計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教程

1、計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教程 山西大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院 2015年8月實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件布局圖實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1、根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求接線。由于實(shí)驗(yàn)箱中配備的排線只有2口、4口、6口和8口四種，當(dāng)需要用1口、3口線時(shí)，可用2口、4口替代，但要注意連線兩端的顏色一定要對(duì)應(yīng)。2、接好線路并檢查無誤后，再打開實(shí)驗(yàn)箱的電源。3、插線、拔線前一定要關(guān)閉電源，不要帶電操作。4、電源關(guān)閉后，不能立即重啟，至少間隔30秒。5、使用前后仔細(xì)檢查主機(jī)板，防止導(dǎo)線、元件等物品落入導(dǎo)致線路短路、元件損壞。6、實(shí)驗(yàn)分組第一次確定后，即固定不變。7、實(shí)驗(yàn)結(jié)束后收好線，關(guān)閉電源，清理桌面，將椅子擺放整齊。實(shí)驗(yàn)一 基本運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

2、(1) 了解運(yùn)算器的組成結(jié)構(gòu)。(2) 掌握運(yùn)算器的工作原理。1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備PC 機(jī)一臺(tái)，TD-CMA 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一套。1.3 實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)的原理如圖 1-1 所示。 運(yùn)算器內(nèi)部含有三個(gè)獨(dú)立運(yùn)算部件，分別為算術(shù)、邏輯和移位運(yùn)算部件，要處理的數(shù)據(jù)存于暫存器 A 和暫存器 B，三個(gè)部件同時(shí)接受來自 A 和 B 的數(shù)據(jù)，各部件對(duì)操作數(shù)進(jìn)行何種運(yùn)算由控制信號(hào) S3S0 和 CN 來決定，任何時(shí)候，多路選擇開關(guān)只選擇三部件中一個(gè)部件的結(jié)果作為 ALU 的輸出。如 果是影響進(jìn)位的運(yùn)算，還將置進(jìn)位標(biāo)志 FC，在運(yùn)算結(jié)果輸出前，置 ALU 零標(biāo)志。ALU 中所有模塊集成在一片 CPLD 中。圖 1-1 運(yùn)算器

3、原理圖運(yùn)算器部件由一片 CPLD 實(shí)現(xiàn)。ALU 的輸入和輸出通過三態(tài)門 74LS245 連到 CPU 內(nèi)總線 上，另外還有指示燈標(biāo)明進(jìn)位標(biāo)志 FC 和零標(biāo)志 FZ。請(qǐng)注意：實(shí)驗(yàn)箱上凡絲印標(biāo)注有馬蹄形標(biāo) 記，表示這兩根排針之間是連通的。圖中除 T4 和 CLR，其余信號(hào)均來自于 ALU 單元 的排線座，實(shí)驗(yàn)箱中所有單元的 T1、T2、T3、T4 都連接至控制總線單元的 T1、T2、T3、T4，CLR 都連接至 CON 單元的 CLR 按鈕。T4 由時(shí)序單元的 TS4 提供 ，其余控制信號(hào)均由 CON 單元的二進(jìn)制數(shù)據(jù)開關(guān)模擬給出?？刂菩盘?hào)中除 T4 為脈沖信號(hào)外，其余均為電平信號(hào)，其中 ALU_

4、B 為低有效，其余為高有效。暫存器 A 和暫存器 B 的數(shù)據(jù)能在 LED 燈上實(shí)時(shí)顯示，原理如圖 1-2 所示（以A0 為例，其它相同）。進(jìn)位標(biāo)志 FC、零標(biāo)志 FZ 和數(shù)據(jù)總線 D7D0 的顯示原理也是如此。1KVCC A0圖1-2 A0顯示原理圖ALU 和外圍電路的連接如圖 1-3 所示，圖中的小方框代表排針座。運(yùn)算器的邏輯功能表如表 1-1 所示，其中 S3 S2 S1 S0 CN 為控制信號(hào)，F(xiàn)C 為進(jìn)位標(biāo)志，F(xiàn)Z 為運(yùn)算器零標(biāo)志，表中功能欄內(nèi)的 FC、FZ 表示當(dāng)前運(yùn)算會(huì)影響到該標(biāo)志。圖 1-3 ALU 和外圍電路連接原理圖表 1-1 運(yùn)算器邏輯功能表（表中“X”為任意態(tài)，下同）運(yùn)算

5、類型S3 S2 S1 S0CN功 能邏輯運(yùn)算0000XF=A（直通）0001XF=B（直通）0010XF=AB（FZ）0011XF=A+B（FZ）0100XF= A'（FZ）移位運(yùn)算0101XF=A 不帶進(jìn)位循環(huán)右移 B（取低 3 位）位（FZ）01100F=A 邏輯右移一位（FZ）1F=A 帶進(jìn)位循環(huán)右移一位（FC，F(xiàn)Z）01110F=A 邏輯左移一位（FZ）1F=A 帶進(jìn)位循環(huán)左移一位（FC，F(xiàn)Z）算術(shù)運(yùn)算1000X置 FC=CN（FC）1001XF=A 加 B（FC，F(xiàn)Z）1010XF=A 加 B 加 FC（FC，F(xiàn)Z）1011XF=A 減 B（FC，F(xiàn)Z）1100XF=A 減

