計算機(jī)組成原理實驗教程()(1)

1、電腦組成原理實驗教程山西大學(xué)電腦與信息技術(shù)學(xué)院2022年 8 月實驗系統(tǒng)硬件布局圖CPLD單元電源吋序與操作臺單元擴(kuò)展單元邏輯測量單元CPU系統(tǒng)總線主存及外設(shè)眈單元IR單元控制總線MEM單元8259單元8253單元數(shù)據(jù)總線CPU內(nèi)總線擴(kuò)展總線OUT單元ALU® 單兀地址總線FC&AE 單元8237單元cox單元I、單元實驗考前須知1、 根據(jù)實驗要求接線。由于實驗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，可用2 口、4 口替代，但要注意連線兩端的顏色一定要對應(yīng)。2、接好線路并檢查無誤后，再翻開實驗箱的電源。3、插線、拔線前一定要關(guān)閉電源，不要帶電操

2、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、實驗分組第一次確定后，即固定不變。7、實驗結(jié)束后收好線，關(guān)閉電源，清理桌面，將椅子擺放整齊。實驗一根本運算器實驗實驗?zāi)康?1) 了解運算器的組成結(jié)構(gòu)。(2) 掌握運算器的工作原理。1.2實驗設(shè)備PC機(jī)一臺，TD-CMA 實驗系統(tǒng)一套。1.3實驗原理本實驗的原理如圖1-1所示。運算器內(nèi)部含有三個獨立運算部件，分別為算術(shù)、邏輯和移位 運算部件，要處理的數(shù)據(jù)存于暫存器A和暫存器B,三個部件同時接受來自 A和B的數(shù)據(jù)，各部件對操作數(shù)進(jìn)行何種運算由控制信號S3SO和CN來決

3、定，任何時候，多路選擇開關(guān)只選擇三部件中一個部件的結(jié)果作為 ALU的輸出。如果是影響進(jìn)位的運算，還將置進(jìn)位標(biāo)志FC,在運算結(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運算器原理圖運算器部件由一片 CPLD實現(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。請注意：實驗箱上凡絲印標(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，其余信號均來自于 ALU單元的排線座，實驗箱中所有單元的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

4、鈕。T4由時序單元的TS4提供，其余控制信號均由 CON單元的二進(jìn) 制數(shù)據(jù)開關(guān)模擬給出。控制信號中除T4為脈沖信號外，其余均為電平信號，其中ALU_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燈上實時顯示，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D7DO的顯示原理也是如此。VCC1K|1 . 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。運算器的邏輯功能表如表1-1所示，其中S3 S2 S1 SO CN為控制信號，F(xiàn)C為進(jìn)位標(biāo)志，F(xiàn)Z為運算器零標(biāo)志，表中功能欄內(nèi)的FC、FZ表示當(dāng)前運算會影響到該標(biāo)志

5、。OLUh.C毅示Ft斗.盍押制吃4豹7? 1M3 -特1樣 1仆 $SKC.il：1A73：41 r圖1-3 ALU 和外圍電路連接原理圖表1-1運算器邏輯功能表表中“ X為任意態(tài)，下同運算類型S3 S2 S1 SOCN功能0000XF=A直通0001XF=B直通邏輯運算0010XF=ABFZ0011XF=A+BFZ0100XF= AFZ0101XF=A不帶進(jìn)位循環(huán)右移B取低3位位FZ01100F=A邏輯右移一位FZ移位運算1F=A帶進(jìn)位循環(huán)右移一位FC, FZ0F=A邏輯左移一位FZ01111F=A帶進(jìn)位循環(huán)左移一位FC, FZ1000X置 FC=CNFC1001XF=A 加 BFC, F

6、Z1010XF=A加B加FCFC, FZ算術(shù)運算1011XF=A 減 BFC, FZ1100XF=A 減 1FC, FZ1101XF=A 加 1FC, FZ1110X保存1111X保存實驗步驟(1) 按圖1-4連接實驗電路，并檢查無誤。圖中將用戶需要連接的信號用圓圈標(biāo)明其它實 驗相同。圖1-4實驗接線圖(2) 將時序與操作臺單元的開關(guān)KK2置為單拍檔，開關(guān)KK1、KK3置為運行檔。(3) 翻開電源開關(guān)，如果聽到有嘀報警聲，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，直到錯誤排除。然后按動CON單元的CLR按鈕，將運算器的 A、B和FC、FZ清零。(4) 用輸入開關(guān)向暫存器 A置數(shù)。 撥動

