組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

1、計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 - -第一部分 el-jy-計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹 el-jy-型計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是為計(jì)算機(jī)組成原理課的教學(xué)實(shí)驗(yàn)而研制的，涵蓋了目前流行教材的主要內(nèi)容，能完成主要的基本部件實(shí)驗(yàn)和整機(jī)實(shí)驗(yàn)，可供大學(xué)本科、?？?、成人高校以及各類中等專業(yè)學(xué)校學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理、微機(jī)原理和計(jì)算機(jī)組成和結(jié)構(gòu)等課程提供基本的實(shí)驗(yàn)條件，同時(shí)也可供計(jì)算機(jī)其它課程的教學(xué)和培訓(xùn)使用。一、基本特點(diǎn)：1、 本系統(tǒng)采用了新穎開放的電路結(jié)構(gòu)：（1）、在系統(tǒng)的總體構(gòu)造形式上，采用“基板+ cpu板”的形式，將系統(tǒng)的公共部分，如數(shù)據(jù)的輸入、輸出、顯示單片機(jī)控制及與pc機(jī)通訊等電路放置在基板上，它兼容8位機(jī)

2、和16位機(jī)，將微程序控制器、運(yùn)算器、各種寄存器、譯碼器等電路放在cpu板上，而cpu板分為兩種：8位和16位，它們都與基板兼容，同一套系統(tǒng)通過更換不同的cpu板即可完成8位機(jī)或16位機(jī)的實(shí)驗(yàn)，用戶可根據(jù)需要分別選用8位的cpu板來構(gòu)成8位計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)或選用16位的cpu板來構(gòu)成16位計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；也可同時(shí)選用8位和16位的cpu板，這樣就可用比一套略多的費(fèi)用而擁有兩套計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，且使用時(shí)僅需更換cpu板，而不需做任何其它的變動(dòng)或連接，使用十分方便。（2）、本系統(tǒng)提供有面包板和cpld實(shí)驗(yàn)板（可選），學(xué)生能自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，達(dá)到開拓思維，提高創(chuàng)新和設(shè)計(jì)能力的目的。 2、 本系統(tǒng)上安裝有6

3、3個(gè)撥動(dòng)開關(guān)、4個(gè)按鈕開關(guān)和65個(gè)發(fā)光二極管，既可在單片機(jī)的控制下進(jìn)行編程和顯示，完成實(shí)驗(yàn)，也可與pc機(jī)聯(lián)機(jī)使用，可在pc機(jī)上進(jìn)行編程、傳送、裝載程序、調(diào)試和運(yùn)行等操作；還可以手動(dòng)的方式完成全部的實(shí)驗(yàn)，并具備單步執(zhí)行一條微指令、單步執(zhí)行一條機(jī)器指令、連續(xù)運(yùn)行程序、聯(lián)機(jī)打印等功能，幾種操作方式可按需要任意選擇一種使用，切換方便。3、 控制器采用微程序方案，支持動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)，微程序指令的格式及定義均可由用戶自行設(shè)計(jì)并裝入由eeprom構(gòu)成的控存中。4、 在顯示功能上，采用了紅、黃、綠三種顏色的指示燈以及數(shù)碼管多種形式的顯示方法，使整個(gè)系統(tǒng)更加美觀大方。 二、系統(tǒng)組成： 本系統(tǒng)由兩大部分組成： 1

4、、基板： 本部分是8位機(jī)和16位機(jī)的公共部分，包括以下幾個(gè)部分： 1）數(shù)據(jù)輸入和輸出電路 2）顯示及監(jiān)控電路 3）脈沖源及時(shí)序電路 4）數(shù)據(jù)和地址總線 5）8255擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)電路 6）單片機(jī)控制電路和鍵盤操作部分 7）與pc機(jī)通訊的接口電路 8）主存儲(chǔ)器電路 9）微代碼輸入及顯示電路 9）電源電路 10）cpld實(shí)驗(yàn)板（選件） 11）自由實(shí)驗(yàn)區(qū)（面包板） 2cpu板： 本cpu板為16位機(jī)，其數(shù)據(jù)總線為16位，地址總線為8位，包括以下幾個(gè)部分： 1） 運(yùn)算器電路 2）微程序控制器電路 3） 寄存器堆電路 4） 程序計(jì)數(shù)器電路 5） 指令寄存器電路 6） 指令譯碼電路 7） 地址寄存器電路 8）