6、1（FC，F(xiàn)Z）1101XF=A 加 1（FC，F(xiàn)Z）1110X（保留）1111X（保留）1.4 實(shí)驗(yàn)步驟(1) 按圖 1-4 連接實(shí)驗(yàn)電路，并檢查無誤。圖中將用戶需要連接的信號(hào)用圓圈標(biāo)明（其它實(shí)驗(yàn)相同）。圖 1-4 實(shí)驗(yàn)接線圖(2) 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān) KK2 置為單拍檔，開關(guān) KK1、KK3 置為運(yùn)行檔。 (3) 打開電源開關(guān)，如果聽到有嘀報(bào)警聲，說明有總線競爭現(xiàn)象，應(yīng)立即關(guān)閉電源，重新檢查接線，直到錯(cuò)誤排除。然后按動(dòng) CON 單元的 CLR 按鈕，將運(yùn)算器的 A、B 和 FC、FZ 清零。(4) 用輸入開關(guān)向暫存器 A 置數(shù)。 撥動(dòng) CON 單元的 SD27SD20 數(shù)據(jù)開關(guān)，形成

7、用戶指定的二進(jìn)制數(shù)，數(shù)據(jù)顯示亮為1，滅為0。 置 LDA=1，LDB=0，連續(xù)按動(dòng)時(shí)序單元的ST按鈕，產(chǎn)生一個(gè)T4上升沿，則將二進(jìn)制數(shù)置入暫存器 A 中，暫存器 A 的值通過 ALU 單元的 A7A0 八位 LED 燈顯示。(5) 用輸入開關(guān)向暫存器 B 置數(shù)。 撥動(dòng) CON 單元的 SD27SD20 數(shù)據(jù)開關(guān)，形成另外一個(gè)二進(jìn)制數(shù)。 置 LDA=0，LDB=1，連續(xù)按動(dòng)時(shí)序單元的 ST 按鈕，產(chǎn)生一個(gè)T4上升沿，則將二進(jìn)制數(shù)置入暫存器 B 中，暫存器 B 的值通過 ALU 單元的 B7B0 八位 LED 燈顯示。(6) 改變運(yùn)算器的功能設(shè)置，觀察運(yùn)算器的輸出。置 ALU_B=0、LDA=0、

8、LDB=0，然后按表 1-1 置 S3、S2、S1、S0 和 Cn 的數(shù)值，并觀察數(shù)據(jù)總線 LED 顯示燈顯示的結(jié)果。如置 S3、S2、S1、 S0 為 0010，運(yùn)算器作邏輯與運(yùn)算，置 S3、S2、S1、S0 為 1001，運(yùn)算器作加法運(yùn)算。如果實(shí)驗(yàn)箱和 PC 聯(lián)機(jī)操作，則可通過軟件中的數(shù)據(jù)通路圖來觀測實(shí)驗(yàn)結(jié)果，方法是：打開軟件，選擇聯(lián)機(jī)軟件的“【實(shí)驗(yàn)】【運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)】”，打開運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)通路圖，如圖 1-5 所示。進(jìn)行上面的手動(dòng)操作，每按動(dòng)一次 ST 按鈕，數(shù)據(jù)通路圖會(huì)有數(shù)據(jù)的流動(dòng)，反映當(dāng)前運(yùn)算器所做的操作，或在軟件中選擇“【調(diào)試】【單節(jié)拍】”，其作用相當(dāng)于將時(shí)序單元的狀態(tài)開關(guān) KK2

9、置為單拍檔后按動(dòng)了一次 ST 按鈕，數(shù)據(jù)通路圖也會(huì)反映當(dāng)前運(yùn)算器所做的操作。重復(fù)上述操作，并完成表 1-2。然后改變 A、B 的值，驗(yàn)證 FC、FZ 的鎖存功能。圖 1-5 數(shù)據(jù)通路表 1-2 運(yùn)算結(jié)果表AB運(yùn)算類型S3 S2 S1 S0CN結(jié)果邏輯運(yùn)算0 0 0 0XF=( ) FC=( ) FZ=( )0 0 0 1XF=( ) FC=( ) FZ=( )0 0 1 0XF=( ) FC=( ) FZ=( )0 0 1 1XF=( ) FC=( ) FZ=( )0 1 0 0XF=( ) FC=( ) FZ=( )移位運(yùn)算0 1 0 1XF=( ) FC=( ) FZ=( )0 1 1 0

10、0F=( ) FC=( ) FZ=( )1F=( ) FC=( ) FZ=( )0 1 1 10F=( ) FC=( ) FZ=( )1F=( ) FC=( ) FZ=( )算術(shù)運(yùn)算1 0 0 0XF=( ) FC=( ) FZ=( )1 0 0 1XF=( ) FC=( ) FZ=( )1 0 1 0（FC=0）XF=( ) FC=( ) FZ=( )1 0 1 0（FC=1）XF=( ) FC=( ) FZ=( )1 0 1 1XF=( ) FC=( ) FZ=( )1 1 0 0XF=( ) FC=( ) FZ=( )1 1 0 1XF=( ) FC=( ) FZ=( )實(shí)驗(yàn)二 靜態(tài)隨機(jī)

11、存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆侦o態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM 工作特性及數(shù)據(jù)的讀寫方法。2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備PC 機(jī)一臺(tái)，TD-CMA 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一套。2.3 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)所用的靜態(tài)存儲(chǔ)器由一片 6116（2K×8bit）構(gòu)成（位于 MEM 單元），如圖 2-1 所示。6116 有三個(gè)控制線：CS（片選線）、OE（讀線）、WE（寫線），其功能如表 2-1 所示。當(dāng)片選有效（CS=0）時(shí)，OE=0 時(shí)進(jìn)行讀操作，WE=0 時(shí)進(jìn)行寫操作，本實(shí)驗(yàn)將 CS 常接地。圖 2-1 SRAM6116引腳圖由于存儲(chǔ)器（MEM）最終是掛接到 CPU 上，所以其還需要一個(gè)讀寫控制邏輯，使得 CPU 能控制 MEM 的