7、CON單元的SD27SD20數(shù)據(jù)開關(guān)，形成用戶指定的二進(jìn)制數(shù)，數(shù)據(jù)顯示亮為1，滅為 0。 置LDA=1 , LDB=0 ,連續(xù)按動時序單元的 ST按鈕，產(chǎn)生一個 T4上升沿，那么將二進(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CON單元的SD27SD20數(shù)據(jù)開關(guān)，形成另外一個二進(jìn)制數(shù)。 置LDA=0 , LDB=1，連續(xù)按動時序單元的ST按鈕，產(chǎn)生一個 T4上升沿，那么將二進(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) 改變運算器的功能設(shè)置， 觀察運算器的輸出。 置ALU_B=0、L

8、DA=0、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,運算器作邏輯與運算，置S3、S2、S1、S0為1001，運算器作加法運算。如果實驗箱和 PC聯(lián)機(jī)操作，那么可通過軟件中的數(shù)據(jù)通路圖來觀測實驗結(jié)果，方法是：翻開軟件，選擇聯(lián)機(jī)軟件的“【實驗】一【運算器實驗】，翻開運算器實驗的數(shù)據(jù)通路圖，如圖1-5所示。進(jìn)行上面的手動操作，每按動一次ST按鈕，數(shù)據(jù)通路圖會有數(shù)據(jù)的流動，反映當(dāng)前運算器所做的操作，或在軟件中選擇【調(diào)試】一【單節(jié)拍】，其作用相當(dāng)于將時序單元的狀態(tài)開關(guān)KK2置為單拍檔后按動了一次ST按

9、鈕，數(shù)據(jù)通路圖也會反映當(dāng)前運算器所做的操作。重復(fù)上述操作，并完成表1-2。然后改變A、B的值，驗證FC、FZ的鎖存功能。表1-2運算結(jié)果表AB運算類型S3 S2 S1 SOCN結(jié)果0000XF=()FC=()FZ=()邏輯運算0001XF=()FC=()FZ=()0010XF=()FC=()FZ=()0011XF=()FC=()FZ=()0100XF=()FC=()FZ=()0101XF=()FC=()FZ=()移位運算01100F=()FC=()FZ=()1F=()FC=()FZ=()0F=()FC=()FZ=()01111F=()FC=()FZ=()1000XF=()FC=()FZ=()1

10、001XF=()FC=()FZ=()算術(shù)運算1010 FC=0XF=()FC=()FZ=()1010 FC=1XF=()FC=()FZ=()1011XF=()FC=()FZ=()1100XF=()FC=()FZ=()1101XF=()FC=()FZ=()實驗二靜態(tài)隨機(jī)存儲器實驗實驗?zāi)康恼莆侦o態(tài)隨機(jī)存儲器 RAM工作特性及數(shù)據(jù)的讀寫方法。2.2實驗設(shè)備PC機(jī)一臺，TD-CMA實驗系統(tǒng)一套。2.3實驗原理6116有三個控制線：CS片選線、OE讀線、WE寫線，其功能如表2-1所示。當(dāng)片選有效實驗所用的靜態(tài)存儲器由一片6116 2K X 8bit丨構(gòu)成位于 MEM單元，如圖2-1所示。CS=O時，OE

11、=0時進(jìn)行讀操作,WE=0時進(jìn)行寫操作，本實驗將CS常接地。RAX1( 6116)1A7 A6 A5 A4 A3 A2 Ai AD LOO LO1LQ2 CND圖2-1 SRAM6116引腳圖由于存儲器MEM最終是掛接到 CPU上，所以其還需要一個讀寫控制邏輯，使得CPU能控制MEM的讀寫，實驗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由時序單元的 TS3給出。IOM用來選擇是對I/O還是對 MEM進(jìn)行讀寫操 作，RD=1時為讀，WR=1時為寫。表2-1 SRAM6116功能表CS WE OE 功能1xx不選擇010讀0 0 1寫XMFDXIOWX

12、I OR圖2-2 讀寫控制邏輯實驗原理圖如圖2-3所示，存儲器數(shù)據(jù)線接至數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)總線上接有8個LED燈顯示D7- D0的內(nèi)容。地址線接至地址總線，地址總線上接有8個LED燈顯示A7A0的內(nèi)容，地址由地址鎖存器74LS273，位于PC&AR單元給出。數(shù)據(jù)開關(guān)位于 IN單元經(jīng)一個三態(tài) 門74LS245連至數(shù)據(jù)總線，分時給出地址和數(shù)據(jù)。地址存放器為8位，接入 6116的地址A7-A 0, 6116的高三位地址 A10A8接地，所以其實際容量為 256字節(jié)。圖2-3存儲器實驗原理圖實驗箱中所有單元的時序都連接至?xí)r序與操作臺單元，CLR都連接至CON單元的CLR按鈕。實驗時T3由時序單元給出，其余

