zhǔn)接口 等）并適當(dāng)接線，完成常用接口線路的輸入輸出操作。8253、8255的INTEL線路（例如3、實驗機(jī)指令系統(tǒng) 3.1指令分類 教學(xué)機(jī)的指令按不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可劃分為： 1. 從指令長度區(qū)分，有單字指令和雙字指令。 2. 從操作數(shù)的個數(shù)區(qū)分，有三操作數(shù)指令、雙操作數(shù)指令、單操作數(shù)指

10、令和無操作數(shù)指令。 3. 從使用的尋址方式區(qū)分，有寄存器尋址、寄存器間址、立即數(shù)尋址、直接地址、相對尋址等多種基本尋址方式。 4. 從指令功能區(qū)分，給出了算術(shù)和邏輯運算類指令、讀寫內(nèi)存類指令、輸入/輸出類指令、轉(zhuǎn)移指令、子程序調(diào)用和返回類指令，還有傳送、移位、置進(jìn)位標(biāo)志和清進(jìn)位標(biāo)志等指令。 5.按照指令的功能和它們的執(zhí)行步驟，可以把該機(jī)的指令劃分為如下4組。在后面幾節(jié)中給出的指令流程框圖、指令流程表都是以此為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行指令劃分的。 A組： 基本指令A(yù)DD、SUB、AND、OR、XOR、CMP、TEST、MVRR、DEC、 INC、SHL、SHR、JR、JRC、JRNC、JRZ、JRNZ 擴(kuò)展指令

11、ADC、SBB、RCL、RCR、ASR、NOT、CLC、STC、EI、DI、JRS、JRNS、JMPR B組： 基本指令JMPA、LDRR、STRR、PUSH、POP、PUSHF、POPF、MVRD、IN、OUT、RET C組： 擴(kuò)展指令CALR、LDRA、STRA、LDRX、STRX D組： 基本指令CALA 擴(kuò)展指令I(lǐng)RET A組指令完成的是通用寄存器之間的數(shù)據(jù)運算或傳送，在取指之后可一步完成。 B組指令完成的是一次內(nèi)存或I/O讀、寫操作，在取指之后可兩步完成，第一步把要使用的地址傳送到地址寄存器ARH、ARL中，第二步執(zhí)行內(nèi)存或I/O讀、寫操作。 C組指令在取指之后可三步完成，其中CAL

12、R指令在用兩步讀寫內(nèi)存之后，第三步執(zhí)行寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送；而其它指令在第一步置地址寄存器ARH、ARL，第二步讀內(nèi)存（即取地址操作數(shù)）、計算內(nèi)存地址、置地址寄存器ARH、ARL，第三步讀、寫內(nèi)存。 D組指令完成的是兩次讀、寫內(nèi)存操作，在取指之后可四步完成。 3.2指令格式 TEC-XP教學(xué)機(jī)實現(xiàn)了29條基本指令，用于編寫教學(xué)機(jī)的監(jiān)控程序和支持簡單的匯編語言程序設(shè)計。同時保留了19條擴(kuò)展指令，供學(xué)生在教學(xué)實驗中完成對這些指令的設(shè)計與調(diào)試。 教學(xué)機(jī)的指令格式支持單字和雙字指令，第一個指令字的高8位是指令操作碼字段，低8位和雙字指令的第二個指令字是操作數(shù)、地址字段，分別有3種用法，如下圖所示。 D

13、R SR 操作碼 IO端口地址 / 相對偏移量 立即數(shù) / 直接內(nèi)存地址 / 變址偏移量 這8位指令操作碼（記作“IR15IR8”），含義如下： 1. IR15、IR14用于區(qū)分指令組：0X表示A組，10表示B組，11表示C、D組；C、D組的區(qū)分還要用IR11，IR11=0為C組，IR11=1為D組。 2. IR13用于區(qū)分基本指令和擴(kuò)展指令：基本指令該位為0，擴(kuò)展指令該位為1； 3. IR12用于簡化控制器實現(xiàn)，其值恒為0； 用于區(qū)分同一指令組中的不同指令。4. IR11IR8 教學(xué)機(jī)的指令根據(jù)指令字長、操作數(shù)不同可劃分為如下6種指令格式： 1）單字、無操作數(shù)指令： 格式： 操作碼 0000

