th-union教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)教師實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、目錄第一章11Tion 計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)概述2T 1.1.11.1.21.1.31.1.41.1.51.1.6ion 教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述2T TTion 教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)系列和總體組成概述2ion 教學(xué)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)3ion 教學(xué)計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)和組成設(shè)計(jì)4教學(xué)計(jì)算機(jī)的硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)5模擬實(shí)現(xiàn)的教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)6教學(xué)計(jì)算機(jī)在教學(xué)過的作用712教學(xué)機(jī)支持的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目81.2.11.2.28基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目-1012擴(kuò)展的其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目第二章2.12.22.32.42.52.62.7實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)12基礎(chǔ)匯編語言程序設(shè)計(jì)-22-23-3438脫機(jī)運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)組合邏輯控制器教學(xué)實(shí)驗(yàn)器教學(xué)實(shí)驗(yàn)I/O 口擴(kuò)

2、展實(shí)驗(yàn)41中斷實(shí)驗(yàn)45微程序控制器教學(xué)實(shí)驗(yàn)2.7.12.7.2454962技術(shù)資料匯總微程序控制器實(shí)驗(yàn)2.82.9BASIC 語言程序設(shè)計(jì)FPGA實(shí)現(xiàn)非流水線的CPU 系統(tǒng)66第一章 Tion 計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)概述1.1Tion 教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述1.1.1 Tion 教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)系列和總體組成概述Tion 是由計(jì)算機(jī)系和科教儀器廠聯(lián)合研制并通過了教育部主持的成果鑒定的適用于計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要用于計(jì)算機(jī)組成原理和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等課程的硬件教學(xué)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)還支持程序、匯編語言程序設(shè)計(jì)、BASIC 高級語言程序設(shè)計(jì)技術(shù)，都緊緊地圍繞著對課程教學(xué)內(nèi)容的覆蓋程度等

3、方面的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。它的功能設(shè)計(jì)和所能完成的教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的質(zhì)量與水平來進(jìn)行安排。其突出特點(diǎn)有二，一是硬、基本配置比較完整，能覆蓋相關(guān)課程主要教學(xué)內(nèi)容，支持的教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多且水平高，文字與圖紙資料相對齊全。二是既有用不同集成度的半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)的真實(shí)“硬件”計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，同時(shí)還有在 PC計(jì)算機(jī)上用下圖所示。實(shí)現(xiàn)的功能完全相同的教學(xué)計(jì)算機(jī)的“”模擬系統(tǒng)，其組成的功能如圖 1.1 硬件實(shí)現(xiàn)的實(shí)際計(jì)算機(jī)系統(tǒng)圖 1.2實(shí)現(xiàn)的模擬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)從圖 1.1 可以看到，該計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成能是完整的，運(yùn)算器、控制器、器、計(jì)算機(jī)總線、輸入輸出接口等配備齊全，還可以接通 PC 機(jī)仿真終端執(zhí)行輸入輸出操作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了微程序方

4、案的和硬布線方案的 2 種控制器。從 CPU 的具體設(shè)計(jì)技術(shù)區(qū)分，既支持用中小集成度實(shí)現(xiàn) CPU 的方案，也支持選用高集成度的 FPGA 門陣列器件實(shí)現(xiàn) CPU 的方案，體現(xiàn)了 CPU 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的水平。從計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)的角度看，該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成也是完整的，支持簡單的高級語言 BASIC（包括浮點(diǎn)運(yùn)算指令和基本函數(shù)運(yùn)算功能），匯編語言（支持基本偽指令功能）和二進(jìn)制的機(jī)器語言，配有自己的程序，以及 PC 機(jī)仿真終端程序等。，全部的源程序代碼是寶貴的教學(xué)參考資料。從圖 1.2 可以看到，實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)指令級模擬系統(tǒng)，可以使實(shí)驗(yàn)脫離實(shí)際的教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在 PC 機(jī)上執(zhí)行教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全部