13、信號由 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。實驗步驟(1)關(guān)閉實驗系統(tǒng)電源，按圖2-4連接實驗電路，并檢查無誤，圖中將用戶需要連接的信用圓圈標(biāo)明。対序弓煉帶臺單尤T51口狀：朋#眶用VW WFLDAR比單兀圖2-4實驗接線圖(2) 將時序與操作臺單元的開關(guān)KK1、KK3置為運行檔、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，翻開電源開關(guān)，如果聽到有嘀 報警聲，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，直到錯誤排除。(4) 給存儲器的 OOH、01H、02H、03H、0

14、4H地址單元中分別寫入數(shù)據(jù)11H、12H、13H、14H、15H。由前面的存儲器實驗原理圖2-3可以看出，由于數(shù)據(jù)和地址由同一個數(shù)據(jù)開關(guān)給出，因此數(shù)據(jù)和地址要分時寫入，先寫地址，具體操作步驟為：先關(guān)掉存儲器的讀寫WR=0，RD=0，數(shù)據(jù)開關(guān)輸出地址IOR=0，然后翻開地址存放器門控信號LDAR=1丨，按動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)掉存儲器的 讀寫WR=0，RD=0丨和地址存放器門控信號LDAR=0，數(shù)據(jù)開關(guān)輸出要寫入的數(shù)據(jù)，翻開 輸入三態(tài)門IOR=0，然后使存儲器處于寫狀態(tài) WR=1，RD=0，IOM=0，按動ST產(chǎn)生T3 脈沖，即將數(shù)據(jù)打入到存儲

15、器中。寫存儲器的流程如圖2-5所示以向00地址單元寫入11H為例:圖2-5寫存儲器流程圖(5) 依次讀出第00、01、02、03、04號單元中的內(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，應(yīng)先關(guān)閉IN單元的輸出IOR=1，然后使存儲器處于讀狀態(tài) WR=0，RD=1，IOM=0，此時數(shù)據(jù)總線上的數(shù)即為從存儲器當(dāng)前地址中讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容。讀存儲器的流程如圖2-6所示以從00地址單元讀出11H為例：IA単兀笠地址-地址打入2關(guān)C1TF丸的山d：j ti 燉laiXIUIXIDi；：(UlJfUilXlDI；：(ai

16、x ixioi：圖2-6 讀存儲器流程圖如果實驗箱和 PC聯(lián)機(jī)操作，那么可通過軟件中的數(shù)據(jù)通路圖來觀測實驗結(jié)果，方法是：翻開軟件，選擇聯(lián)機(jī)軟件的“【實驗】一【存儲器實驗】，翻開存儲器實驗的數(shù)據(jù)通路圖，如圖2-7所示。進(jìn)行上面的手動操作，每按動一次ST按鈕，數(shù)據(jù)通路圖會有數(shù)據(jù)的流動，反映當(dāng)前存儲器所做的操作即使是對存儲器進(jìn)行讀，也應(yīng)按動一次ST按鈕，數(shù)據(jù)通路圖才會有數(shù)據(jù)流動，或在軟件中選擇“【調(diào)試】一【單周期】，其作用相當(dāng)于將時序單元的狀態(tài)開關(guān)置為單 步檔后按動了一次 ST按鈕，數(shù)據(jù)通路圖也會反映當(dāng)前存儲器所做的操作，借助于數(shù)據(jù)通路 圖，仔細(xì)分析SRAM的讀寫過程。XMRD圖2-7數(shù)據(jù)通路圖實驗

17、三微程序控制器實驗實驗?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，觀察微程序的運行過程。實驗設(shè)備PC機(jī)一臺，TD-CMA實驗系統(tǒng)一套。實驗原理微程序控制器的根本任務(wù)是完成當(dāng)前指令的翻譯和執(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。微程序存儲在一種專用的存儲器中，稱為控制存儲器，微程序控制器原理框圖如圖3-1