14、 0000 基本指令：狀態(tài)標(biāo)志（C、Z、V、S、P1PSHF； 、P0）入棧 彈出棧頂數(shù)據(jù)送狀態(tài)標(biāo)志寄存器； POPF子程序返回 RET 擴(kuò)展指令：清進(jìn)位標(biāo)志位CLC； C=0 置進(jìn)位標(biāo)志位C=1 STC； 開中斷，置中斷允許位INTE=1 EI； 關(guān)中斷，置中斷允許位 INTE=0 DI； 中斷返回IRET； ）單字、單操作數(shù)指令：2 格式： DR 0000 0000 SR 操作碼OFFSET I/O PORT 基本指令： DEC DR； DRDR-1 ；DR+1 INC DRDR DR邏輯左移，最低位補0，最高位移入C SHL DR； 0，最低位移入C SHR DR； DR邏輯右移，最高位

15、補 JR ADR無條件跳轉(zhuǎn)到，ADR=原PC值+OFFSET OFFSET； +OFFSET 原PC值；OFFSET JRC C=1當(dāng)時，跳轉(zhuǎn)到ADR，ADR= PCADR當(dāng)C=0時，跳轉(zhuǎn)到，ADR=原值+OFFSET JRNC OFFSET； 值JRZ OFFSET+OFFSET ； ADR=Z=1當(dāng)時，跳轉(zhuǎn)到ADR，原PC 當(dāng)Z=0時，跳轉(zhuǎn)到； JRNZ PC，ADR=原值+OFFSET OFFSETADR ；端口讀入數(shù)據(jù)到，從外設(shè)R0I/O PORT I/O PORTR0 IN I/O PORT I/O PORT；OUT I/O PORTR0R0I/O PORT，將中的數(shù)據(jù)寫入外設(shè)端口

16、；PUSH 入棧SR SR POP 彈出棧頂數(shù)據(jù)送DR DR； 擴(kuò)展指令： DR與C 循環(huán)左移，C移入最低位，最高位移入C DRRCL ；DRRCR DR； 與C循環(huán)右移，C 移入最高位，最低位移入C DR ASR DR； 算術(shù)右移，最高位保持不變，最低位移入 C DR求反，即DR ；NOT DR /DR 無條件跳轉(zhuǎn)到SR指向的地址 ；SRJMPR 調(diào)用SR 指向的子程序 ；SRCALR +OFFSET 值PC原ADR=，ADR時，跳轉(zhuǎn)到S=1當(dāng) ；OFFSETJRS JRNS OFFSET； 當(dāng)S=0時，跳轉(zhuǎn)到ADR，ADR=原PC值+OFFSET ）單字、雙操作數(shù)指令：3 格式： 操作碼D

17、R SR 基本指令：DRDR+SR ADD DR，SR； DR；SR DR-SR SUB DR，DR AND DR，SR； DR and SR DR-SR ，SR； CMP DRDR DR xor SR XOR DR，SR； DR and SR ，SR；TEST DRDRDR or SR DROR ，SR； DR SR ，MVRR DRSR；DRSRLDRR DR，； SR DR；，SR SR STRR DR 擴(kuò)展指令：DRSRADC DR，； DR+SR+C DR；SR DR-SR-C SBB DR， ）雙字、單操作數(shù)指令：4 格式： 0000 0000 操作碼ADR 基本指令： JMPA

18、ADR； 無條件跳轉(zhuǎn)到地址ADR 調(diào)用首地址在ADR的子程序 CALA ADR； 5）雙字、雙操作數(shù)指令： 格式1：DR0000操作0000 SR DATA 基本指令： MVRD DR，DATA； DRDATA 擴(kuò)展指令：DR；，ADR ADR LDRA DRADR ADRSTRA ，SR； SR 2格式： DR SR 操作碼ADR 擴(kuò)展指令：OFFSET+SR DR ；OFFSETSR，DRLDRX STRX DR，OFFSETSR； OFFSET+SRDR 4、實驗機(jī)軟件系統(tǒng) 語言軟件：解釋 BASIC 匯編語言支持 監(jiān)控程序（指令）級模擬 教學(xué)機(jī)模擬：運算器、控制器模擬 ) 微程序級或硬

