計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

《計(jì)算機(jī)組成原理》

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

郭航、李永華編寫

適用專業(yè)；計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信息安全

中國(guó)民航大學(xué)計(jì)算機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)中心

二。一六年十月

前S

本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書對(duì)應(yīng)2012版和2016版的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱。

課程性質(zhì)：

本課程是我院本科生計(jì)算機(jī)專業(yè)的重要專業(yè)課程，目的是讓本專業(yè)的同

學(xué)全面和深入了解整體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本工作原理與組織實(shí)現(xiàn)的方式。

培養(yǎng)目標(biāo)：

學(xué)生應(yīng)在教師的指導(dǎo)下，深入鉆研教材內(nèi)容，通過(guò)課堂教學(xué)所學(xué)的內(nèi)容

掌握整體計(jì)算機(jī)工作原理，從而達(dá)到掌握設(shè)計(jì)CPU核心部件的一般方法。

學(xué)生應(yīng)通過(guò)綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，將理論與實(shí)踐充分結(jié)合起來(lái)，在實(shí)踐的基礎(chǔ)上

深刻理解理論知識(shí)的真正含義，避免死記硬背和機(jī)械式的套用，主動(dòng)將所

學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化成實(shí)際能力，達(dá)到獨(dú)立設(shè)計(jì)與調(diào)試硬件實(shí)驗(yàn)的目的，并具有綜

合設(shè)計(jì)訓(xùn)練的經(jīng)歷。

1.TEC-4計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

TEC-4計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由清華同方教學(xué)儀器設(shè)備公司研制。它是一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)

模型實(shí)驗(yàn)儀器?？捎糜诖髮！⒈究?、碩士研究生計(jì)算機(jī)組成原理課程、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)購(gòu)課程

的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。該儀器可提供學(xué)生的動(dòng)手能力，提高學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)整體和各組成部分的理解，

提高學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得綜合設(shè)計(jì)能力。

一、TEC—4計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)特點(diǎn)

（I）計(jì)算機(jī)模型簡(jiǎn)單、實(shí)用，運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路、控制器、控制臺(tái)個(gè)部分劃分清晰。

（2）計(jì)算機(jī)模型采用了數(shù)據(jù)總線和指令總線雙總線體制，能夠?qū)崿F(xiàn)流水控制。

（3）控制器有微程序控制器、硬聯(lián)線控制器兩種類型，每種類型乂有流水和順序兩種方案。

（4）寄存器堆由1篇ispLSI1016組成，運(yùn)算器有1片ispLSI1024組成，設(shè)計(jì)新穎。

（5）實(shí)驗(yàn)臺(tái)上包括了1片在系統(tǒng)邊城芯片ispLSI1032,學(xué)生可用它實(shí)現(xiàn)硬聯(lián)線控制器等多

種設(shè)計(jì)。

（6）該系統(tǒng)能做運(yùn)算器組成、雙端口存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)通路、微程序控制器、中斷、CPU組成

與指令執(zhí)行等六個(gè)基本教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

（7）該系統(tǒng)能完成流水微程序控制器、硬聯(lián)線控制器、流水硬聯(lián)線控制器等三個(gè)大型課程

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

（8）電源部分采用模塊電源，重量輕，具有抗電源對(duì)地短路能力。

（9）器件外部采用自鎖緊累接接線方式，可靠性和接線速度比面包板提高5倍和8倍。

（10）實(shí)驗(yàn)儀器體現(xiàn)了當(dāng)代CPU設(shè)計(jì)的先進(jìn)思想和并行技術(shù)。

二、TEC-4計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成

TEC-4計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由下述六部分組成：

<1>控制臺(tái)<2>數(shù)據(jù)通路<3>控制器<4>用戶自選器件試驗(yàn)區(qū)<5>時(shí)序電路

<6>電源部分。下面分別對(duì)各組成部分予以介紹。

三、電源與外觀

電源部分由一個(gè)模塊電源、一個(gè)電源插座、一個(gè)電源開(kāi)關(guān)和一個(gè)紅色指示燈組成。電

源模塊通過(guò)四個(gè)螺栓安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)下面，它輸出+5V電壓，最大負(fù)載電流3A,內(nèi)置自恢

復(fù)保險(xiǎn)功能，具有抗+5V對(duì)地短路能力，電源插座用于接交流220V市電，插座內(nèi)裝有保

險(xiǎn)絲。電源開(kāi)關(guān)用于接通或者斷開(kāi)交流220V市電。當(dāng)電源模塊輸出+5V時(shí)，點(diǎn)亮+5V紅

色指示燈。

四、時(shí)序發(fā)生器

時(shí)序發(fā)生器產(chǎn)生計(jì)算機(jī)模型所需的時(shí)序。時(shí)序電路由一個(gè)1MHZ晶體振蕩器、2片

GAL22V10（U6和U7）組成，位于控制存儲(chǔ)器的右邊。根據(jù)本機(jī)設(shè)計(jì)，執(zhí)行?條微指令需

要4個(gè)節(jié)拍脈沖Tl,T2,T3,T4,執(zhí)行一條指令通常需要取指、送操作數(shù)、運(yùn)算、寫結(jié)