18、所示。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)時序來工作的，因而時序控制對于控制器的設(shè)計是非常重要的，從 前面的實驗可以很清楚地了解時序電路的工作原理，本實驗所用的時序由時序單元來提供，分 為四拍 TS1、TS2、TS3、TS4。2微程序控制器的組成見圖 3-2，其中控制存儲器采用 3片2816的E PROM，具有掉電保護(hù) 功能，微命令存放器 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時刻打入微地址存放器的內(nèi)容即為下一條微指令地址。當(dāng)T4時刻進(jìn)行測試判別

19、時，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 狀態(tài)，完成地址修改。在實驗平臺中設(shè)有一組編程控制開關(guān)KK3、KK4、KK5位于時序與操作臺單元，可實現(xiàn)對存儲器包括存儲器和控制存儲器的三種操作：編程、校驗、運行?？紤]到對于存儲器包括 存儲器和控制存儲器的操作大多集中在一個地址連續(xù)的存儲空間中，實驗平臺提供了便利的手 動操作方式。以向00H單元中寫入332211為例，對于控制存儲器進(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SD05 SD00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

20、該控存單元數(shù)據(jù)的低 8位00010001，連續(xù)兩次按動時序與操作臺單元的開關(guān)ST第一次按動電腦組成原理SE0SE1SE2SE3SE4SE5T2山西大學(xué)電腦_JD LXO CTPU 4o- 3MX 2MX 1H B _D_ BB * B _D B管 B =UT P ? QRCU POUL POUL lkdl mn - CUGolo20soMuDR0-T_3MA5.MA0174LS245RMA5 I：、C138譯碼C-DECYi YY7 YAAY1138譯碼I138譯碼A-DEC|B-DECCLR 74LS175CLKCLR4-M9M8M6M14 | | I74LS273-#riuiMA5.MA0

21、微地址顯示燈GNDM23-M0微代碼顯示DDOD-2816WE A5 . AOWE 2816CSA5 . AOOE7 D02816WEA5 . A0.CSL原理制器4LS2454LS245編程邏輯-74LS245圖3-2微程序后MC單元低8位顯示該單元以前存儲的數(shù)據(jù)，第二次按動后顯示當(dāng)前改動的數(shù)據(jù)，此時MC單元的指示燈 MA5 MA0顯示當(dāng)前地址000000，M7 M0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)兩次按動開關(guān)ST,完成對該控存單元中8位數(shù)據(jù)的修改，此時MC單元的指示燈 MA5 MA0顯示當(dāng)前地址000000

22、，M15 M8顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)00100010；再由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)兩次按動開關(guān) ST，完成對該控存單元高 8位數(shù)據(jù)的修改此時 MC單元的指 示燈MA5 MA0顯示當(dāng)前地址000000，M23 M16顯示當(dāng) 前數(shù)據(jù)00110011。此時被編輯 的控存單元地址會自動加 101H，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，即可完成對后續(xù)單元的編輯。CU單元國地址 (CIWM.HXI ) 0中元梵數(shù)*低附？ (anoiijoui;:;I卜單；敵據(jù)屮砸1. UOKXWH )1. UOLKKIIL ；/

23、15OTLML：、：.1 =檸止4武-埔打:山=理心:,h; = Sft s i -JTTL / 15UOLWKJHx-1= ffib= SjfT2 =:,h; = Ml 1/ BUOLlWll山=停1卜-綁侗-刑 述：=111J =nn. /編輯完成后需進(jìn)行校驗，以確保編輯的正確。以校驗00H單元為例，對于控制存儲器進(jìn)行校驗的具體操作步驟如下：首先將 KK1撥至停止檔、KK3撥至校驗檔、KK4撥至控 存檔、KK5撥至置數(shù)檔。由CON單元的SD05 SD00開關(guān)給出需要校驗的控存單元地址000000，連續(xù)兩次按動開關(guān)ST，MC單元指示燈 M7 M0顯示該單元低 8位數(shù)據(jù)00010001； KK

24、5撥至加1檔，再連續(xù)兩次按動開關(guān) ST，MC單元指示燈 M15 M8顯示 該單元中8位數(shù)據(jù)00100010；再連續(xù)兩次按動開關(guān) ST，MC單元指示燈 M23 M16顯示該 單元高8位數(shù)據(jù)00110011。再連續(xù)兩次按動開關(guān) ST，地址加1，MC單元指示燈 M7 M0 顯示01H單元低8位數(shù)據(jù)。如校驗的微指令出錯，那么返回輸入操作，修改該單元的數(shù)據(jù)后再進(jìn)行校驗，直至確認(rèn)輸入的微代碼全部準(zhǔn)確無誤為止，完成對微指令的輸入。(血單兀硏一皿思朮如*.忙甲兀U15羽顯刁:散(?ul：ir.ic(0屮嶇KIIIKIDI :/ V7- ?ii：.Ui?,Zbl停止-停止船-碎kl村存XK1i-.: =41H=