19、連線控制器級模擬( 接口模擬主存儲器模擬，總線, 輸入設(shè)備/ 輸出設(shè)備模擬 機(jī)，Windows系統(tǒng)運行環(huán)境：PC 從計算機(jī)組成原理課程教學(xué)需求的角度看，該計算機(jī)軟件系統(tǒng)的組成也是完整的，支持簡單的高級語言（包括浮點運算指令和基本函數(shù)運算功能），匯編語言（支持基本偽指令功能）機(jī)仿真終端程序等。毫無疑問，全部軟PC和二進(jìn)制的機(jī)器語言，配有自己的監(jiān)控程序，以及 件的源程序代碼是寶貴的教學(xué)參考資料。可以看到，軟件實現(xiàn)的計算機(jī)系統(tǒng)級和指令級模擬系統(tǒng)，可以脫離硬件教學(xué)計算機(jī)上圖從機(jī)上運行教學(xué)機(jī)的監(jiān)控平臺上運行教學(xué)機(jī)的程序，可以在PCWindows系統(tǒng)，直接在PC機(jī)的程序，其運行效果和在真正的教學(xué)計算機(jī)上運

20、行監(jiān)控程序是相同的。微程序和硬連線這一級別機(jī)屏幕查看在教學(xué)計算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)、指令的流動過程，并顯示每一的模擬軟件，可以通過PC 步的運行結(jié)果，為設(shè)計、調(diào)試教學(xué)機(jī)新的軟件或硬件功能提供重要的輔助作用。 PC關(guān)系、實驗機(jī)與5教學(xué)機(jī)系統(tǒng)TEC-XP實驗機(jī)和一臺PC機(jī)；其中 在本次試驗中，需要使用到一臺TEC-XP演戲CPU是試驗中必不可少的東西，教學(xué)機(jī)系統(tǒng)中配置了兩個不同方案的系統(tǒng)，一二參考國外著CPU傳統(tǒng)的設(shè)計思路，和當(dāng)前主流的教材配套，由中小規(guī)模的器件組成；另一個器件設(shè)計實現(xiàn)。上面集成了各類實驗所需的硬件元器件，名大學(xué)的設(shè)計思路用大規(guī)模的EPGA 它是我們本次實驗的主要設(shè)備。機(jī)，這主要是為了在做聯(lián)

21、機(jī)試驗是要用到電腦；當(dāng)用PC 其次，在實習(xí)的過程中還配置了 進(jìn)行以及一些基本的匯編機(jī)遇教學(xué)機(jī)連接好設(shè)置好后，通過軟件PCPCEC 16.EXE串口線將命令，我們就可以設(shè)計一些小程序來操作各種不同的寄存器，從而驗證或是自己擴(kuò)展一些匯編 指令，實現(xiàn)通過程序來操作試驗機(jī)教學(xué)系統(tǒng)的目的。 實驗機(jī)工作原理、6 在實驗機(jī)上運行一下小程序，來說明試驗機(jī)的工作原理小程序如下： 2000 MVRD R0， 0001 2002 MVRD R1， 0002 2004 ADD R0，R1 2005 RET 2006 MVRD R0 ， 0001這條指令的微程序如下 取指周期 PC - MAR,1 - R Ad(CMD

22、R) -CMAR M(MAR)-MDR,(PC) + 1-PC Ad(CMDR) -CMAR MDR -IR, OP(IR) -CU-形成微指令 執(zhí)行周期 0001 R0 將0001直接送至通用寄存器R0; Ad(CMDR)-CMAR 取指令程序入口地址-CMAR MVRD R1 ， 0002這條指令的微程序如下 取指周期： PC - MAR,1 - R Ad(CMDR) -CMAR M(MAR)-MDR,(PC) + 1-PC Ad(CMDR) -CMAR MDR -IR, OP(IR) -CU-形成微指令 執(zhí)行周期 0002 R1 將0002直接送至寄存器R1; Ad(CMDR)-CMAR