5、數(shù)據(jù)和控制總線電路 其中，運(yùn)算器電路中的累加器電路由74ls181及其外圍電路組成，此外所有的其它電路都由altera公司的fpga ep1k10實(shí)現(xiàn)。板上的jtag口、芯片epc2lc20、跳線j1j6用于配置ep1k10。當(dāng)跳線j1j6均跳至epc2 off時(shí)，可通過jtag口直接配置ep1k10，但斷電后需重新配置。當(dāng)跳線j1j6均跳至epc2 on時(shí)，通過epc2lc20來配置ep1k10。系統(tǒng)出廠時(shí)，已將配置文件燒錄進(jìn)epc2lc20。由于epc2lc20為非易失性器件，故每次上電時(shí)可自動(dòng)配置ep1k10，無需重新燒錄。三、16位cpu板原理說明（1） 運(yùn)算器電路 運(yùn)算器電路包括累家

6、器電路和移位寄存起電路。其中累加器電路由4片74ls273和4片74ls181組成，其原理如下： 其控制邏輯由ep1k10內(nèi)部產(chǎn)生，其原理如下： 累加器電路的外部接口有：ldr1、ldr2、alu_g、ar、s3s0 m cn，其功能見實(shí)驗(yàn)一。cy為進(jìn)位單元，對(duì)應(yīng)于cy指示燈。 移位寄存器由ep1k10實(shí)現(xiàn)，其框圖如下： t4為移位時(shí)鐘，m、s0、s1為功能選擇（見實(shí)驗(yàn)二），g_299為輸出控制，低電平時(shí)將寄存器的值送上數(shù)據(jù)總線。cy為進(jìn)位單元，對(duì)應(yīng)于z指示燈。datal、datah接至數(shù)據(jù)總線。（2）微程序控制電路 微程序控制電路電路中，由三片2816作為24位微程序存儲(chǔ)器，ep1k10產(chǎn)生

7、控制邏輯。開關(guān)k1、k2、k3的不同組合控制微程序的讀、寫和運(yùn)行，六個(gè)黃色led為微地址指示燈。微控器原理如下圖。以微程序的運(yùn)行為例：在t2時(shí)刻，將ms24ms1的24位微程序打入微指令寄存器，然后由譯碼電路對(duì)ms24ms7進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生地址寄存器、指令寄存器等等電路的控制信號(hào)。ms6ms1指示下一個(gè)微地址，在t3時(shí)刻，由機(jī)器指令譯碼器產(chǎn)生的強(qiáng)制微地址信號(hào)對(duì)ms6ms1微地址的某幾位強(qiáng)行置位，形成下一個(gè)微地址輸出。微控器的外部接口有：uaj1、ldro1、ldro2、alu_gout、g_299out、arout、status 、ao1、bo1、weo、wei、lari。在讀、寫微程序時(shí)，ua

8、j1用于從外部輸入微地址；ldro1、ldro2、alu_gout、g_299out、arout、status為運(yùn)算器電路的控制信號(hào)，只要將它們接至運(yùn)算器電路相應(yīng)的接口上（status接s3s1mcn）就能實(shí)現(xiàn)微程序?qū)\(yùn)算器的控制。ao1、bo1通常接至底板i/o控制電路的1a1b上，用于外部i/o設(shè)備的選通控制。weo為微控器的讀寫輸出，wei為外部讀寫控制電路的輸入，控制總線上的wr為外部讀寫控制電路的輸出，其控制電路為： 通常將weo與wei相連，實(shí)現(xiàn)微程序?qū)ν獠孔x寫的控制。lari為地址控制器的輸入，以下另作介紹。除此以外其他控制信號(hào)都已接至相應(yīng)的控制電路。 （3）程序計(jì)數(shù)器、地址寄存

9、器電路 程序計(jì)數(shù)器和地址寄存器電路由ep1k10實(shí)現(xiàn)，其原理如下圖所示。其中l(wèi)oad、lpc、lar、pc_g均為微程序譯碼產(chǎn)生的控制信號(hào)；t3、t4為時(shí)鐘，lari為外部輸入接口，clr由底板上的clr開關(guān)提供。ldata為數(shù)據(jù)總線低8位，al為8位地址總線。地址寄存器原理為：如pc_g=0，在clk上升沿鎖存dati1；如pc_g=1，則在clk上升沿鎖存dati2。（4）寄存器堆、指令寄存器電路寄存器堆和指令寄存器電路由ep1k10實(shí)現(xiàn)，其原理如下圖所示。其中l(wèi)dir為微程序譯碼產(chǎn)生的控制信號(hào)，t4為時(shí)鐘，lr、rg為機(jī)器指令譯碼產(chǎn)生的控制信號(hào)。clki的上升沿將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)打入寄存器