果四個(gè)節(jié)拍電位Wl,W2,W3,W4,因此本機(jī)的基本時(shí)序如下：

圖中，MF是晶體振蕩器產(chǎn)生的IMHZ基本時(shí)鐘，Tl,T2,T3,T4是數(shù)據(jù)通路和

MF」LrLnjTrLrLrLn_rLrmrLruTrLnnr

T1-T~LP~LRI_Ir~L

口廠

T2_n____r~ir~i

T3___CI_LI~Ln

「n____r-tr~LFTr~i

W1JI_________________I

W2----------------------------1?------------------------------------------------------------

W3-----------------------------------------------------I|_______________________

W41-------------------------------II

控制器中各寄存器的節(jié)拍脈沖信號(hào)，卬制板上已將它們和有關(guān)的寄存器連接。Tl,T2,

T3,T4既供微程序控制器使用，也供硬聯(lián)線控制器使用。Wl,W2,W3,W4只供硬聯(lián)線

控制器作節(jié)拍電位信號(hào)使用。

五、數(shù)據(jù)通路

數(shù)據(jù)通路的設(shè)計(jì)是TEC-4計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)最有特色的部分。首先它采用了

數(shù)據(jù)總線和指令總線雙總線形式，使得流水實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)。它還使用了大規(guī)模在系統(tǒng)可編程

器件作為運(yùn)算器和寄存器堆棧，使得設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單明了，可修改性強(qiáng)。數(shù)據(jù)通路為與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的

中部。圖4是數(shù)據(jù)通路總體圖，下面介紹圖中各主要部件的作用。

DBUS

I.RW(T3)數(shù)據(jù)端口PAU指令端

ALU-BUS___________RAM

LDAR2(T2)

LDDR1(T3)LDDR2(T3)AR2

MUX3

DBUSh

LDPC(T4)

lAR-BUSff

，介、

LDIA

RDLRDOIj|K4IIARL|包/ALU\

WRDCr^lYTR1LDR4(W

LDER(

[ER|B1MUX4Ml

DBUSWR1,WRO

SW-BUS?

RD!.RDO

控

RSI.RSO

控制臺(tái)制--------->

信控制器]LDIR(T4)

號(hào)

圖4數(shù)據(jù)通路總體圖

I.運(yùn)算器ALU

運(yùn)算器ALU由1片ispLSI1024(U47)組成，在選擇端S2,SI,SO控制下，對(duì)數(shù)據(jù)A

和B進(jìn)行加、減、與、直通、乘五種運(yùn)算，功能如下：

表1運(yùn)算器功能表

選擇操作

S2S1so

000A&B

001B路直通

010A+B

011A-B

100A(低4位)XB(低4位)

進(jìn)位C只在加法和減法運(yùn)算時(shí)產(chǎn)生。加法運(yùn)算中，C表示進(jìn)位;減運(yùn)算中，C代表借位。

加、減運(yùn)算在T4的上升沿送入C寄存器保存。與、乘、直通操作不影響進(jìn)位C的狀態(tài)，

即進(jìn)位C保持不變。

當(dāng)ALU-BUS=1時(shí)，運(yùn)算結(jié)果送往數(shù)據(jù)總線DBUS。力口、減產(chǎn)生的進(jìn)位C(借位)與控

制臺(tái)的C指示燈相連。

2.DR1和DR2

DR1和DR2是運(yùn)算操作數(shù)寄存器，DR1和ALU的A數(shù)據(jù)口相連，DR2和ALU的B

數(shù)據(jù)口相連。DR1和DR2各有2片74HC298(U23,U24,U21,U22)組成。U23是DK1的低

四位，U24時(shí)DR1的高4位；U21是DR2的低4位，U22是DR2的面4位。當(dāng)M1=O

且LDDR1=1時(shí)，在T3的下降沿，DR1接受來(lái)自寄存器堆A端口的數(shù)據(jù)；當(dāng)Ml=l旦

LDDR1=1時(shí)，在T3的下降沿,DR1接受來(lái)自數(shù)據(jù)總線DBUS的數(shù)據(jù)；當(dāng)M2=0且LDDR2=1

時(shí)，在T3的下降沿，DR2接受來(lái)自寄存器堆B端口的數(shù)據(jù)；當(dāng)M2=l且LDDR2=1時(shí)，，

在T3的下降沿，DR2接受來(lái)自數(shù)據(jù)總線DBUS的數(shù)據(jù)。

3.多端口通用寄存器堆RF

多端口通用寄存器堆RF由1片ispLSIIOI6(U32)組成，它的功能和MC1458類似。

寄存器堆中包含4個(gè)8位寄存器(RO,RI,R2,R3),有三個(gè)控制器端口。其中兩個(gè)端

口控制讀操作，一個(gè)端口控制寫操作，三個(gè)端口可同時(shí)操作。RDhRDO選擇從B端口

讀出的寄存器，RSI,RSO選擇從A端口讀出的寄存器；WRI,WRO選擇被寫入的寄存

器。WRD寄存器的數(shù)據(jù)寫入由WRI,WRO選中的寄存器。

A端口的數(shù)據(jù)直接送往操作數(shù)寄存器DR2,B端口的數(shù)據(jù)直接送往操作數(shù)寄存器DRK

除此之外,B端口的數(shù)據(jù)還通過(guò)1片74HC244(U15)送往數(shù)據(jù)總線DBUS。當(dāng)RS-BUS#=O,

允許B端口的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線DBUS上；當(dāng)RS-BUS#=1,禁止B端口的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)

總線DBUSo

4.暫存寄存器ER

暫存寄存器ER(U14)是I片74HC374,主要用于暫時(shí)保存運(yùn)算器的運(yùn)算結(jié)果。當(dāng)

LDER=1時(shí)，在T4的上升沿，將數(shù)據(jù)總線DBUS的數(shù)據(jù)打入暫存寄存器ER。ER的輸出

送往多端口通用寄存器堆RF,作為寫入數(shù)據(jù)使用。

5.開(kāi)關(guān)寄存器SW-BUS

開(kāi)關(guān)寄存器SW-BUS(U38)是I片74HC244,用于將控制臺(tái)開(kāi)關(guān)SW7-SW0的數(shù)據(jù)送