23、 取指令程序入口地址-CMAR ADD R0，R1這條指令的微程序如下 取指周期： PC - MAR,1 - R Ad(CMDR) -CMAR M(MAR)-MDR,(PC) + 1-PC Ad(CMDR) -CMAR MDR -IR, OP(IR) -CU 執(zhí)行周期： （R0）+(R1) -R0 Ad(CMDR)-CMAR 取指令程序入口地址-CMAR RET這條指令的微程序 取指周期 PC - MAR,1 - R Ad(CMDR) -CMAR M(MAR)-MDR,(PC) + 1-PC Ad(CMDR) -CMAR MDR -IR, OP(IR) -CU 執(zhí)行周期： 0 G Ad(CMD

24、R)-CMAR 取指令程序入口地址-CMAR 通過上述這段實現(xiàn)加法運算的小程序可以得出計算機(jī)運行程序的原理，計算機(jī)首先將每一條匯編程序轉(zhuǎn)化成微程序，而每一段微程序都有若干條微指令構(gòu)成，微指令可以直接對硬件進(jìn)行操作。 7、實驗內(nèi)容及實驗過程 71基礎(chǔ)匯編語言程序設(shè)計 7.1.1實驗內(nèi)容 用R命令查看寄存器內(nèi)容或修改寄存器的內(nèi)容。 在命令行提示符狀態(tài)下輸入R R0,用來修改R0寄存器的內(nèi)容。 通過D 2000可以顯示從2000H開始的連續(xù)128個字的內(nèi)容。 通過E 2000可以修改存儲器的內(nèi)容。. 用A命令鍵入一段匯編程序，主要是向累加器送入數(shù)據(jù)和進(jìn)行運算。 用U命令反匯編剛輸入的程序。 用G命令

25、運行剛輸入的程序。 用P或T命令單步執(zhí)行剛鍵入的程序 7.1.2實驗過程 1. 準(zhǔn)備一臺串口工作良好的PC機(jī)； 2. 將TEC-XP實驗箱與PC機(jī)通過串口COM1或者COM2連接，并且將實驗系統(tǒng)左下方的五個黑色的控制機(jī)器運行狀態(tài)的開關(guān)置成00110（連續(xù)、內(nèi)存讀指令、組合邏輯、聯(lián)機(jī)、16位），并打開電源； 3. 在PC機(jī)C盤目錄下tec-xp目錄下找到PCEC16.EXE文件并運行，根據(jù)連接的PC機(jī)串口設(shè)置聯(lián)機(jī)工作，直至主機(jī)顯示如下： TEC-2000 CRT MONITOR Version 1.0 April 2001 Computer Architectur Lab. ， Tsinghua

26、 University Programmed by He Jia 即為聯(lián)機(jī)成功； 4. 聯(lián)機(jī)成功后進(jìn)行試驗內(nèi)容。 72脫機(jī)運算器實驗 7.2.1實驗過程 1. 將教學(xué)機(jī)左下方的5個撥動開關(guān)置為1XX00（單步、16位、脫機(jī)）；先按一下“RESET”按鍵，再按一下“START”按鍵，進(jìn)行初始化； 2. 按下表所列的操作在機(jī)器上進(jìn)行運算器脫機(jī)實驗，將結(jié)果填入表中：其中D1取為0101H，D2取為1010H；通過兩個十二位的紅色微型開關(guān)向運算器提供控制信號，通過16位數(shù)據(jù)開關(guān)向運算器提供數(shù)據(jù)，通過指示燈觀察運算結(jié)果及狀態(tài)標(biāo)志。 表1.脫機(jī)運算器實驗結(jié)果 I8I0 SST SSH SCi B A 壓S

27、TART前 壓START運算 后 ALU ALU CZVS CZVS 輸出輸出 0000 *D1+0-R0 011000111 001 0101 00 00 0101 0000 0000 不用 0001 00 001 1010 0000 *D2+0-R1 1010 0000 011000111 00 不用 R0+R1-R0 011000001 001 00 00 0000 0001 1111 0000 2121 0000 1000 01 0000 F0F1 0000 0001 R0-R1-R0 011001001 0101 001 00 1000 01 0E0E 0000 R1-R0-R1 0