25、円.數(shù)si - TLJT / *-A-TL/(00ILWJI ；肚rJi；XKI=桂祁缶=!1HnnH23KI6 = tOlhW位于實驗平臺 MC單元左上角一列三個指示燈 MC2、MC1、MC0用來指示當(dāng)前操作的 微程序字段，分別對應(yīng) M23 M16、M15 M8、M7 M0。實驗平臺提供了比擬靈 活的手動操作方式，比方在上述操作中在對地址置數(shù)后將開關(guān)KK4撥至減1檔，那么每次隨著開關(guān)ST的兩次撥動操作，字節(jié)數(shù)依次從高8位到低8位遞減，減至低 8位后，再按動兩次開關(guān)ST，微地址會自動減一，繼續(xù)對下一個單元的操作。微指令字長共24位，控制位順序如表3-1：232221201918-1514-12

26、11-98-65-0M23M22WRRDIOMS3-S0A字段B字段C字段MA5-表3-1 微指令格式A字段B字段C字段141312選擇000NOP001LDA010LDB011LDR0100保存101保存110保存111LDIR11109選擇000NOP001ALU-B010R0-B011保存100保存101保存110保存111保存876選擇000NOP001P010保存011保存100保存101保存110保存111保存MAO其中MA5MA0為6位的后續(xù)微地址，A、B、C為三個譯碼字段，分別由三個控制位譯 碼出多位。C字段中的P為測試字位。其功能是根據(jù)機(jī)器指令及相應(yīng)微代碼進(jìn)行譯碼，使微 程序

27、轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，從而實現(xiàn)完成對指令的識別，并實現(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1712為指令存放器的第 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中實現(xiàn)。從圖3-2中也可以看出，微控器產(chǎn)生的控制信號比表3-1中的要多，這是因為實驗的不同，所需的控制信號也不一樣，本實驗只用了局部的控制信號。本實驗除了用到指令存放器IR和通用存放器 R0外，還要用到IN和OUT單元，從微控 器出來的信號中只有IOM、WR和RD三個信號，所以對這兩個單元的讀寫信號還應(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

28、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。T4SE216圖3-3指令譯碼原理圖Kbr-E圖3-5 IR 單元原理圖圖3-4讀寫控制邏輯圖3-6 OUT 單元原理圖URtJ T4圖3-7 R0 原理圖本實驗安排了四條機(jī)器指令,分別為ADD0000 0000、IN 0010 0000、OUT 0011 0000和HLT 0101 0000，括號中為各指令的二進(jìn)制代碼，指令格式如下:助記符機(jī)器指令碼說明IN0010 0000IN TROADD0000 0000R0 + R0 TROOUT0011 0000R0 TOUTHLT0

29、101 0000停機(jī)實驗中機(jī)器指令由 CON單元的二進(jìn)制開關(guān)手動給出，其余單元的控制信號均由微程序控制器自動產(chǎn)生，為此可以設(shè)計出相應(yīng)的數(shù)據(jù)通路圖，如圖3-8所示。幾條機(jī)器指令對應(yīng)的參考微程序流程圖如圖3-9所示。圖中一個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為測試字，根據(jù)條件使微程序產(chǎn)生分支。狀杰務(wù)仲OUT=xx flitT3IOR#JM=xx圖3-8數(shù)據(jù)通路圖00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

30、-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 010000000000000000000000010100 70 700000000001110000011100000400 24 050000000000100100000001010504 B2 010000010010110010000000013000 14 040000000000010100000001003218 30 010001100000110000000000013328 04 010010100000000100000000013500 00 350

31、00000000000000000110101實驗步驟1. 按圖3-10所示連接實驗線路，仔細(xì)查線無誤后接通電源。如果有滴報警聲，說明 總線有競爭現(xiàn)象，應(yīng)關(guān)閉電源，檢查接線，直到錯誤排除。M- 訊 iri： F n_ 伽仏 LJrHL：I :屮XIN展皿丘*DDnu II;rl-l創(chuàng) D Y- s SIR, P$M04002405;R0-B$M0504B201;A 加 B-R0$M30001404;R0-A$M32183001;IN-R0$M33280401;R0-OUT$M35000035;NOP;/* End Of MicroController Data*/3. 運行微程序運行時也分兩種