5、功能；微程序和硬連線這一級別的模擬軟：解釋 BASIC 語言匯編語言支持程序（指令）級模擬 教學(xué)機(jī)模擬：運(yùn)算器、控制器模擬(微程序級或硬布線控制器級模擬)主器模擬，總線、接口模擬輸入設(shè)備/ 輸出設(shè)備模擬運(yùn)行環(huán)境：PC 機(jī)，Windows 系統(tǒng)：解釋 BASIC 語言匯編語言支持程序硬件：運(yùn)算器，控制器（多種實(shí)現(xiàn)：（微程序或硬布線控制器，中小規(guī)模器件或 FPGA 器件實(shí)現(xiàn)）主器，總線，接口輸入設(shè)備，輸出設(shè)備硬件與電路：邏輯器件和設(shè)備件，可以通過 PC 機(jī)屏幕查看在教學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)、指令的過程，并顯示每一步的運(yùn)行結(jié)果，為設(shè)計(jì)、調(diào)試教學(xué)機(jī)新的或硬件功能提供重要的輔助作用。值得一提的還研制了控制器（微程

6、序或硬連線方案）輔助設(shè)計(jì)，同學(xué)可以在 PC 機(jī)上使用該直接設(shè)計(jì)該計(jì)算機(jī)的控制器，包括定義指令格式和編碼，劃分指令執(zhí)行步驟和每一步的操作功能，確定控制器需要提供的全部控制信號等全部過程，最后會自動生成能裝入教學(xué)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中實(shí)際應(yīng)用的最終結(jié)果文件。接下來還可以選用微程序級的模擬系統(tǒng)，或者硬布線控制器級的模擬系統(tǒng)，對經(jīng)過輔助設(shè)計(jì)得到的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行模擬運(yùn)行，計(jì)算機(jī)屏幕上會詳細(xì)顯示每一步的運(yùn)行結(jié)果，做到盡早地發(fā)現(xiàn)問題。由于在執(zhí)行上述的控制器設(shè)計(jì)和模擬運(yùn)行的整個(gè)過，都是在 PC 機(jī)上完成的，脫離實(shí)際的教學(xué)機(jī)系統(tǒng)，工作更方便，效率更高，對節(jié)省學(xué)時(shí)、幫助同學(xué)加深對控制器組成、設(shè)計(jì)等方面的理解深度也有益處。

7、1.1.2 Tion 教學(xué)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理地確定一臺計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)，無論對計(jì)算機(jī)廠家還是對最終用戶來說都是十分重要的事情，它密切關(guān)系到計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度和生產(chǎn)成本，計(jì)算機(jī)使用的難易程度和運(yùn)行效率。對主要用于教學(xué)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡挠?jì)算機(jī)，特別是對于一臺 16 位字長的教學(xué)計(jì)算機(jī)來說，確定其指令系統(tǒng)，題。地應(yīng)關(guān)注它在教學(xué)過的作用和使用方法，至少應(yīng)解決好以下幾個(gè)問（1）指令格式和功能的典型性，即選擇 DLX 指令集結(jié)構(gòu)，適當(dāng)靠攏 RISC 機(jī)的指令格式，做到盡可能小的指令集，簡化的尋址方式。這樣做不僅使教學(xué)計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)簡化，實(shí)現(xiàn)簡單，易于實(shí)現(xiàn)指令流水。做到指令格式和功能有良好的典型性

8、，同學(xué)更容易接受，講解清楚這套指令系統(tǒng)和控制器設(shè)計(jì)，也有利于教學(xué)內(nèi)容的整體安排。更容易完整地講（2）指令系統(tǒng)要有一定的完備程度，給出的指令格式適當(dāng)規(guī)范，指令分類合理，指令執(zhí)行步驟容易理解，符合人們通常的編程使用?？傊?，有較好的易學(xué)易用性。確保選用這套指令系統(tǒng)，能方便地設(shè)計(jì)教學(xué)計(jì)算機(jī)的配套。（3）更高的可擴(kuò)充性，即為學(xué)生添加各種新的指令留下比較充足的余地，為此可以把完整的系統(tǒng)中指令劃分為必備的（約 30 條）基本指令（設(shè)計(jì)者已經(jīng)實(shí)現(xiàn)）和待擴(kuò)展的（約 20 條）保留指令（留給學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)）2 大類；在擴(kuò)展新的指令時(shí)，實(shí)現(xiàn)要適當(dāng)簡單，但要有比較多的設(shè)計(jì)內(nèi)容和選擇余地，以便更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和開