往數(shù)據(jù)總線DBUS。當(dāng)SW-BUS#=1,禁止開(kāi)關(guān)SW7-SW0的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線DBUS：；

當(dāng)RS-BUS#=O,允許開(kāi)關(guān)SW7-SW0的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線DBUS。

6.雙端口存儲(chǔ)器RAM

雙端口存儲(chǔ)器由一片IDT7132(U36)及少量附加控制電路組成。IDT7132是2048字節(jié)

的雙端口靜態(tài)隨機(jī)儲(chǔ)存器，本機(jī)實(shí)際使用256字節(jié)。IDT7I32兩個(gè)端口可同時(shí)進(jìn)行讀、寫

操作。在本機(jī)中，左端II的數(shù)據(jù)連接數(shù)據(jù)總線DBUS,可進(jìn)行讀、謝操作，右端口數(shù)據(jù)和

指令系統(tǒng)INS連接，輸出到指令寄存器IR,作為只讀端口使用。存儲(chǔ)器IDT7132有6個(gè)

控制弓【腳：CEL#,LRW,OEL#,CER#,RRW,OER#。CEL#,LRW,OEL#控制

左端口讀、寫操作；CER#,RRW,OER#控制右端口讀、寫操作。CEL#為左端口選擇引

腳，低有效，為高時(shí)禁止左端口操作；LRW為高時(shí)，左端口進(jìn)行讀操作，LRW為低時(shí)，

左端II進(jìn)行寫操作：OEL#為低時(shí)，將左端口讀出的數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線DBUS上。CER#,

RRW,OER#控制右端口讀、寫操作的方式與CEL#,LRW,OEL#控制左端口讀、寫

操作的方式類似，不過(guò)右端口讀出的數(shù)據(jù)放到指令總線上而不是數(shù)據(jù)總線上。本機(jī)設(shè)計(jì)中，

OER#已固定接地，RRW固定接高電平，CER#由CER反相產(chǎn)生。當(dāng)CER=1時(shí)，右端口

讀出數(shù)據(jù)，并放到指令總線INS上；當(dāng)CER=0時(shí)，禁止右端口操作。左端口的OEL#由

LRW經(jīng)反相產(chǎn)生，不需要單獨(dú)控制。當(dāng)CEL#=0且LRW=1時(shí)，左端口進(jìn)行讀操作；當(dāng)

CEL#=0且LW=0時(shí)，在T3的上升沿開(kāi)始進(jìn)行寫操作，將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫入寄存器。

7.地址寄存器ARI和AR2

地址寄存器ARI(U37)和AR2(U27,U28)提供雙端口存儲(chǔ)器的地址。AR1是1

片CAL22V10,具有加I功能，提供雙端口存儲(chǔ)器左端口的地址。AR1從數(shù)據(jù)總線DBUS

接受數(shù)據(jù)。AR1的控制信號(hào)是LDAR1和ARUNC。當(dāng)AR1-INC=I時(shí)，在T4的上升沿,

AR1的值加1：當(dāng)LDAR1=1時(shí)，在T4的上升沿，將數(shù)據(jù)總線DBUS的數(shù)據(jù)打入地址寄

存器AR1。AR2由2片74HC298組成，有兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端，一個(gè)來(lái)自程序計(jì)數(shù)器PC,

另一個(gè)來(lái)自數(shù)據(jù)總線DBUS。AR2的控制信號(hào)是LDAR2和M3。M3選擇數(shù)據(jù)來(lái)源，當(dāng)

M3=l時(shí)，選中數(shù)據(jù)總線DBUS；當(dāng)M3=0時(shí)，選中程序計(jì)數(shù)器PC。LDAR2控制何時(shí)接

受地址，當(dāng)LDAR2=1時(shí)，在T2的下降沿將選中的數(shù)據(jù)源上的數(shù)據(jù)打入AR2。

8.程序計(jì)數(shù)器PC、地址加法器ALU2、地址緩存器R4

程序計(jì)數(shù)器PC、地址加法器ALU2、地址緩存器R4聯(lián)合完成三種操作：PC加載，PC+1,

PC+DoR4是一個(gè)由2片74HC298(U25,U26)構(gòu)成的具有存儲(chǔ)功能的兩路選擇器。當(dāng)

M4=l時(shí),選中數(shù)據(jù)總線DBUS；當(dāng)M4=0時(shí),從指令寄存器IR的低4位IR0-IR3接受數(shù)

據(jù)。當(dāng)LDR4=1時(shí)，在T2的下降沿將選中的數(shù)據(jù)打入R40ALU2由I片GAL22V10(57)

構(gòu)成，當(dāng)PC-ADD=1時(shí)，完成PC和IR低4位的相加，即PC加Do程序計(jì)數(shù)器PC是1

片GAL22V10(U18),當(dāng)PC-INC=1時(shí)，完成PC+1；當(dāng)PC-ADD=I時(shí)，與ALU2一起完

成PC+D的功能；當(dāng)LDPC=1時(shí)，接受從ALU2和R4來(lái)的地址，實(shí)際是接受來(lái)自數(shù)據(jù)總

線DBUS的地址，這些新的程序地址在T4的上升沿打入PC寄存器。

9.指令寄存器IR

指令寄存器IR是一片74cH374（U20）o它的數(shù)據(jù)從雙端口存儲(chǔ)器接受數(shù)據(jù)（指令）。

當(dāng)LDIR=1時(shí)，在T4的上升沿將來(lái)自雙端口存儲(chǔ)器的指令打入指令寄存器IR保存。指令

的操作碼部分送往控制器譯碼，產(chǎn)生各種所需的控制信號(hào)。大多數(shù)情況下，指令的操作書

部分應(yīng)連到寄存器堆（用戶自己連線工選擇參與運(yùn)算的寄存器。在某些情況卜\指令的

操作數(shù)部分也參與新的PC的計(jì)算。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了12條基本的機(jī)器指令，均為單字長(zhǎng)（8位）指令。指令功能及格式