32、情況：本機(jī)運行和聯(lián)機(jī)運行。1)本機(jī)運行 將時序與操作臺單元的開關(guān)KK1、KK3置為運行檔，按動 CON單元的CLR按鈕,將微地址存放器MAR丨清零，同時也將指令存放器IR、ALU單元的暫存器 A和B清零。 將時序與操作臺單元的開關(guān) KK2 置為單拍檔，然后按動 ST 按鈕，體會系統(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 入微地址存放器，當(dāng)前微指令打入微指令存放器，并產(chǎn)生執(zhí)行部件相應(yīng)的控制信號；T3、T4 節(jié)拍根據(jù) T2 節(jié)拍產(chǎn)生的控制信號做出相應(yīng)的執(zhí)行動作， 如果測試位有效， 還要根據(jù)機(jī)器指令及當(dāng) 前微地址存放器中的內(nèi)容進(jìn)行

33、譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，實現(xiàn)微程序的分支。 按動 CON 單元的 CLR 按鈕， 清微地址存放器 MAR 等， 并將時序與單元的開關(guān) KK2 置為單步檔。 置 IN 單元數(shù)據(jù)為 00100011 ，按動 ST 按鈕，當(dāng) MC 單元后續(xù)微地址顯示為 000001 時， 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，說明當(dāng)前指令已執(zhí)行完；在 CON單元的SD27SD20給出ADD指令 00000000，該指令將會在下個 T3被打入指令存放器 IR丨，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

34、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，觀查 OUT 單元的顯示值是否為 01000110。2) 聯(lián)機(jī)運行 聯(lián)機(jī)運行時，進(jìn)入軟件界面，在菜單上選擇【實驗】【微控器實驗】，翻開本實驗的數(shù)據(jù) 通路圖，也可以通過工具欄上的下拉框翻開數(shù)據(jù)通路圖，數(shù)據(jù)通路圖如圖3-8 所示。 將時序與操作臺單元的開關(guān) KK1 、KK3 置為運行檔，按動 CON 單元的總清開關(guān)后，按動軟件中單節(jié)拍 按鈕，當(dāng)后續(xù)微地址通路圖中的 MAR丨為000001時，置 CON單元SD27SD20，產(chǎn)生相應(yīng) 的機(jī)器指令，該指令將會在下個T3被打入指令存放器I

35、R，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，體會后續(xù)微地址被強(qiáng)置轉(zhuǎn)換的過程，這是電腦識別和執(zhí)行指令的根基。也可以翻開微程序流程圖，跟蹤顯示每條機(jī)器指令的執(zhí)行過程。按本機(jī)運行的順序給出數(shù)據(jù)和指令，觀查最后的運算結(jié)果是否正確。實驗四系統(tǒng)總線和具有根本輸入輸出功能的總線接口實驗實驗?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。實驗設(shè)備PC機(jī)一臺，TD-CMA實驗系統(tǒng)一套。實驗原理由于存儲器和輸入、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、地址信號以及控制信號。在該實驗平臺中，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

36、設(shè)提供上述信號。外部總線和CPU內(nèi)總線之間通過三態(tài)門連接，同時實現(xiàn)了內(nèi)外總線的別離和對于數(shù)據(jù)流向的控制。地址總線可以為外部設(shè)備提供地址信號和片選信號。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區(qū)，如表4-1所示：A6A7Y10NA1Y11NB1 9Y12NA2 Y13NB2 SY20NG1NY21NG2NY22NY23NIOY0IOY1IOY2IOY3圖4-1 I/O地址譯碼原理圖表4-1 I/O 地址空間分配A7 A6選定地址空間00IOY000-3F01IOY140-7F10IOY280-BF11I

37、OY3C0-FF為了實現(xiàn)對于 MEM和外設(shè)的讀寫操作，還需要一個讀寫控制邏輯， 使得CPU能控制MEM和 I/O設(shè)備的讀寫，實驗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 致，T3由時序單元的TS3給出時序單元的介紹見附錄2。IOM用來選擇是對I/O設(shè)備還是對MEM進(jìn)行讀寫操作，IOM=1時對I/O設(shè)備進(jìn)行讀寫操作，IOM=0時對MEM進(jìn)行讀寫操作。RD=1時為讀，WR=1時為寫。XMRDXMWRXIOWXIOR在理解讀寫控制邏輯的根底上設(shè)計一個總線傳輸?shù)膶嶒?。實驗所用總線傳輸實驗框圖如圖4-3所示，它將幾種不同的設(shè)備掛至總線上，有存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、存放器。