12、讀寫，實(shí)驗(yàn)中的讀寫控制邏輯如圖 2-2 所示，由于T3的參與，可以保證 MEM的寫脈寬與T3一致，T3 由時(shí)序單元的TS3給出。IOM用來選擇是對(duì)I/O還是對(duì)MEM進(jìn)行讀寫操作，RD=1時(shí)為讀，WR=1時(shí)為寫。表 2-1 SRAM6116功能表CS´ WE´ OE´功 能1000×100×010不選擇讀 寫 寫圖 2-2 讀寫控制邏輯實(shí)驗(yàn)原理圖如圖 2-3 所示，存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)線接至數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)總線上接有8個(gè) LED 燈顯示 D7D0 的內(nèi)容。地址線接至地址總線，地址總線上接有 8 個(gè) LED 燈顯示 A7A0 的內(nèi)容，地址由地址鎖存器（74LS

13、273，位于PC&AR單元）給出。數(shù)據(jù)開關(guān)（位于IN單元）經(jīng)一個(gè)三態(tài)門（74LS245）連至數(shù)據(jù)總線，分時(shí)給出地址和數(shù)據(jù)。地址寄存器為8位，接入6116的地址 A7A0，6116 的高三位地址 A10A8 接地，所以其實(shí)際容量為 256 字節(jié)。圖 2-3 存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)原理圖實(shí)驗(yàn)箱中所有單元的時(shí)序都連接至?xí)r序與操作臺(tái)單元，CLR都連接至 CON單元的CLR按 鈕。實(shí)驗(yàn)時(shí) T3 由時(shí)序單元給出，其余信號(hào)由 CON 單元的二進(jìn)制開關(guān)模擬給出，其中 IOM 應(yīng)為 低（即 MEM 操作），RD、WR 高有效，MR 和 MW 低有效，LDAR 高有效。2.4 實(shí)驗(yàn)步驟(1) 關(guān)閉實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電源，按圖

14、2-4 連接實(shí)驗(yàn)電路，并檢查無誤，圖中將用戶需要連接的信 號(hào)用圓圈標(biāo)明。圖 2-4 實(shí)驗(yàn)接線圖(2) 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān) KK1、KK3 置為運(yùn)行檔、開關(guān) KK2 置為單步檔。(3) 將 CON 單元的 IOR 開關(guān)置為 1（使 IN 單元無輸出），打開電源開關(guān)，如果聽到有嘀 報(bào)警聲，說明有總線競爭現(xiàn)象，應(yīng)立即關(guān)閉電源，重新檢查接線，直到錯(cuò)誤排除。(4) 給存儲(chǔ)器的 00H、01H、02H、03H、04H 地址單元中分別寫入數(shù)據(jù) 11H、12H、13H、14H、15H。由前面的存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)原理圖2-3可以看出，由于數(shù)據(jù)和地址由同一個(gè)數(shù)據(jù)開關(guān)給出，因此數(shù)據(jù)和地址要分時(shí)寫入，先寫地址，具體操作

15、步驟為：先關(guān)掉存儲(chǔ)器的讀寫（WR=0，RD=0），數(shù)據(jù)開關(guān)輸出地址（IOR=0），然后打開地址寄存器門控信號(hào)（LDAR=1）， 按動(dòng) ST 產(chǎn)生 T3 脈沖，即將地址打入到 AR 中。再寫數(shù)據(jù)，具體操作步驟為：先關(guān)掉存儲(chǔ)器的 讀寫（WR=0，RD=0）和地址寄存器門控信號(hào)（LDAR=0），數(shù)據(jù)開關(guān)輸出要寫入的數(shù)據(jù)，打開 輸入三態(tài)門（IOR=0），然后使存儲(chǔ)器處于寫狀態(tài)（WR=1，RD=0，IOM=0），按動(dòng) ST 產(chǎn)生 T3 脈沖，即將數(shù)據(jù)打入到存儲(chǔ)器中。寫存儲(chǔ)器的流程如圖 2-5 所示（以向 00 地址單元寫入 11H 為例）：圖 2-5 寫存儲(chǔ)器流程圖(5) 依次讀出第 00、01、02、

16、03、04 號(hào)單元中的內(nèi)容，觀察上述各單元中的內(nèi)容是否與前面寫入的一致。同寫操作類似，也要先給出地址，然后進(jìn)行讀，地址的給出和前面一樣，而在進(jìn)行讀操作時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉 IN 單元的輸出（IOR=1），然后使存儲(chǔ)器處于讀狀態(tài)（WR=0，RD=1，IOM=0），此時(shí)數(shù)據(jù)總線上的數(shù)即為從存儲(chǔ)器當(dāng)前地址中讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容。讀存儲(chǔ)器的流程如圖2-6 所示（以從 00 地址單元讀出 11H 為例）：圖 2-6 讀存儲(chǔ)器流程圖如果實(shí)驗(yàn)箱和PC聯(lián)機(jī)操作，則可通過軟件中的數(shù)據(jù)通路圖來觀測實(shí)驗(yàn)結(jié)果，方法是：打開軟件，選擇聯(lián)機(jī)軟件的“【實(shí)驗(yàn)】【存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)】”，打開存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)通路圖，如圖2-7 所示。進(jìn)行上面的手動(dòng)操