如表2所示。表2中的X代表隨意值；RS1-RS0指的是寄存器堆的B端口選擇信號(hào)RS1,

RSO；RD1.RD0指的是寄存器堆的A端口選擇信號(hào)RD1-RD0,不過(guò)由于運(yùn)算結(jié)果需寫|可，

因此它也同時(shí)指WRI,WRO,用戶需將它們對(duì)應(yīng)連接。另一點(diǎn)需說(shuō)明的是，為了簡(jiǎn)化運(yùn)

算，指令JCD中的D是一個(gè)4位正數(shù)，用D3D2D1DO表示。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)雖僅設(shè)計(jì)了12條基本的機(jī)器指令，但代表了計(jì)算機(jī)中常用的指令類型。必要

時(shí)用戶可擴(kuò)充到16條指令或者重新設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)。

表2機(jī)器指令格式

指令格式

名稱助記符功能R7R6

R3R2RIR0

R5R4

00RS1RD1

加法ADDRd,RsRd+Rs-Rd

00RS0RD0

00RSIRD1

減法SUBRd,RsRd—Rs-*Rd

01RSORD0

00RSIRD1

乘法MULRd,RsRd*Rs-*Rd

10RS0RD0

00RSIRD1

邏輯與ANDRd,RsRd&Rs-Rd

11RS0RD0

01RS1RD1

存數(shù)STARd,[Rs]Rd-[Rs]

00RS0RD0

01RS1RD1

取數(shù)LDARd,[Rs][Rs]-Rd

01RS0RD0

無(wú)條件00RS1X

JMP[Rs][Rs]->PC

轉(zhuǎn)移00RS0X

條件轉(zhuǎn)若C=l,則10D3D1

JCD

移PC+PDfPC00D2D0

01XX

停機(jī)STP行停運(yùn)行

10XX

中斷返10XX

IRET返回?cái)帱c(diǎn)

回10XX

10XX

開(kāi)中斷INTS允許中斷

11XX

11XX

關(guān)中斷INTC禁止中斷

00XX

10中斷地址寄存器IAR

中斷地址寄存器IAR是一片74HC374,用于保存中斷發(fā)生時(shí)的斷點(diǎn)址。它直接使用

LDIAR信號(hào)作為脈沖。當(dāng)IAR-BUS#=0時(shí)，它將斷點(diǎn)地址送到數(shù)據(jù)總線DBUS上，以便

用控制臺(tái)上的數(shù)據(jù)指示燈觀察斷點(diǎn)地址。以上介紹了數(shù)據(jù)通路的基本組成。數(shù)據(jù)通路所需

的各控制信號(hào)，除了Tl,T2,T3,T4已在印制板上連接以外，其余的控制信號(hào)在數(shù)據(jù)通

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28c6428C64I28C6428C64

28C64

MAO—PA5UAO—VA5

IR4-IR7

路的下方都有插孔引出，實(shí)驗(yàn)時(shí)只要將它們和控制器產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)信號(hào)正確連接即可。實(shí)驗(yàn)

中提供的電路圖上，凡引出、引入線端帶有短粗黑標(biāo)記的信號(hào)，都是需要用戶自己連接的

信號(hào)。

六、控制器

控制器位于本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的中上部，產(chǎn)生數(shù)據(jù)通路操作所需的控制信號(hào)。出廠時(shí)，提供

了一個(gè)微程序控制器，使用戶能夠進(jìn)行基本的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行硬連線控制器

實(shí)驗(yàn)，流水微程序控制器實(shí)驗(yàn)和流水硬連線控制器實(shí)驗(yàn)等課程設(shè)計(jì)時(shí)，用戶可設(shè)計(jì)自己的

控制器，部分或者全部代替出廠時(shí)提供的控制器。下圖是控制器的框圖。

1.控制存儲(chǔ)器

控制存儲(chǔ)器由5片28c64(U8,U9.U10,UU,U12)組成。28C64是電擦除的可編程ROM,

存儲(chǔ)容量為8K字節(jié)，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)僅使用了64字節(jié)。為指令格式采用全水平型，微指令

字長(zhǎng)35位。其中順序控制部分10位：后繼微地址uAO—uA5,判別標(biāo)志P0,Pl,P2,

P3；操作控制字段25位，全部采用直接表示法，用于控制數(shù)據(jù)通路的操作。

標(biāo)志位P3和控制臺(tái)開(kāi)關(guān)SWB、SWA結(jié)合在一-起確定微程序的分支，完成不同的控制

臺(tái)操作。標(biāo)志位P2與指令操作碼(IR的高4位IR4,IR5,IR6,IR7)結(jié)合確定微程序的

分支，轉(zhuǎn)向各種指令的不同微程序流程。標(biāo)志位P1標(biāo)志一條指令的結(jié)束，與中斷請(qǐng)求信

號(hào)INTQ結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)程序的中斷處理。標(biāo)志位P0與進(jìn)位標(biāo)志C結(jié)合確定微程序的分支，

實(shí)現(xiàn)條件轉(zhuǎn)移指令。

操作控制字段25位，全部采用直接表示法，控制數(shù)據(jù)通路的操作。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，根