10、ri，oei為低電平時(shí)將寄存器ri的數(shù)送上數(shù)據(jù)總線。hdata和ldata分別為高8位和低8位數(shù)據(jù)總線。clr由底板上的clr開關(guān)提供。（5）指令譯碼器電路 指令譯碼器電路由ep1k10實(shí)現(xiàn)，其原理如下圖所示。其中p1、p2、p3、p4、lri、rag、rbg、rcg為微程序譯碼產(chǎn)生的控制信號(hào)，t3為時(shí)鐘，i7i0為指令寄存器的輸出ir，ca1、ca2為機(jī)器指令的讀、寫、運(yùn)行的控制端，已分別接至控制總線的e4和e5。sa4sa0為強(qiáng)制微地址信號(hào)，輸出至微控制器電路；ldr2ldr0輸出至寄存器堆電路的lr，r0b、r1b、r2b輸出至寄存器堆電路的rg。（6）數(shù)據(jù)、地址和控制總線電路 cpu板

11、上的16個(gè)綠色指示燈d15d0對(duì)應(yīng)于16位數(shù)據(jù)總線，8個(gè)黃色指示燈對(duì)應(yīng)于8位地址總線?？刂瓶偩€上的信號(hào)除wr外均由底板的cpu產(chǎn)生。四、底板使用說明底板的系統(tǒng)布局如下圖所示。其中控制開關(guān)電路用于開關(guān)方式下各種控制信號(hào)的輸入；鍵盤及監(jiān)控顯示燈用于鍵盤方式下的實(shí)驗(yàn)；24位微代碼輸入及顯示電路用于讀寫微程序。脈沖源及時(shí)序電路用于開關(guān)方式下產(chǎn)生時(shí)序信號(hào)；fin為時(shí)鐘輸入，可接至任何一個(gè)脈沖源輸出；按下“單脈沖”鍵時(shí)，t+、t-端分別產(chǎn)生一個(gè)正脈沖、一個(gè)負(fù)脈沖；按下“單步”鍵時(shí)，t1、t2、t3、t4端依次產(chǎn)生一個(gè)正脈沖，用于程序的單步運(yùn)行；按下“啟動(dòng)”鍵時(shí)，t1、t2、t3、t4端依次產(chǎn)生連續(xù)的正脈沖

12、，用于程序的全速運(yùn)行；按下“停止”鍵時(shí)，t1、t2、t3、t4端不產(chǎn)生脈沖，用于中止程序運(yùn)行。另外數(shù)據(jù)輸入和輸出電路、8255接口電路、i/o控制電路、主存儲(chǔ)器電路其數(shù)據(jù)、地址和控制線均通過單排插針引出。數(shù)據(jù)輸入電路中，dij2為高8位數(shù)據(jù)，dij1為低8數(shù)據(jù)，當(dāng)dijg位低電平時(shí)，dij2、dij1輸出16位開關(guān)量數(shù)據(jù)，否則為高阻態(tài)；輸出顯示電路中，高8位數(shù)據(jù)通過左邊兩個(gè)數(shù)碼管顯示，低8位數(shù)據(jù)通過右邊兩個(gè)數(shù)碼管顯示，只有當(dāng)w/r、d-g均為低電平時(shí)，才將d15d0的數(shù)據(jù)送數(shù)碼管顯示；i/o控制電路中，輸入輸出的關(guān)系見下表：輸 入輸 出1a1by0y1y2y3000111101011011101111110底板上的數(shù)據(jù)總線bd15bd0和cpu板上的數(shù)據(jù)線相連，地址總線ad7ad0和cpu板上的地址線相連。五、參考實(shí)驗(yàn)： 1運(yùn)算器實(shí)驗(yàn) 2移位控制實(shí)驗(yàn) 3存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn) 4微程序控制器實(shí)驗(yàn) 5微程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 6基本實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)組成