9、創(chuàng)能力，有利于深化教學(xué)內(nèi)容。（4）符合教學(xué)計(jì)算機(jī)的特定要求。對 16 位字長的計(jì)算機(jī)，指令的操作碼部分可以選擇為固定長度；再結(jié)合所選用的運(yùn)算器器件 Am2901內(nèi)含 16 個(gè)通用寄存器的特點(diǎn)，寄存器尋址方式需要使用 4 位的形式地址。如果需要，還可以指定 16 個(gè)累加器中的幾個(gè)為以便最大程度地簡化教學(xué)機(jī)硬件組成，簡化指令執(zhí)行流程設(shè)計(jì)。的寄存器，遵照上述思路，最終確定了教學(xué)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)的具體組成和指令格式。指令格式如圖1.3 所示。從圖中可以看到，指令中包括單字指令和雙字指令，第一個(gè)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(gè)指令字是操作數(shù)地址字段，分別有 3 種用法。8

10、 位4 位4 位操作碼DRSRIO 端口地址 / 相對偏移量立即數(shù) / 直接內(nèi)存地址 / 變址偏移量圖 1.3教學(xué)機(jī)的指令格式8 位指令操作碼（記作“IR15IR8”），各位的含義如下：IR15、IR14 用于區(qū)分指令組： 0表示 A 組，10 表示 B 組，11 表示 C、D 組；IR13 用于區(qū)分基本指令和擴(kuò)展指令：0 表示基本指令，1 表示擴(kuò)展指令；IR12 用于簡化控制器的實(shí)現(xiàn)，暫定該位的值為 0；IR11IR8 用于區(qū)分同一指令組中的不同指令（最多 16 條）；IR11 還用于區(qū)分 C、D 組指令（每組最多 8 條）：0 表示 C 組，1 表示 D 組。第一個(gè)指令字中的操作數(shù)地址字段

11、可以給出：4 位的通用寄存器（DR 代表目的寄存器，SR 代表源寄存器），8 位的 IO 端口地址，8 位的相對變址偏移量。第二個(gè)指令字用于給出 16 位的立即數(shù)，16 位的直接內(nèi)存地址，或者 16 位的變址偏移量。1.1.3 Tion 教學(xué)計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)和組成設(shè)計(jì)作為教學(xué)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)使用的計(jì)算機(jī)，其結(jié)構(gòu)和組成設(shè)計(jì)要比較好地體現(xiàn)出盡可能多的主要教學(xué)內(nèi)容，包括功能劃分清晰，設(shè)計(jì)合理，它們之間連接關(guān)系適當(dāng)規(guī)范等。在選用中小規(guī)模集成度器件實(shí)現(xiàn)的 CPU 系統(tǒng)中，運(yùn)算器設(shè)計(jì)選用了位片結(jié)構(gòu)的 4 位長度的運(yùn)算器，內(nèi)含功能比較合理的 ALU，雙端口控制讀出、單端口控制寫入的 16 個(gè)累加器，和完成乘除法運(yùn)算的