據(jù)微程序流程圖對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)木C合與歸并,把某些在微程序流程圖中作用相同

或者類似的信號(hào)歸并為一個(gè)信號(hào)。下面列出微程序控制器提供的信號(hào)。信號(hào)名帶有后綴#

者為低電平有效，否則為高電平有效。

INTS置中斷允許標(biāo)志INTE為1。

INTC清除中斷允許標(biāo)志INTE1

LDIR(CER)為1時(shí)，允許對(duì)IR加載，此信號(hào)也可用于作為雙

端口存儲(chǔ)器右端口選擇CERo

LDPC(LDR4)為1時(shí)，允許對(duì)程序計(jì)數(shù)器PC加載，此信號(hào)也可

用于作為R4的加載允許信號(hào)LDR4。

PC-ADD為1時(shí)，進(jìn)行PC+D操作。

PC-INC為1時(shí)，進(jìn)行PC+1操作。

M4當(dāng)M4=l時(shí)，R4從數(shù)據(jù)總線DBUS接受數(shù)據(jù)；當(dāng)

M4=0時(shí)，，R4從指令寄存器IR接受數(shù)據(jù)。

LDIAR為1時(shí)，允許對(duì)中斷地址寄存器IAR加載。

LDIAR(LDAR2)為1時(shí)，允許對(duì)地址寄存器AR1加載，此信號(hào)也

可用于作為對(duì)地址寄存器AR2加載。

AR1-INC為1時(shí)，允許進(jìn)行AR1+1操作。

M3當(dāng)M3=l時(shí)，AR2從數(shù)據(jù)總線DBUS接受數(shù)據(jù)；

當(dāng)M3=()時(shí)，AR2從PC接受數(shù)據(jù)。

LDER為1時(shí)，允許對(duì)暫存寄存器ER加載。

IAR-BUS#低有效，為0時(shí)將中斷地址寄存器IAR送數(shù)據(jù)總

線DBUSo

SW-BUS#低有效，為0時(shí)將控制臺(tái)開(kāi)美SW7-SW0送數(shù)據(jù)總

線DBUS

RS-BUS#低有效，為U時(shí)將奇存器堆R卜的B端口送數(shù)據(jù)總

線DBUS

ALU-BUS為1時(shí)，將ALU中的運(yùn)算結(jié)果送數(shù)據(jù)總線DBUSo

CEL#低有效，為。時(shí)允許雙端口存儲(chǔ)器左端口進(jìn)行讀、

寫操作。

LRW當(dāng)LRW=1且CEL#=0時(shí)，雙端口存儲(chǔ)器左端口進(jìn)

行讀操作；當(dāng)LRW=0且CEL#=0時(shí)，雙端口存儲(chǔ)

器左端口進(jìn)行寫操作。

WRD為1時(shí)，允許對(duì)寄存器堆RF進(jìn)行寫操作。

LDDR1(LDDR2)為1時(shí)，允許對(duì)操作書寄存器DR1加載，此信號(hào)也

可用于作為對(duì)操作數(shù)寄存器DR2加載。

Ml(M2)當(dāng)Ml=l時(shí)，操作數(shù)寄存器DR1從數(shù)據(jù)總線DBUS

接受數(shù)據(jù)；當(dāng)Ml=0時(shí)，操作數(shù)寄存器DR1從寄存

器推RF接受數(shù)據(jù).此信號(hào)也可用于作為操作數(shù)寄存

器DR2的數(shù)據(jù)來(lái)源選擇信號(hào)。

S2,SI,S0選擇運(yùn)算器ALU的運(yùn)算類型。

TJ暫停微程序運(yùn)行,

NCO,NCLNC2備用。

NC3,NC4

上述控制信號(hào)連同時(shí)序電路提供的時(shí)序、控制信號(hào)位于控制器的下邊。

2.微地址寄存器uAR

微地址寄存器uAR對(duì)控制存儲(chǔ)器提供微程序地址。當(dāng)CLR#=O時(shí)，將其復(fù)位到零，使

微程序從000000B地址開(kāi)始執(zhí)行。在T1的上升沿將新的微程序地址uDO

-uD5打入微地址寄存器uAR?？刂婆_(tái)開(kāi)關(guān)SWC直接連到5片28c64的地址A6,用于

實(shí)現(xiàn)度寄存器操作KRRo

3.跳轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)JUMP

這是一組6個(gè)跳線開(kāi)關(guān)(J1)。當(dāng)用短路子將它們連通時(shí)，微地址寄存器uAR從本實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)提供的微程序地址譯碼電路得到新的微程序地址uDO-uD5.當(dāng)它們被斷開(kāi)時(shí)，用

戶提供自己的新微程序地址uD0-uD5o這樣用戶能夠使用自己設(shè)計(jì)的微程序地址譯碼電

路。

4.微程序地址譯碼電路DEC3RDER

微程序地址譯碼電路DECORDER產(chǎn)生后繼微程序地址，它由2個(gè)74HC32(U2,U3)

和2個(gè)74HC08(U4,U5)構(gòu)成。微程序地址譯碼電路數(shù)據(jù)來(lái)源是：控制存儲(chǔ)器產(chǎn)生的

后繼微程序地址uAO—uA5,控制存儲(chǔ)器產(chǎn)生的標(biāo)志位PO—P3,指令操作碼IR4—IR7,

進(jìn)位標(biāo)志C,中斷請(qǐng)求標(biāo)志INTQ,控制臺(tái)方式標(biāo)志位SWA,SWB.,

七、控制臺(tái)

控制臺(tái)位于TEC-4計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的下部，主要由若干指示燈和若干撥動(dòng)開(kāi)關(guān)