17、作，每按動(dòng)一次ST按鈕，數(shù)據(jù)通路圖會(huì)有數(shù)據(jù)的流動(dòng)，反映當(dāng)前存儲(chǔ)器所做的操作（即使是對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀，也應(yīng)按動(dòng)一次ST按鈕，數(shù)據(jù)通路圖才會(huì)有數(shù)據(jù)流動(dòng)）， 或在軟件中選擇“【調(diào)試】【單周期】”，其作用相當(dāng)于將時(shí)序單元的狀態(tài)開關(guān)置為單步檔后按動(dòng)了一次ST按鈕，數(shù)據(jù)通路圖也會(huì)反映當(dāng)前存儲(chǔ)器所做的操作，借助于數(shù)據(jù)通路圖，仔細(xì)分析 SRAM 的讀寫過程。圖 2-7 數(shù)據(jù)通路圖實(shí)驗(yàn)三 微程序控制器實(shí)驗(yàn)3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 掌握微程序控制器的組成原理。(2) 掌握微程序的編制、寫入，觀察微程序的運(yùn)行過程。3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備PC 機(jī)一臺(tái)，TD-CMA 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一套。3.3 實(shí)驗(yàn)原理微程序控制器的基本任務(wù)是完成當(dāng)前

18、指令的翻譯和執(zhí)行，即將當(dāng)前指令的功能轉(zhuǎn)換成可以控制的硬件邏輯部件工作的微命令序列，完成數(shù)據(jù)傳送和各種處理操作。它的執(zhí)行方法就是將控制各部件動(dòng)作的微命令的集合進(jìn)行編碼，即將微命令的集合仿照機(jī)器指令一樣，用數(shù)字代碼的形式表示，這種表示稱為微指令。這樣就可以用一個(gè)微指令序列表示一條機(jī)器指令，這種微指令序列稱為微程序。微程序存儲(chǔ)在一種專用的存儲(chǔ)器中，稱為控制存儲(chǔ)器，微程序控制器原理 框圖如圖 3-1 所示。指令寄存器IR OP狀態(tài)條件.微地址寄存器地址轉(zhuǎn)移邏輯地址譯碼 微命令信號(hào)P字段控制字段控制存儲(chǔ)器圖 3-1 微程序控制器組成原理框圖控制器是嚴(yán)格按照系統(tǒng)時(shí)序來工作的，因而時(shí)序控制對(duì)于控制器的設(shè)計(jì)是

19、非常重要的，從前面的實(shí)驗(yàn)可以很清楚地了解時(shí)序電路的工作原理，本實(shí)驗(yàn)所用的時(shí)序由時(shí)序單元來提供，分為四拍 TS1、TS2、TS3、TS4。微程序控制器的組成見圖 3-2，其中控制存儲(chǔ)器采用 3 片 2816 的 E2PROM，具有掉電保護(hù)功能，微命令寄存器 18 位，用兩片 8D 觸發(fā)器（273）和一片 4D（175）觸發(fā)器組成。微地址寄存器 6 位，用三片正沿觸發(fā)的雙 D 觸發(fā)器（74）組成，它們帶有清 “0” 端和預(yù)置端。在不判別測試的情況下，T2 時(shí)刻打入微地址寄存器的內(nèi)容即為下一條微指令地址。當(dāng) T4 時(shí)刻進(jìn)行測試判別時(shí)，轉(zhuǎn)移邏輯滿足條件后輸出的負(fù)脈沖通過強(qiáng)置端將某一觸發(fā)器置為 “1”

20、狀態(tài)，完成地址修改。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中設(shè)有一組編程控制開關(guān) KK3、KK4、KK5（位于時(shí)序與操作臺(tái)單元），可實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器（包括存儲(chǔ)器和控制存儲(chǔ)器）的三種操作：編程、校驗(yàn)、運(yùn)行?？紤]到對(duì)于存儲(chǔ)器（包括存儲(chǔ)器和控制存儲(chǔ)器）的操作大多集中在一個(gè)地址連續(xù)的存儲(chǔ)空間中，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了便利的手動(dòng)操作方式。以向 00H 單元中寫入 332211 為例，對(duì)于控制存儲(chǔ)器進(jìn)行編輯的具體操作步驟如下：首先將 KK1 撥至停止檔、KK3 撥至編程檔、KK4 撥至控存檔、KK5 撥至置數(shù)檔，由 CON 單元的 SD05SD00 開關(guān)給出需要編輯的控存單元首地址（000000）， IN 單元開關(guān)給出該控存單元數(shù)據(jù)的低 8 位

21、（00010001），連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān)ST（第一次按動(dòng)計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教程. . .M23INTA WRRD IOMS3S2S1S0LDA LDBLDRiLDSP LOAD LDARLDIRALU_B RS_BRD_BRI_B SP_BPC_BP<1>P<2> P<3>P<4>LDPC STICLIY1Y7Y1 Y6 Y1 Y7MA5.MA0MA5.MA074LS245 GC R C R138 譯碼138 譯碼138 譯碼MA5 MA4 MA3 MA2 MA1 MA0GNDA-DECB-DEC C-DEC微地址顯示燈GND74

22、LS273CLK CLRM1474LS273M9 M8CLK CLRM674LS175 CLK CLRSE0SE1SE2SE3SE4SE5M23-M0微代碼顯示. . . . . . . . . . . .D7 . D02816WEA5 . A0. . .CS OEWED7 . D02816A5 . A0. . .CS OEWED7 . D0山西大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院2816CS A5 . A0 OE. . .74LS245 G. . .74LS245 G. . .74LS245 G. . .MA5.MA0.74LS245 G. . .編程邏輯 T2圖 3-2 微程序控制器原理圖SD27 .