12、乘商寄存器等功能的教學(xué)內(nèi)容。，從功能和組成兩個(gè)方面都比較好地體現(xiàn)了運(yùn)算器在控制器設(shè)計(jì)中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了微程序的和硬布線的兩種控制器，通過一個(gè)開關(guān)簡單地完成兩種控制器之間的切換。講課過，以一種控制器方案為主，對控制器的組成與設(shè)計(jì)技術(shù)講明講透，再用少量學(xué)時(shí)順便介紹另外一種控制器方案，有利于比較兩種控制器的異同之處和各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可以取得事半功倍的教學(xué)效果。設(shè)計(jì)指令執(zhí)行步驟時(shí)，對選用中小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)的控制器，為了突出基本原理和減少器件數(shù)量，指令被設(shè)計(jì)為串行執(zhí)行，即下一條指令必須在當(dāng)前指令完全結(jié)束后才能開始；在選用高集成度的現(xiàn)場可編程器件 FPGA 實(shí)現(xiàn)的 CPU 系統(tǒng)中，繼承了原來的指令系統(tǒng)，既支持

13、指令的串行執(zhí)行，也可以選用指令流水線技術(shù)實(shí)現(xiàn)指令的并行執(zhí)行，以支持真實(shí)的指令流水線的教學(xué)實(shí)驗(yàn)功能。在教學(xué)計(jì)算機(jī)器設(shè)計(jì)中，出于簡化和容易實(shí)現(xiàn)的目的，選用靜態(tài)器實(shí)現(xiàn)內(nèi)器系統(tǒng)，包括了唯讀區(qū)（ROM，存放程序等）和隨讀寫區(qū)（RAM）兩部分，也可以實(shí)現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)分開的兩個(gè)體（只用于 FPGA 實(shí)現(xiàn)的帶指令流水線的 CPU 系統(tǒng)）。適當(dāng)改進(jìn)后，可以支持器的多體交叉編址技術(shù)。在教學(xué)計(jì)算機(jī)總線設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了單總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線比較簡單，保證教學(xué)機(jī)的正常運(yùn)行并體現(xiàn)出總線設(shè)計(jì)的基本原理。關(guān)于計(jì)算機(jī)中的接口線路，教學(xué)計(jì)算機(jī)提供了 2 路串行接口（EL 8251），可以接入 PC機(jī)作為教學(xué)計(jì)算機(jī)的

14、仿真終端完成輸入輸出操作；作為擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，也可以通過在一個(gè) 40 芯的器件插座上插上其他標(biāo)準(zhǔn)接口線路（例如口線路的輸入輸出操作。EL 的 8255、8253 等）并適當(dāng)接線，完成常用接關(guān)于中斷處理，支持 3 級的中斷并允許中斷嵌套，可以完成常規(guī)的中斷處理能力，對中斷優(yōu)先級編碼與排隊(duì)，中斷響應(yīng)和現(xiàn)場切換等處理上特色很強(qiáng)。1.1.4 教學(xué)計(jì)算機(jī)的硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)作為教學(xué)目的的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在具體的硬件實(shí)現(xiàn)方面與一般的計(jì)算機(jī)有著某些明顯不同之處，具體表現(xiàn)在如下 3 個(gè)方面。首先是“處處可見”的要求，不僅全部和全部器件要做成全方式，還包括計(jì)算機(jī)運(yùn)行過各種數(shù)據(jù)和控制信號的狀態(tài)及其時(shí)空關(guān)系也容易觀察，這對于學(xué)

15、生完成教學(xué)實(shí)驗(yàn)，掌握計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)技術(shù)是必不可少的。因此，教學(xué)機(jī)的線路板上設(shè)置了大量的開關(guān)和指示燈，適當(dāng)?shù)奶泳€插針、插孔等。隨之帶來的一個(gè)突出是設(shè)備的可靠性和更高的抗破壞性，換句話說，要能夠盡量降低學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程時(shí)常會發(fā)生的錯(cuò)誤對教學(xué)機(jī)的損壞程度，還要容易維修，這是教學(xué)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過的難點(diǎn)之一。其次，在教學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)中，要給出盡可能高的可擴(kuò)展性，即可以方便地修改已有設(shè)計(jì)，或者增加新的功能。限制太多，留的選擇余地太少，會嚴(yán)重影響教學(xué)實(shí)驗(yàn)的水平和質(zhì)量；保留的選擇余地過多，不僅難以實(shí)現(xiàn)，還會增大教學(xué)實(shí)驗(yàn)難度，反過來也難以保證教學(xué)實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量。如何在這二者之間進(jìn)行取舍，無疑是留給設(shè)計(jì)者的又一個(gè)難題