28、11001001 1000 001 0F0F 00 0001 1010 00 011011001 0001 0F0F 001 0F0F 0000 00 1000 R1-R0R01010 0101 00 001 0000 0001 00 011100001 1010 0101 R1-R0R01000 0E0E 001 R0R1-R0 00 1010 011110001 0101 00 0000 0001 1001 FEFE 00 0001 011111001 00 1000 0E0E 001 0000 (R0R1)-R0 ?0001 0000 00 FEFE 00 2*R0-R0 001 FDF

29、C 1001 111000011 不用0001 00 00 001 7EFE 101000011 0000 0001 R0/2-R0 FDFC 不用 73組合邏輯控制器實驗 7.3.1實驗內(nèi)容 1. 完成控制器部件的教學(xué)實驗，主要內(nèi)容是有學(xué)生自己設(shè)計幾條指令的功能、格式和執(zhí)行流程，并在教學(xué)計算機(jī)上實現(xiàn)、調(diào)試正確。 2. 首先是看懂TEC-XP教學(xué)計算機(jī)的功能部件組成和線路邏輯關(guān)系，然后分析教學(xué)計算機(jī)中已經(jīng)設(shè)計好并正常運行的幾條指令（例如，ADD、SHR、OUT、MVRD、JRC、CALA、RET等指令）的功能、格式和執(zhí)行流程。 3. 設(shè)計幾條指令的功能、格式和執(zhí)行流程，并在教學(xué)計算機(jī)上實現(xiàn)、調(diào)

30、試正確。例如ADC、JRS、JRNS、LDRA、STOR、JMPR等指令，可以從TEC-XP教學(xué)計算機(jī)系統(tǒng)技術(shù)說明與實驗知道第二章給出的19條擴(kuò)展指令中任意選擇，當(dāng)然也可以設(shè)計與實現(xiàn)其它的指令，包括原來己程序的基礎(chǔ)上按照ABEL語言的要求添加 新指令的控制信號，編譯產(chǎn)生JED文件并下載到MACH芯片里。軟件的使用和下載參見附錄。 4. 單條運行指令，查看指令的功能、格式和執(zhí)行流程。 現(xiàn)將教學(xué)計算機(jī)左下方的5個撥動開關(guān)置為11110，再按一下“RESET”按鍵，然后通過16位的數(shù)據(jù)開關(guān)（SWH、SWL）置入指令，按“START”按鍵單步送脈沖，通過指示燈觀察控制信號的變化。 5. 用控制程序的A

31、、E（擴(kuò)展指令必須用E命令置入）命令編寫一段小程序，觀察運行結(jié)果。 實驗是將教學(xué)機(jī)左下方的5個撥動開關(guān)置為00110，運行編寫的小程序。觀察終端顯示的結(jié)果，檢驗設(shè)計的指令是否正確。若與預(yù)定結(jié)果不符，可查看指令的功能、格式、執(zhí)行、流程設(shè)計的是否正確。 7.3.2實驗過程 1. 接通教學(xué)機(jī)電源； 2. 將教學(xué)機(jī)左下方的5個撥動開關(guān)置為11110（單步、手動指令、組合、16位、聯(lián)機(jī)）； 3. 按一下“RESET”按鍵； 4. 通過16位的數(shù)據(jù)開關(guān)SWH、SWL置入16位的指令操作碼； 5. 在單步方式下，通過指示燈觀察各類基本指令的節(jié)拍。 選擇基本指令的A組指令中的ADD指令，觀察其節(jié)拍流程； 單步

32、方式下，通過指示燈觀察各類基本指令的控制信號。6. 1）選擇基本指令的A組指令中的SHR指令，觀察期執(zhí)行過程中控制信號的變化，分析其作用。 2）選擇基本指令的B組指令中的JMPA指令，觀察其執(zhí)行過程中信號的變化，分析其作用。 74存儲器實驗 7.4.1實驗內(nèi)容 1 要完成存儲器容量擴(kuò)展的教學(xué)實驗，需為擴(kuò)展存儲器選擇一個地址，并注意讀寫和OE控制信號的正確狀態(tài)； 2 用監(jiān)控程序的D、E命令對存儲器進(jìn)行讀寫，比較RAM（6116）EEPROM（28系列芯片）EPROM（27系列芯片）在讀寫上的異同； 3 用監(jiān)控程序的命令編寫一段程序，對RAM（6116）進(jìn)行讀寫，用D命令查看結(jié)果是否正確； 4 用