組成，用于給數(shù)據(jù)通路置數(shù)、設(shè)置控制信號(hào)、顯示各種數(shù)據(jù)使用。

I.SW7—SWO

數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)，直接接到數(shù)據(jù)通路部分的數(shù)據(jù)總線DBUS匕用于向數(shù)據(jù)通路中的器件置

數(shù)。開(kāi)關(guān)撥到上面位置時(shí)輸出h撥到下面位置時(shí)輸出0。SW7是最高位，SW0時(shí)最低位。

2.K15—K0

雙位撥動(dòng)開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)撥到上面位置時(shí)輸出1,撥到下面位置時(shí)輸出0。實(shí)驗(yàn)中用于模擬

數(shù)據(jù)通路部分所需的電平控制信號(hào)。例如，將K0與LDDR1連接，則K0向.卜.時(shí)，表示

置LDDRI為I；K0向下時(shí)，表示置LDDRI為0。

3.數(shù)據(jù)指示燈D7—D0

8個(gè)紅色發(fā)光二極管，用于顯示數(shù)據(jù)總線DBUS或者指令寄存器IR的狀態(tài)。D7是最高

位，DO是最低位。雙位開(kāi)關(guān)IR/DBUS撥到IR位置時(shí)，顯示指令寄存器IR的狀態(tài)；雙位

開(kāi)關(guān)IR/DBUS撥到DBUS位置時(shí)，顯示數(shù)據(jù)總線DBUS狀態(tài)。

4.地址指示燈A7—A0

8個(gè)綠色發(fā)光二極管，用于顯示雙端口存儲(chǔ)器的地址寄存器內(nèi)容。A7時(shí)最高位，人0時(shí)

最低位。雙端口寄存器IDT7132有兩個(gè)地址端口，地址寄存器AR1提供左端口地址A7L

—A0L,地址寄存器AR2提供右端口地址A7R—AORo當(dāng)雙位開(kāi)關(guān)AR2/AR1撥到AR1

位置時(shí)，顯示地址寄存器ARI的內(nèi)容；當(dāng)雙位開(kāi)關(guān)AR2/ARI撥到AR2位置時(shí)，顯示地

址寄存器AR2的內(nèi)容。

5.微地址指示燈uA5—uAO

六個(gè)黃色發(fā)光二極管，用于顯示控制存儲(chǔ)器的地址uA5—uAO。uA5是最高位，uAO是

最低位。

6.其他指示燈P3,P2,Pl,PO,IE,C

六個(gè)黃色發(fā)光二極管用于顯示P3,P2,Pl,PO,IE,C的值。P3,P2,Pl,P0時(shí)控存

的微代碼位，用于條件分支產(chǎn)生下一個(gè)微地址。C是加、減運(yùn)算時(shí)產(chǎn)生的進(jìn)位（借位）值。

IE是中斷允許標(biāo)志。當(dāng)IE=1時(shí)，允許中斷：當(dāng)IE=0時(shí)，禁止中斷。

7.微動(dòng)開(kāi)關(guān)CLR#,QD,INTR

這三個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)用于產(chǎn)生CLR#,QD,INTR單脈沖。按一次CLR#,產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的單

脈沖CLR#,對(duì)全機(jī)進(jìn)行復(fù)位，使全機(jī)處于初始狀態(tài)，微程序地址置為OOOOOOB。CLR#

到時(shí)序和控制器的連接已在印制板上實(shí)現(xiàn)，控制存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)通路部分布使用復(fù)位信號(hào)

CLR#。按一次QD按粗，產(chǎn)生一個(gè)正的QD啟動(dòng)脈沖。QD和時(shí)序部分的連接己在印制板

上實(shí)現(xiàn)。按一次INTR按鈕，產(chǎn)生一個(gè)正的單脈沖，可用于作為中斷請(qǐng)求信號(hào)。INTR到

時(shí)序部分和微程序地址譯碼電路的連接已在印制板上實(shí)現(xiàn)。這三個(gè)單脈沖都有插孔對(duì)外輸

出，供用戶設(shè)計(jì)自己的控制器和時(shí)序電路時(shí)使用。

8.單步、單拍、單指令開(kāi)關(guān)DB,DP,DZ

DB（單步），DP（單拍），DZ（單指）是三種特殊的非連續(xù)工作方式。當(dāng)DP=1時(shí)，計(jì)

算機(jī)處于單拍方式，按一次QD按鈕，每次只執(zhí)行一條微指令，發(fā)送一組時(shí)序信號(hào)TI,

T2,T3,T4時(shí)序脈沖。當(dāng)DZ=1時(shí)，計(jì)算機(jī)處于單指方式。單指方式只對(duì)微程序控制器

適用。在單指方式下，按一次QD按鈕，每次只執(zhí)行一條指令。當(dāng)DB=1時(shí)，計(jì)算機(jī)處于

單步方式。單步方式只對(duì)硬聯(lián)線控制器適用。在單步方式下，按一次QD按鈕，發(fā)送一組

Wl,W2,W3,W4時(shí)序脈沖。在使用硬聯(lián)線控制器時(shí)，每條指令需要一組Wl,W2,

W3,W4時(shí)序脈沖，因此單步方式實(shí)際上是硬聯(lián)線控制器下的單指方式。對(duì)DB,DZ,

DP這三個(gè)雙位開(kāi)關(guān)，任何時(shí)刻都只允許一個(gè)開(kāi)關(guān)置1,決不允許兩個(gè)或三個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)置1。