38、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，就可實現(xiàn)總線信息傳輸。圖4-3總線傳輸實驗框圖實驗步驟1 讀寫控制邏輯設(shè)計實驗。1按照圖4-4實驗接線圖進(jìn)行連線。時序與操作臺 單元CLKO 30HZ圖4-4實驗接線圖2具體操作步驟圖示如下：首先將時序與操作臺單元的開關(guān)KK1 、KK3 置為運行檔，開關(guān) KK2 置為單拍檔，按動 CON 單元的總清按鈕 CLR ，并執(zhí)行下述操作。 對 MEM 進(jìn)行讀操作 WR=0，RD=1，IOM=0 ，此時 E0 滅，表示存儲器讀功能信號 有效。 對MEM進(jìn)行寫操作WR=1 , RD=O, IOM=0，連續(xù)按動開關(guān) ST,觀察擴(kuò)展單元數(shù)據(jù) 指示

39、燈，指示燈顯示為 T3 時刻時， E1 滅 ， 表示存儲器寫功能信號有效。 對I/O進(jìn)行讀操作WR=0，RD=1，IOM=1，此時E2滅，表示I/O讀功能信號有效。 對I/O進(jìn)行寫操作WR=1，RD=0，IOM=1，連續(xù)按動開關(guān) ST，觀察擴(kuò)展單元數(shù)據(jù)指 示燈，指示燈顯示為 T3 時刻時， E3 滅，表示 I/O 寫功能信號有效。2根本輸入輸出功能的總線接口實驗。 1 根據(jù)掛在總線上的幾個根本部件，設(shè)計一個簡單的流程： 輸入設(shè)備將一個數(shù)打入 R0 存放器。 輸入設(shè)備將另一個數(shù)打入地址存放器。 將 R0 存放器中的數(shù)寫入到當(dāng)前地址的存儲器中。 將當(dāng)前地址的存儲器中的數(shù)用 LED 數(shù)碼管顯示。2按

40、照圖 4-5 實驗接線圖進(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“ 【實驗】【簡單模型機(jī)】 ， 翻開簡單模型機(jī)實驗數(shù)據(jù)通路圖。將時序與操作臺單元的開關(guān)KK1 、KK3 置為運行檔，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警功能， 在操作中應(yīng)領(lǐng)先關(guān)閉應(yīng)關(guān)閉的輸出開關(guān)， 再 翻開 應(yīng)翻開的輸出開關(guān)，否那么可能由于總線競爭導(dǎo)致實驗出錯， 按動 CON 單元的總清按鈕 CLR，然后通過運行程序，在數(shù)據(jù)通路圖中觀測程序的執(zhí)行過程。 輸入設(shè)備將 11H 打入 R0 存放器。將IN單元置00010001，K7置為1，關(guān)閉R0存放器的輸出；K6置為1，翻

41、開R0存放器的輸 入； WR、RD、IOM 分別置為 0、1、1，對 IN 單元進(jìn)行讀操作； LDAR 置為 0，不將數(shù)據(jù)總線的 數(shù)打入地址存放器。連續(xù)四次點擊圖形界面上的“單節(jié)拍運行按扭運行一個機(jī)器周期 ，觀察圖形界面，在 T4 時刻完成對存放器 R0 的寫入操作。 將 R0 中的數(shù)據(jù) 11H 打入存儲器 01H 元。將IN單元置00000001或其他數(shù)值。K7置為1，關(guān)閉R0存放器的輸出；K6置為0，關(guān)閉 R0存放器的輸入；WR、RD、IOM分別置為0、1、1，對IN單元進(jìn)行讀操作；LDAR置為1,將數(shù) 據(jù)總線的數(shù)打入地址存放器。 連續(xù)四次點擊圖形界面上的 “單節(jié)拍運行 按扭，觀察圖形界面