16、。作為主導(dǎo)，還是更強(qiáng)調(diào)選擇余地留得適當(dāng)多一點(diǎn)，通過加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)說明寫的詳細(xì)一些，使得學(xué)生可以開展一些有創(chuàng)意的教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，全力增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和學(xué)習(xí)的能力。最后一點(diǎn)是通過教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠體現(xiàn)出多大的知識面，即涵蓋多大范圍的主要教學(xué)內(nèi)容。為了兼顧不同院校的教學(xué)安排，針對計(jì)算機(jī)組成原理和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)兩門課程的實(shí)驗(yàn)需求，把教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)做成了一個(gè)系列產(chǎn)品。從計(jì)算機(jī)字長劃分，可以實(shí)現(xiàn) 8 位字長的計(jì)算機(jī)，也可以實(shí)現(xiàn) 16 位字長的計(jì)算機(jī)，難能可貴的是它們是在同一個(gè)印制電路板上實(shí)現(xiàn)的，換言之，只要教師具備相應(yīng)的知識和技術(shù)能力，在16 位的教學(xué)計(jì)算機(jī)上，經(jīng)過重新設(shè)計(jì)并組裝成 8 位字長的計(jì)算機(jī)

17、是可行的，當(dāng)然這已經(jīng)是完全不同指令系統(tǒng)、不同硬組成的兩套計(jì)算機(jī)，可以用在計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)過，用于課程設(shè)計(jì)，甚至于作為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目也是可行的。從選用的器件劃分，支持用中小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)的 CPU 系統(tǒng)，在體現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成的原理性知識的同時(shí)，在很多場合都要涉及到數(shù)字邏輯電路和邏輯設(shè)計(jì)的具體知識，更接近計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的線路邏輯的底層，體現(xiàn)了比較傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)安排。還支持用大規(guī)模集成電路 FPGA實(shí)現(xiàn)的單個(gè)的 CPU 系統(tǒng)，選用 VHDL 語言描述計(jì)算機(jī)處理器的功能組成，此時(shí)則較少涉及計(jì)算機(jī)具體實(shí)現(xiàn)的線路邏輯，更有利于突出計(jì)算機(jī)的功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并且為實(shí)現(xiàn)指令流水提供了最好的條件，體現(xiàn)

18、出比較新的教學(xué)內(nèi)容和更次的實(shí)驗(yàn)安排。從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完整性劃分，目前國內(nèi)多數(shù)的計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)是在硬件 機(jī)裝置上完成的，實(shí)驗(yàn)裝置上沒有配備合理的系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)組成原理被作為一門“純正的”硬件課程來，這是很過時(shí)的做法，與國外先進(jìn)的教學(xué)安排相差甚遠(yuǎn)。則堅(jiān)持把一臺硬配置比較完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)，匯編語言程序設(shè)計(jì)、簡單的操作系統(tǒng)雛形（程序），不同層次的模擬等應(yīng)該在計(jì)算機(jī)組成原理課有適當(dāng)?shù)牡匚?。從?jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)劃分，在教學(xué)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中，有非常老式的、基本上完全手工設(shè)計(jì)的例子，也有更現(xiàn)代化的通過 VHDL 語言描述、并用 FPGA實(shí)現(xiàn)的例子。使有機(jī)會在二者之間進(jìn)行某些對比，看到