33、監(jiān)控程序的A命令編寫一段程序，對擴(kuò)展存儲器EEPROM（28系列芯片）進(jìn)行讀寫，用D命令查看結(jié)果是否正確；如不正確，分析原因，改寫程序，重新運行。 7.4.2實驗過程 1.檢查FPGA下方的插針要按下列要求短接：標(biāo)有“/MWR”“RD”的插針左邊兩個短接，標(biāo)有“ /MRD” “GND”的插針右邊兩個短接，標(biāo)有ROMLCS和RAMLCS的插針短接。 2RAM（6116）讀寫實驗 1簡單指令測試： （1）用E命令改變內(nèi)存單元的值并用D命令觀察結(jié)果。 D命令改變內(nèi)存單元的值并用命令觀察結(jié)果圖1-1. E分析：可以看到相應(yīng)內(nèi)存單元已被修改為指定的值 （2） 并用D命令觀察結(jié)果。 D命令觀察結(jié)果1-2.

34、 E圖命令改變內(nèi)存單元的值并用分析：可以顯示子指定內(nèi)存單元地址開始128個內(nèi)存單元的值，這里只截取了一部分以求簡練。 斷電后重啟內(nèi)存單元的值已經(jīng)改變 ）3（ 1-3.斷電后的查詢結(jié)果圖芯片在斷電重啟后原先寫入的程序都會丟失，需分析結(jié)果：從輸入輸出結(jié)果可以看出，RAM 要每次重新執(zhí)行輸入寫入程序的過程。2用A命令輸入一段程序，執(zhí)行并觀察結(jié)果。截屏如下： 命令執(zhí)行結(jié)果圖2-1.A分析： 第一次單步調(diào)試，R0的值變?yōu)锳AAAH，其余寄存器的值不變 第二次但不調(diào)試，R1的值變?yōu)?555H，其余寄存器的值不變 第三次單步調(diào)試，R0的值變?yōu)?000H，其余寄存器的值不變 2-2.A命令執(zhí)行結(jié)果續(xù)圖3 EP

35、ROM芯片實驗。 將芯片0000001F的內(nèi)存單元的值置為01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F 10 11 12 。截屏如下：13 14 15 16 17 18 19 1A 1B 1C 1D 1E 1F 3-1.擦除芯片內(nèi)容圖斷電重啟后的實驗結(jié)果如下： 斷電重啟后的實驗結(jié)果圖3-2.分析：由圖可知斷電后重啟，內(nèi)存數(shù)值沒變。 4 58C65芯片擴(kuò)展EEPROM實驗。 （1）、用E命令改變內(nèi)存單元的值并用D命令觀察結(jié)果。截屏如下： D命令改變內(nèi)存單元的值并用命令觀察結(jié)果4-1. 圖用E 修改內(nèi)存單元程序代碼圖4-2 內(nèi)存單元值修改效果演示4-3圖

36、分析：有上述結(jié)果可以知道從5000H開始的內(nèi)存值被程序修改，同時運行時可以看到程序有延遲，這是由于地址為2200開始的子程序代碼決定的，當(dāng)將子程序中R3的內(nèi)容修改為00FF后運行結(jié)果仍正確，但延遲時間有變化。 75微程序控制器實驗 7.5.1實驗內(nèi)容 1. 實驗之前，應(yīng)認(rèn)真準(zhǔn)備，寫出實驗步驟和具體設(shè)計內(nèi)容，否則實驗效率會特別低，一次實驗時間根本無法完成實驗任務(wù)，即使基本做對了，也很難說學(xué)懂了什么重要教學(xué)內(nèi)容； 2. 應(yīng)在實驗前掌握所有控制信號的作用，在脫機(jī)運算器實驗中，已給出了與運算器有關(guān)的控制信號的作用，16位機(jī)微程序控制器用到的控制信號的功能表可參見TEC-XP教學(xué)計算機(jī)系統(tǒng)技術(shù)說明與實驗指導(dǎo)第三章的控制器部件和運算器部件的相關(guān)內(nèi)容。需要注意的是中端用到了DC23，在T4T0=00010一拍時DC23為1，其余節(jié)拍均為0； 3.