42、，在 T3 時刻完成對地址存放器的寫入操作。先將 WR、 RD、 IOM 分別置為 1、 0、 0，對存儲器進(jìn)行寫操作；再把 K7 置為 0，翻開 R0 存放 器的輸出； K6 置為 0，關(guān)閉 R0 存放器的輸入； LDAR 置為 0，不將數(shù)據(jù)總線的數(shù)打入地址存放 器。連續(xù)四次點擊圖形界面上的“單節(jié)拍運行按扭，觀察圖形界面，在T3 時刻完成對存儲器的寫入操作。 將當(dāng)前地址的存儲器中的數(shù)寫入到 R0 存放器中。將IN單元置00000001或其他數(shù)值，K7置為1。關(guān)閉R0存放器的輸出；K6置為0，關(guān)閉R0存放器的輸入；WR、RD、IOM分別置為0、1、1，對IN單元進(jìn)行讀操作；LDAR置為1,將數(shù)

43、 據(jù)總線的數(shù)打入地址存放器。連續(xù)四次點擊圖形界面上的“單節(jié)拍運行按扭，觀察圖形界面，在T3時刻完成對地址存放器的寫入操作。將K7置為1,關(guān)閉R0存放器的輸出；K6置為1,打開R0存放器的輸入； WR、RD、IOM分別置為0、1、0，對存儲器進(jìn)行讀操作；LDAR置為0,不將數(shù)據(jù)總線的數(shù)打入地址存放器。連續(xù)四次點擊圖形界面上的“單節(jié)拍運行按扭，觀察圖形 界面，在T3時刻完成對存放器R0的寫入操作。圖4-5 實驗接線圖注：由于采用簡單模型機(jī)的數(shù)據(jù)通路圖，為了不讓懸空的信號引腳影響通路圖的顯示結(jié)果，將這些引腳置為無效。在接線時為了方便，可將管腳接到CON單元閑置的開關(guān)上，假設(shè)開關(guān)打到1， 等效于接到V

44、CC ；假設(shè)開關(guān)打到0,等效于接到GND 。 將R0存放器中的數(shù)用LED數(shù)碼管顯示。先將WR、RD、IOM分別置為1、0、1,對OUT單元進(jìn)行寫操作；再將 K7置為0,翻開 R0存放器的輸出；K6置為0，關(guān)閉R0存放器的輸入；LDAR置為0，不將數(shù)據(jù)總線的數(shù)打入地址存放器。連續(xù)四次點擊圖形界面上的“單節(jié)拍運行按扭，觀察圖形界面，在T3時刻完成對OUT單元的寫入操作。八舉元豆更期(MHT 旳DI :n卑元(IXKJIXIUIH .將八屮元中拊盟斥人IXSTKf4IWT MD1I：1MH即和1*1CUJ脈 =C mSDXiiiy - ui=10DHiI riAi.INHIN單尢號垃州(UIXHMI

45、XII : 將漁單元中的麒月入 All將屮的甌寫入肛甜減中單元/ 門=4ll.HHX10nK7-1肚C制譏吐1II卅=1)| lLDftH T1j/ K?1y-】V|nRI Ld=QICunRc/ 、3CT-C儀=c*. KW-JD1l.lkRC實驗五 具有中斷控制功能的總線接口實驗5.1實驗?zāi)康?1) 掌握中斷控制信號線的功能和應(yīng)用。(2) 掌握在系統(tǒng)總線上設(shè)計中斷控制信號線的方法。5.2實驗設(shè)備PC機(jī)一臺，TD-CMA實驗系統(tǒng)一套，電壓表一臺。5.3實驗原理為了實現(xiàn)中斷控制，CPU必須有一個中斷使能存放器，并且可以通過指令對該存放器進(jìn)行操作。設(shè)計下述中斷使能存放器，其原理如圖5-1所示。其

46、中EI為中斷允許信號，CPU開中 斷指令STI對其置1,而CPU關(guān)中斷指令CLI對其置0。每條指令執(zhí)行完時， 假設(shè)允許中斷，CPU給出 開中斷使能標(biāo)志 STI，翻開中斷使能存放器，EI有效。EI再和外部給出的中斷請求信號一起參與指令譯碼，使程序進(jìn)入中斷處理流程。本實驗要求設(shè)計的系統(tǒng)總線具備有類 86的中斷功能，當(dāng)外部中斷請求有效、CPU允許響應(yīng)中斷，在當(dāng)前指令執(zhí)行完時，CPU將響應(yīng)中斷。當(dāng) CPU響應(yīng)中斷時冷會向8259發(fā)送兩個連續(xù)的INTA 信號，請注意，8259是在接收到第一個INTA信號后鎖住向CPU的中斷請求信號INTR 高電平有效，并且在第二個INTA信號到達(dá)后將其變?yōu)榈碗娖阶詣?EOI方式，所以，中斷 請求信號IR0應(yīng)該