23、 SD20SD17 . SD10SD07 . SD00SA5 . SA0P2.2 P2.1 P2.0單片機(jī)CLRCON單元后MC 單元低 8 位顯示該單元以前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，第二次按動(dòng)后顯示當(dāng)前改動(dòng)的 數(shù)據(jù)），此時(shí) MC 單元的指示燈 MA5MA0 顯示當(dāng)前地址（000000），M7M0 顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)（00010001）。然后將 KK5 撥至加 1檔，IN 單元開關(guān)給出該控存單元數(shù)據(jù)的中 8 位（00100010）， 連續(xù)兩次按動(dòng)開關(guān) ST，完成對(duì)該控存單元中 8 位數(shù)據(jù)的修改，此時(shí) MC 單元的指示燈 MA5MA0 顯示當(dāng)前地址（000000），M15M8 顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)（00100010）；再由

24、 IN 單元開關(guān)給 出該控存單元數(shù)據(jù)的高 8 位（00110011），連續(xù)兩次按動(dòng)開關(guān) ST，完成對(duì)該控存單元高 8 位數(shù)據(jù)的修改此時(shí) MC 單元的指示燈 MA5MA0 顯示當(dāng)前地址（000000），M23M16 顯示當(dāng) 前數(shù)據(jù)（00110011）。此時(shí)被編輯的控存單元地址會(huì)自動(dòng)加 1（01H），由 IN 單元開關(guān)依次給出 該控存單元數(shù)據(jù)的低 8 位、中 8 位和高 8 位配合每次開關(guān) ST 的兩次按動(dòng)，即可完成對(duì)后續(xù)單元的編輯。編輯完成后需進(jìn)行校驗(yàn)，以確保編輯的正確。以校驗(yàn) 00H 單元為例，對(duì)于控制存儲(chǔ)器進(jìn)行校驗(yàn)的具體操作步驟如下：首先將 KK1 撥至停止檔、KK3 撥至校驗(yàn)檔、KK4 撥

25、至控 存檔、KK5 撥至置數(shù)檔。由 CON 單元的 SD05SD00 開關(guān)給出需要校驗(yàn)的控存單元 地址（000000），連續(xù)兩次按動(dòng)開關(guān) ST，MC 單元指示燈 M7M0 顯示該單元低 8 位數(shù)據(jù)（00010001）；KK5 撥至加 1檔，再連續(xù)兩次按動(dòng)開關(guān) ST，MC 單元指示燈 M15M8 顯示該單元中 8 位數(shù)據(jù)（00100010）；再連續(xù)兩次按動(dòng)開關(guān) ST，MC 單元指示燈 M23M16 顯示該單元高 8 位數(shù)據(jù)（00110011）。再連續(xù)兩次按動(dòng)開關(guān) ST，地址加 1，MC 單元指示燈 M7M0 顯示 01H 單元低 8 位數(shù)據(jù)。如校驗(yàn)的微指令出錯(cuò)，則返回輸入操作，修改該單元的數(shù)據(jù)

26、后再進(jìn)行校驗(yàn)，直至確認(rèn)輸入的微代碼全部準(zhǔn)確無誤為止，完成對(duì)微指令的輸入。位于實(shí)驗(yàn)平臺(tái) MC 單元左上角一列三個(gè)指示燈 MC2、MC1、MC0 用來指示當(dāng)前操作的微程序字段，分別對(duì)應(yīng) M23M16、M15M8、M7M0。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供了比較靈活的手動(dòng)操作方式，比如在上述操作中在對(duì)地址置數(shù)后將開關(guān) KK4 撥至減 1檔，則每次隨著開關(guān) ST 的兩次撥動(dòng)操作，字節(jié)數(shù)依次從高 8 位到低 8 位遞減，減至低 8 位后，再按動(dòng)兩次開關(guān) ST，微地址會(huì)自動(dòng)減一，繼續(xù)對(duì)下一個(gè)單元的操作。微指令字長共 24 位，控制位順序如表 3-1：表 3-1 微指令格式232221201918-1514-1211-98-6

27、5-0M23M22WRRDIOMS3-S0A字段B字段C字段MA5-MA0A字段 B字段 C字段141312選擇11109選擇876選擇000NOP000NOP000NOP001LDA001ALU-B001P<1>010LDB010R0-B010保留011LDR0011保留011保留100保留100保留100保留101保留101保留101保留110保留110保留110保留111LDIR111保留111保留其中 MA5MA0 為 6 位的后續(xù)微地址，A、B、C 為三個(gè)譯碼字段，分別由三個(gè)控制位譯 碼出多位。C 字段中的 P<1>為測試字位。其功能是根據(jù)機(jī)器指令及相應(yīng)微代碼

28、進(jìn)行譯碼，使微 程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，從而實(shí)現(xiàn)完成對(duì)指令的識(shí)別，并實(shí)現(xiàn)微程序的分支，本系統(tǒng)上的 指令譯碼原理如圖 3-3 所示，圖中 I7I2 為指令寄存器的第 72 位輸出，SE5SE0 為微控器單元微地址鎖存器的強(qiáng)置端輸出，指令譯碼邏輯在 IR 單元的 INS_DEC中實(shí)現(xiàn)。從圖 3-2 中也可以看出，微控器產(chǎn)生的控制信號(hào)比表 3-1 中的要多，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)的不同，所需的控制信號(hào)也不一樣，本實(shí)驗(yàn)只用了部分的控制信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)除了用到指令寄存器（IR）和通用寄存器 R0 外，還要用到 IN 和 OUT 單元，從微控 器出來的信號(hào)中只有 IOM、WR 和 RD 三個(gè)信號(hào)，所以對(duì)這兩個(gè)單元的讀

29、寫信號(hào)還應(yīng)先經(jīng)過譯 碼，其譯碼原理如圖 3-4 所示。IR 單元的原理圖如圖 3-5 所示，R0 單元原理如圖 3-7 所示， IN 單元的原理圖如圖 2-3 所示，OUT 單元的原理圖如圖 3-6 所示。P<1> I2 I6 I7P<1> I3 I6 I7I4SE0I5SE1T4 T4P<1> T4I6SE2P<1> T4I7SE3圖 3-3 指令譯碼原理圖圖 3-4 讀寫控制邏輯 圖 3-5 IR 單元原理圖圖 3-6 OUT 單元原理圖 圖 3-7 R0 原理圖本實(shí)驗(yàn)安排了四條機(jī)器指令，分別為 ADD（0000 0000）、IN（0010