當(dāng)DB=0,DZ=0,DP=0時(shí)，機(jī)器處于連續(xù)工作方式。

9.控制臺(tái)方式開(kāi)關(guān)SWB,SBA

控制臺(tái)方式開(kāi)關(guān)SWB,SWA定義了TEC-4II算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的五.種工作方式。

在出廠時(shí)提供的標(biāo)準(zhǔn)控存中，五種工作方式定義如下：

SWCSWBSWA工作方式

000PR,啟動(dòng)程序

001KRD,讀雙端口存儲(chǔ)器

010KWE,寫雙端口存儲(chǔ)器

011KLD,加載寄存器堆

100KRR,讀寄存器準(zhǔn)

在案CLR#按鈕復(fù)位后，根據(jù)SWC,SWB,SWA狀態(tài)來(lái)選擇工作方式。

PR是啟動(dòng)程序方式。在此方式下，首先在SW7—SW0指定啟動(dòng)地址，按啟動(dòng)按鈕QD

后，啟動(dòng)程序運(yùn)行。

KRD是讀雙端口存儲(chǔ)器方式。在此方式下，①首先在SW7—SW0置好存儲(chǔ)器地址；按

QD按鈕，則將此地址打入地址寄存器AR1,讀出存儲(chǔ)器內(nèi)容到數(shù)據(jù)總線DBUS。②；按

QD按鈕，地址寄存器AR1加1,讀出新地址存儲(chǔ)器內(nèi)容到數(shù)據(jù)總線DBUS,依次進(jìn)行下

去，直到按復(fù)位按鈕CLR#為止。

KWE是寫雙端口存儲(chǔ)器方式。在此方式下，①首先在SW7—SWO置好存儲(chǔ)器地址：按

QD按鈕，則將此地址打入地址寄存器AR1。②在SW7—SW0置好數(shù)據(jù),按QD按鈕,寫

數(shù)據(jù)到AR1指定的存儲(chǔ)器單元，地址寄存器AR1加1。③返回②，依次進(jìn)行下去，直

到按復(fù)位按鈕CLR#為止。

KLD是加載寄存器堆方式。此方式用于對(duì)寄存器堆加載。①首先在SW7—SWO置好存儲(chǔ)

器地址，按QD按鈕，則將此地址打入地址寄存器AR1。②在SW7—SWO置好數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)

的低2位DI,DO為寄存器堆中的寄存器號(hào)，按QD按鈕，則寫數(shù)據(jù)到AR1指定的存儲(chǔ)

器單元；然后將寫入的數(shù)據(jù)從右端口讀出，并送入指令寄存器IR。③在SW7—SW0置好數(shù)

據(jù)，該數(shù)據(jù)為寫入寄存器的數(shù)據(jù)，寄存器號(hào)由IR低2位指定。按QD按鈕，則首先將此

數(shù)據(jù)寫入寄存器ER,然后將ER中的數(shù)據(jù)寫入指定的寄存器。④返回②，依次進(jìn)行下去，

直到按復(fù)位按鈕CLR#為止。

KRR是讀寄存器堆方式。此方式用于讀寄存器堆中的寄存器。①首先在SW7—S忖置好

存儲(chǔ)器地址，按QD按粗，則將此地址打入地址寄存器AR1和入地址寄存器AR2。②在

SW7—SWO置好數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的D3,D2為寄存器堆中的寄存器號(hào)，按QD按鈕，則寫數(shù)據(jù)

到AR1指定的存儲(chǔ)器單元；然后將寫入的數(shù)據(jù)從右端口讀出，并送入指令寄存器IR。同

時(shí)將IR3,IR2指定的寄存器送往數(shù)據(jù)總線DBUS。撥動(dòng)開(kāi)關(guān)IR/DBUS可看到IR的值和

IR指定的寄存器的值。③返回②，依次進(jìn)行下去，直到按復(fù)位按鈕CLR#為止。

八.用戶自選器件試驗(yàn)區(qū)

本計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了一個(gè)用戶自選器件試驗(yàn)區(qū)，供常規(guī)硬聯(lián)線控制器實(shí)

驗(yàn)、流水微程序控制器實(shí)驗(yàn)、流水硬聯(lián)線控制器實(shí)驗(yàn)使用。自選器件試驗(yàn)區(qū)包括了1個(gè)高

密度ispLSI1032器件及下載插座，把PC機(jī)和下載插座用出廠時(shí)提供的下載電纜相連，在

PC機(jī)上運(yùn)行ispEXPERT軟件，即可對(duì)ispLSI1032器件編程和下載。利用ispLSII032器

件，可滿足這二個(gè)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的邏輯電路需要。另外，為了增強(qiáng)靈活性，用戶自選器件試

驗(yàn)區(qū)還提供了10個(gè)雙列直插插座，其中包括2個(gè)24引腳插座，3個(gè)20引腳插座，2個(gè)

16引腳插座，3個(gè)14引腳插座。

2.課內(nèi)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)一運(yùn)算器組成的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：2

實(shí)驗(yàn)類型：（J驗(yàn)證、綜合、設(shè)計(jì)）

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1、掌握算術(shù)邏輯運(yùn)算加、減、乘、與的工作原理。

2、熟悉簡(jiǎn)單運(yùn)算的數(shù)據(jù)傳送通路。

3、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)臺(tái)運(yùn)算的8位加、減、與、直通功能。

4、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)臺(tái)的4位乘4位功能。

5、按給定數(shù)據(jù)，完成幾種指定的算術(shù)和邏輯運(yùn)算。

二、實(shí)驗(yàn)電路

圖6運(yùn)算器找據(jù)通路實(shí)驗(yàn)電路國(guó)

圖6示出了本實(shí)驗(yàn)所用的運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路圖。ALU由1片ispLSI1024構(gòu)成。四片4