30、0000）、OUT（0011 0000） 和 HLT（0101 0000），括號(hào)中為各指令的二進(jìn)制代碼，指令格式如下：助記符機(jī)器指令碼說明IN0010 0000IN R0ADD0000 0000R0 + R0 R0OUT0011 0000R0 OUTHLT 0101 0000 停機(jī)實(shí)驗(yàn)中機(jī)器指令由 CON 單元的二進(jìn)制開關(guān)手動(dòng)給出，其余單元的控制信號(hào)均由微程序控制器自動(dòng)產(chǎn)生，為此可以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)通路圖，如圖 3-8 所示。 幾條機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的參考微程序流程圖如圖 3-9 所示。圖中一個(gè)矩形方框表示一條微指令，方框中的內(nèi)容為該指令執(zhí)行的微操作，右上角的數(shù)字是該條指令的微地址，右下角的數(shù)字是該

31、條指令的后續(xù)微地址，所有微地址均用 16 進(jìn)制表示。向下的箭頭指出了下一條要執(zhí)行的指令。P<1>為測試字，根據(jù)條件使微程序產(chǎn)生分支。圖 3-8 數(shù)據(jù)通路圖00NOP01指令譯碼30P<1>ADD IN OUT HLT303233 35R0->AIN->R0 R0->OUT NOP0401R0->B01 3505A+B->R001圖 3-9 微程序流程圖將全部微程序按微指令格式變成二進(jìn)制微代碼，可得到表 3-2 的二進(jìn)制代碼表。表 3-2 二進(jìn)制微代碼表地址十六進(jìn)制高五位S3-S0A 字段B 字段C 字段MA5-MA00000 00 0100

32、00000000000000000000010100 70 700000000001110000011100000400 24 050000000000100100000001010504 B2 010000010010110010000000013000 14 040000000000010100000001003218 30 010001100000110000000000013328 04 010010100000000100000000013500 00 350000000000000000001101013.4 實(shí)驗(yàn)步驟1. 按圖 3-10 所示連接實(shí)驗(yàn)線路，仔細(xì)查線無誤后接通電源。

33、如果有滴報(bào)警聲，說明 總線有競爭現(xiàn)象，應(yīng)關(guān)閉電源，檢查接線，直到錯(cuò)誤排除。圖 3-10 實(shí)驗(yàn)接線圖2. 對(duì)微控器進(jìn)行讀寫操作，分兩種情況：手動(dòng)讀寫和聯(lián)機(jī)讀寫。1) 手動(dòng)讀寫(1) 手動(dòng)對(duì)微控器進(jìn)行編程（寫） 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān) KK1 置為停止檔，KK3 置為編程檔，KK4 置為控 存檔，KK5 置為置數(shù)檔。 使用 CON 單元的 SD05SD00 給出微地址，IN 單元給出低 8 位應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開關(guān) ST，將 IN 單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的低 8 位。 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān) KK5 置為加 1檔。 IN 單元給出中 8 位應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操

34、作臺(tái)的開關(guān) ST，將 IN 單元的 數(shù)據(jù)寫到該單元的中 8 位。IN 單元給出高 8 位應(yīng)寫入的數(shù)據(jù)，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開 關(guān) ST，將 IN 單元的數(shù)據(jù)寫到該單元的高 8 位。 重復(fù)、四步，將表 3-2 的微代碼寫入 2816 芯片中。(2) 手動(dòng)對(duì)微控器進(jìn)行校（讀） 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān) KK1 置為停止檔，KK3 置為校驗(yàn)檔，KK4 置為控 存檔，KK5 置為置數(shù)檔。 使用 CON 單元的 SD05SD00 給出微地址，連續(xù)兩次按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開關(guān) ST，MC 單元的指數(shù)據(jù)指示燈 M7M0 顯示該單元的低 8 位。 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān) KK5 置為加 1檔。 連續(xù)兩次

35、按動(dòng)時(shí)序與操作臺(tái)的開關(guān) ST，MC 單元的指數(shù)據(jù)指示燈 M15M8 顯示該單元的中 8 位，MC 單元的指數(shù)據(jù)指示燈 M23M16 顯示該單元的高 8 位。 重復(fù)、四步，完成對(duì)微代碼的校驗(yàn)。如果校驗(yàn)出微代碼寫入錯(cuò)誤，重新寫入、校驗(yàn)，直至確認(rèn)微指令的輸入無誤為止。2) 聯(lián)機(jī)讀寫(1) 將微程序?qū)懭胛募?聯(lián)機(jī)軟件提供了微程序下載功能，以代替手動(dòng)讀寫微控器，但微程序得以指定的格式寫入到以 TXT 為后綴的文件中，微程序的格式如下：微指令格式說明: $M XX XXXXXX微指令代碼 十六進(jìn)制地址 微指令標(biāo)志如$M 1F 112233，表示微指令的地址為 1FH，微指令值為 11H（高）、22H（中）

36、、33H（低），本次實(shí)驗(yàn)的微程序如下，其中分號(hào)；為注釋符，分號(hào)后面的內(nèi)容在下載時(shí)將被忽略掉。 (2) 寫入微程序 用聯(lián)機(jī)軟件的“【轉(zhuǎn)儲(chǔ)】【裝載】”功能將該格式（*.TXT）文件裝載入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。裝入過程中，在軟件的輸出區(qū)的結(jié)果欄會(huì)顯示裝載信息，如當(dāng)前正在裝載的是機(jī)器指令還是微指令，還剩多少條指令等。(3) 校驗(yàn)微程序 選擇聯(lián)機(jī)軟件的“【轉(zhuǎn)儲(chǔ)】【刷新指令區(qū)】”可以讀出下位機(jī)所有的機(jī)器指令和微指令，并在指令區(qū)顯示。檢查微控器相應(yīng)地址單元的數(shù)據(jù)是否和表 3-2 中的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)相同，如果不同，則說明寫入操作失敗，應(yīng)重新寫入，可以通過聯(lián)機(jī)軟件單獨(dú)修改某個(gè)單元的微指令，先用鼠標(biāo)左鍵單擊指令區(qū)的微存TAB

37、按鈕，然后再單擊需修改單元的數(shù)據(jù)，此時(shí)該單元變?yōu)榫庉嬁?，輸?6 位數(shù)據(jù)并回車，編輯框消失，并以紅色顯示寫入的數(shù)據(jù)。; /* /;/;/微控器實(shí)驗(yàn)指令文件/;/; /* /; /* Start Of MicroController Data * /$M00000001;NOP$M01007070;CON(INS)->IR, P<1>$M04002405;R0->B$M0504B201;A 加 B->R0$M30001404;R0->A$M32183001;IN->R0$M33280401;R0->OUT$M35000035;NOP; /* End

38、 Of MicroController Data* /3. 運(yùn)行微程序 運(yùn)行時(shí)也分兩種情況：本機(jī)運(yùn)行和聯(lián)機(jī)運(yùn)行。1) 本機(jī)運(yùn)行 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān) KK1、KK3 置為運(yùn)行檔，按動(dòng) CON 單元的 CLR 按鈕，將微地址寄存器（MAR）清零，同時(shí)也將指令寄存器（IR）、ALU 單元的暫存器 A 和B 清零。 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān) KK2 置為單拍檔，然后按動(dòng) ST 按鈕，體會(huì)系統(tǒng)在 T1、 T2、T3、T4 節(jié)拍中各做的工作。T2節(jié)拍微控器將后續(xù)微地址（下條執(zhí)行的微指令的地址）打 入微地址寄存器，當(dāng)前微指令打入微指令寄存器，并產(chǎn)生執(zhí)行部件相應(yīng)的控制信號(hào)；T3、T4 節(jié) 拍根據(jù) T2

39、節(jié)拍產(chǎn)生的控制信號(hào)做出相應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作，如果測試位有效，還要根據(jù)機(jī)器指令及當(dāng) 前微地址寄存器中的內(nèi)容進(jìn)行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，實(shí)現(xiàn)微程序的分支。 按動(dòng) CON 單元的 CLR 按鈕，清微地址寄存器（MAR）等，并將時(shí)序與單元的開關(guān) KK2置為單步檔。 置 IN 單元數(shù)據(jù)為 00100011，按動(dòng)ST按鈕，當(dāng)MC單元后續(xù)微地址顯示為 000001 時(shí)， 在 CON 單元的 SD27SD20 模擬給出 IN 指令 00100000 并繼續(xù)單步執(zhí)行，當(dāng) MC 單元后續(xù)微地 址顯示為000001時(shí)，說明當(dāng)前指令已執(zhí)行完；在 CON 單元的 SD27SD20 給出ADD指令00000000，

40、該指令將會(huì)在下個(gè) T3 被打入指令寄存器（IR），它將 R0 中的數(shù)據(jù)和其自身相加后送R0；接下來在 CON 單元的 SD27SD20 給出 OUT 指令 00110000 并繼續(xù)單步執(zhí)行，在 MC 單 元后續(xù)微地址顯示為 000001 時(shí)，觀查 OUT 單元的顯示值是否為 01000110。2) 聯(lián)機(jī)運(yùn)行聯(lián)機(jī)運(yùn)行時(shí)，進(jìn)入軟件界面，在菜單上選擇【實(shí)驗(yàn)】【微控器實(shí)驗(yàn)】，打開本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)通路圖，也可以通過工具欄上的下拉框打開數(shù)據(jù)通路圖，數(shù)據(jù)通路圖如圖 3-8 所示。 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān) KK1、KK3 置為運(yùn)行檔，按動(dòng) CON 單元的總清開關(guān)后，按動(dòng)軟件中單節(jié)拍按鈕，當(dāng)后續(xù)微地址（通路圖中的

41、 MAR）為 000001 時(shí)，置 CON 單元 SD27SD20，產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)器指令，該指令將會(huì)在下個(gè) T3 被打入指令寄存器（IR），在后面的 節(jié)拍中將執(zhí)行這條機(jī)器指令。仔細(xì)觀察每條機(jī)器指令的執(zhí)行過程，體會(huì)后續(xù)微地址被強(qiáng)置轉(zhuǎn)換 的過程，這是計(jì)算機(jī)識(shí)別和執(zhí)行指令的根基。也可以打開微程序流程圖，跟蹤顯示每條機(jī)器指令的執(zhí)行過程。按本機(jī)運(yùn)行的順序給出數(shù)據(jù)和指令，觀查最后的運(yùn)算結(jié)果是否正確。實(shí)驗(yàn)四 系統(tǒng)總線和具有基本輸入輸出功能的總線接口實(shí)驗(yàn)4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 理解總線的概念及其特性。(2) 掌握控制總線的功能和應(yīng)用。4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備PC 機(jī)一臺(tái)，TD-CMA 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一套。4.3 實(shí)驗(yàn)原理由于