位的二選一輸入寄存器74HC298構(gòu)成兩個(gè)操作數(shù)寄存器DR1和DR2,保存參與運(yùn)算的數(shù)

據(jù)。DRI接ALU的B數(shù)據(jù)輸入端口，DR2接ALU的A數(shù)據(jù)輸入端口，ALU的輸出在

ispLSI1024內(nèi)通過(guò)三態(tài)門發(fā)送到數(shù)據(jù)總線DBUS7-DBUS0上，進(jìn)位信號(hào)C保存在

ispLSII024內(nèi)的一個(gè)D寄存器中。當(dāng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)下部的IR/DBUS開(kāi)關(guān)拔到DBUS位置時(shí)，8

個(gè)紅色發(fā)光二極管指示燈接在數(shù)據(jù)總線DBL1S上，可顯示運(yùn)算結(jié)果或輸入數(shù)據(jù)。另有一

個(gè)指示燈C顯示運(yùn)算進(jìn)位信號(hào)狀態(tài)。由ispLSI1024構(gòu)成的8位運(yùn)算器的運(yùn)算類型由選擇

端S2,SI,SO選擇，功能如表3所示。

選擇

操作

S2S1so

000A&.B

001B路直通

010A+B

011A-B

100A（低4位）XB（低4位）

表3運(yùn)算器運(yùn)算類型選擇表

進(jìn)位C只在加法運(yùn)算和減法運(yùn)算時(shí)產(chǎn)生，與、乘、直通操作不影響進(jìn)位C的狀態(tài)，即

進(jìn)位C保持不變。減法運(yùn)算采用加減數(shù)的反碼再加以1實(shí)現(xiàn)。在加法運(yùn)算中，C代表進(jìn)位;

在減法運(yùn)算中，C代表借位。運(yùn)算產(chǎn)生的進(jìn)位在T4的上升沿送入ispLSI1024內(nèi)的C寄存器

保存。

在SW-BUS#信號(hào)為。時(shí)，參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)三態(tài)門的74HC244（SW-BUS）送

到DBUS總線上，進(jìn)而送至DR1或DR2操作數(shù)寄存器。輸入數(shù)據(jù)可由實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的8個(gè)二進(jìn)

制數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)SW0-SW7來(lái)設(shè)置，其中SW0是最低位SW7是最高位。開(kāi)關(guān)向上時(shí)為I,開(kāi)關(guān)

向下時(shí)為0。

圖中尾巴上帶粗短線標(biāo)記的信號(hào)都是控制信號(hào)，控制信號(hào)均為電位信號(hào)。T3,T4是脈

沖信號(hào)，印制板上已連接到實(shí)驗(yàn)臺(tái)的時(shí)序電路產(chǎn)生的T3,T4信號(hào)上。S2,SI,SO,ALU-BUS,

LDDR2,LDDR1,Ml,M2,SW-BUS#各電位控制信號(hào)用電平開(kāi)關(guān)K0-K15來(lái)模擬。KC-K15

是一組用于模擬各控制電平信號(hào)的開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)向上時(shí)為1,開(kāi)關(guān)向下時(shí)為0,每個(gè)開(kāi)關(guān)無(wú)周

定用途，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)具體情況選用。S2,SI,SO,ALU-BUS,LDDR2,LDDR1為高電平

有效,SW-BUS#為低電平有效。M1=1時(shí)，DR1選擇D1-AI作為數(shù)據(jù)輸入端；Ml=0時(shí)，

DR1選擇D0-A0作為數(shù)據(jù)輸入端。當(dāng)LDDR1=O時(shí)，在T3的下降沿，選中的數(shù)據(jù)被打入

DR1寄存器。M2=l時(shí)，DR2選擇D1-A1作為數(shù)據(jù)飾入端；M2=0時(shí)，DR2選擇D0-A0作

為數(shù)據(jù)輸入端。當(dāng)LDDR2R時(shí)，在T3的下降沿，選中的數(shù)據(jù)被打入DR2寄存器。

數(shù)據(jù)總線DBUS有5個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)源：運(yùn)算器ALU,寄存器堆RF,控制臺(tái)開(kāi)關(guān)SW0-SW7,

雙端口存儲(chǔ)器IDT7132和中斷地址寄存器IAR。在任何時(shí)刻，都不允許2個(gè)或者2個(gè)以上

的數(shù)據(jù)源同時(shí)向數(shù)據(jù)總線DBUS輸送數(shù)據(jù)，只允許I個(gè)（或者沒(méi)有）數(shù)據(jù)源向數(shù)據(jù)總線DBUS

輸送數(shù)據(jù)。在本實(shí)驗(yàn)中，為了保證數(shù)據(jù)的正確設(shè)置和觀察，請(qǐng)令RS-BUS#=I,LRW=O,

IAR-BUS#=lo

為了在實(shí)驗(yàn)中，每次只產(chǎn)生一組Tl,T2,T3,T4脈沖，需將實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的DP、DB.

DZ開(kāi)關(guān)進(jìn)行正確設(shè)置。將DP開(kāi)關(guān)置1,將DB,DZ開(kāi)關(guān)置0,每按一次QD按鈕，則順序

產(chǎn)生Tl,T2,T3,T4各一個(gè)單脈沖。本實(shí)驗(yàn)中采用單脈沖輸出。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1、TEC-4計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)1臺(tái)

2、直流萬(wàn)用表一只

3、邏輯測(cè)試筆一支

四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟

（1）按圖6所示，正確連接運(yùn)算器模塊與實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的電平開(kāi)關(guān)K0-KI5。由于運(yùn)算C指示

燈，8位