42、存儲(chǔ)器和輸入、輸出設(shè)備最終是要掛接到外部總線上，所以需要外部總線提供數(shù)據(jù)信 號(hào)、地址信號(hào)以及控制信號(hào)。在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，外部總線分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，分別為外設(shè)提供上述信號(hào)。外部總線和 CPU 內(nèi)總線之間通過三態(tài)門連接，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外總線的分離和對(duì)于數(shù)據(jù)流向的控制。地址總線可以為外部設(shè)備提供地址信號(hào)和片選信號(hào)。由地址總線的高位進(jìn)行譯碼，系統(tǒng)的 I/O 地址譯碼原理如圖 4-1（在地址總線單元）。由于使用 A6、 A7 進(jìn)行譯碼， I/O 地址空間被分為四個(gè)區(qū)，如表 4-1 所示：A6A174LS139A7B1A2B2GNDG1N G2NY10N Y11N Y12NY13NY20N Y

43、21NY22N Y23NIOY0IOY1IOY2IOY3圖 4-1 I/O 地址譯碼原理圖表 4-1 I/O 地址空間分配A7A6選定地址空間00IOY000-3F01IOY140-7F10IOY280-BF11IOY3C0-FF為了實(shí)現(xiàn)對(duì)于 MEM 和外設(shè)的讀寫操作，還需要一個(gè)讀寫控制邏輯，使得 CPU 能控制 MEM和 I/O 設(shè)備的讀寫，實(shí)驗(yàn)中的讀寫控制邏輯如圖 4-2 所示，由于 T3 的參與，可以保證寫脈寬與 T3 一致，T3 由時(shí)序單元的 TS3 給出（時(shí)序單元的介紹見附錄 2）。IOM 用來選擇是對(duì) I/O 設(shè)備還是對(duì) MEM 進(jìn)行讀寫操作，IOM=1 時(shí)對(duì) I/O 設(shè)備進(jìn)行讀寫

44、操作，IOM=0 時(shí)對(duì) MEM 進(jìn)行讀寫操作。RD=1 時(shí)為讀，WR=1 時(shí)為寫。RDT3WRIOMXMRD XMWR XIOWXIOR圖 4-2 讀寫控制邏輯在理解讀寫控制邏輯的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一個(gè)總線傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所用總線傳輸實(shí)驗(yàn)框圖如圖 4-3 所示，它將幾種不同的設(shè)備掛至總線上，有存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、寄存器。這些設(shè)備都需要有三態(tài)輸出控制，按照傳輸要求恰當(dāng)有序的控制它們，就可實(shí)現(xiàn)總線信息傳輸。圖 4-3 總線傳輸實(shí)驗(yàn)框圖4.4 實(shí)驗(yàn)步驟1讀寫控制邏輯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。（1）按照?qǐng)D 4-4 實(shí)驗(yàn)接線圖進(jìn)行連線。時(shí)序與操作臺(tái) TS1 單元T1 控制總線CLK030HZTS4T4 E3 E2擴(kuò)展單

45、元E1 E0XIOW XIOR控制總線XMWR XMRD WR RD IOMCON單元圖 4-4 實(shí)驗(yàn)接線圖（2）具體操作步驟圖示如下：首先將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān) KK1、KK3 置為運(yùn)行檔，開關(guān) KK2 置為單拍檔，按動(dòng) CON 單元的總清按鈕 CLR，并執(zhí)行下述操作。 對(duì) MEM 進(jìn)行讀操作（WR=0，RD=1，IOM=0），此時(shí) E0 滅，表示存儲(chǔ)器讀功能信號(hào)有效。 對(duì) MEM 進(jìn)行寫操作（WR=1，RD=0，IOM=0），連續(xù)按動(dòng)開關(guān)ST，觀察擴(kuò)展單元數(shù)據(jù)指示燈，指示燈顯示為 T3 時(shí)刻時(shí)，E1 滅，表示存儲(chǔ)器寫功能信號(hào)有效。 對(duì) I/O 進(jìn)行讀操作（WR=0，RD=1，IOM=1）

46、，此時(shí) E2 滅，表示 I/O 讀功能信號(hào)有效。 對(duì) I/O 進(jìn)行寫操作（WR=1，RD=0，IOM=1），連續(xù)按動(dòng)開關(guān)ST，觀察擴(kuò)展單元數(shù)據(jù)指 示燈，指示燈顯示為 T3 時(shí)刻時(shí)，E3 滅，表示 I/O 寫功能信號(hào)有效。2基本輸入輸出功能的總線接口實(shí)驗(yàn)。（1）根據(jù)掛在總線上的幾個(gè)基本部件，設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的流程： 輸入設(shè)備將一個(gè)數(shù)打入 R0 寄存器。 輸入設(shè)備將另一個(gè)數(shù)打入地址寄存器。 將 R0 寄存器中的數(shù)寫入到當(dāng)前地址的存儲(chǔ)器中。 將當(dāng)前地址的存儲(chǔ)器中的數(shù)用 LED 數(shù)碼管顯示。（2）按照?qǐng)D 4-5 實(shí)驗(yàn)接線圖進(jìn)行連線。（3）具體操作步驟圖示如下：進(jìn)入軟件界面，選擇菜單命令“【實(shí)驗(yàn)】【簡單模型機(jī)】”，打開簡單模型機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通路圖。將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān) KK1、KK3 置為運(yùn)行檔，開關(guān) KK2 置為單拍檔，CON 單元所有開關(guān)置 0（由于總線有總線競爭報(bào)警功能，在操作中應(yīng)當(dāng)先關(guān)閉應(yīng)關(guān)閉的輸出開關(guān)，再 打開應(yīng)打開的輸出開關(guān)，否則可能由于總線競爭導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)出錯(cuò)）， 按動(dòng) CON 單元的總清按鈕 CLR