19、技術(shù)進(jìn)步給 IT 產(chǎn)業(yè)帶來的深遠(yuǎn)影響。除此之外，還設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)控制器（含微程序控制器和硬連線控制器）輔助設(shè)計(jì)，該將以導(dǎo)航方式指明控制器的設(shè)計(jì)流程，引導(dǎo)學(xué)生逐項(xiàng)完成必要的設(shè)計(jì)，包括定義指令系統(tǒng)，劃分指令執(zhí)行步驟和每一步實(shí)現(xiàn)的功能，選擇有關(guān)控制信號等，并把原來完全手工設(shè)計(jì)過程中那些機(jī)械重復(fù)的微指令編碼、微指令地址安排，以及書寫硬連線控制器每一個(gè)控制信號的邏輯表達(dá)式等煩人的勞動交由計(jì)算機(jī)自動完成，極大地提高了教學(xué)實(shí)驗(yàn)的工作效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。接下來可以通過運(yùn)行模擬系統(tǒng)，檢查輔助設(shè)計(jì)的結(jié)果，盡快地幫助找出設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤。正確的設(shè)計(jì)結(jié)果可以被直接裝入到實(shí)際的硬件系統(tǒng)中，通過運(yùn)行最終設(shè)計(jì)的硬件教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，查

20、看實(shí)際運(yùn)行效果。設(shè)計(jì)過程和操作運(yùn)行步驟密切相關(guān)，環(huán)環(huán)緊扣，使學(xué)生在探索中學(xué)習(xí)，濃厚的興趣，油然而生的成就感將激勵(lì)他們不斷前進(jìn)。1.1.5模擬實(shí)現(xiàn)的教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)把已經(jīng)用硬件實(shí)現(xiàn)的教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全部功能，通過模擬的辦法在 PC 機(jī)上再次展現(xiàn)的直接交流，了解到國外有模擬的方式完成逐項(xiàng)教學(xué)實(shí)出來，是做出的努力之一。通過網(wǎng)上查詢和與已經(jīng)出國一些著名大學(xué)在計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)過的安排，多選用驗(yàn)。其優(yōu)點(diǎn)是使用方便，變動設(shè)計(jì)的靈活性強(qiáng)，可以比較容易地對比不同設(shè)計(jì)方案對計(jì)算機(jī)執(zhí)行性能影響的程度。不使用硬件設(shè)備完成教學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)成本也會比較低，不要求專職的管理硬件教學(xué)，授課與輔導(dǎo)教師更容易與同學(xué)交互。缺憾也

21、是明顯的，學(xué)生學(xué)習(xí)硬件課程的整個(gè)過程，不接觸（擁有）自己可以設(shè)計(jì)與修改的硬件設(shè)備，的精力集中到計(jì)算機(jī)的功能設(shè)計(jì)部分，難以對線路與邏輯設(shè)計(jì)部分，計(jì)算機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)中的工程性、技術(shù)性問題有切身體會。如何權(quán)衡硬件的教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和模擬的教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在課程教學(xué)中的作用，可能是仁者見仁，智者見智，恐怕一時(shí)也難有定論。對此，采取的措施是同時(shí)實(shí)現(xiàn)出這樣兩部分內(nèi)容，并且同時(shí)使用在教學(xué)過，使它們發(fā)揮各自不同的作用，通過教學(xué)實(shí)踐來探索更好的解決問題的途徑。為了更便于比較，做到更好的資源復(fù)用，在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，采取了兩項(xiàng)措施：模擬的教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的過（1） 堅(jiān)持與硬件實(shí)現(xiàn)的教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有盡可能高的一致性。為此，模擬使用

22、的信息，例如程序的執(zhí)行碼，微程序控制器的微程序的二進(jìn)制編碼文件等，與硬件教學(xué)機(jī)系統(tǒng)中使用的完全相同，這樣輔助設(shè)計(jì)產(chǎn)生的設(shè)計(jì)結(jié)果，既可以直接用于模擬，也可以直接用于寫到硬件教學(xué)機(jī)的中，確保二者之間有最好的一致性。（2） 在模擬的設(shè)計(jì)中，比較準(zhǔn)確地按照硬件系統(tǒng)的主要功能實(shí)現(xiàn)模擬，確保硬件實(shí)現(xiàn)的與模擬現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)有良好的對照關(guān)系，有望在教學(xué)過可以得到更好的教學(xué)效果。實(shí)現(xiàn)的模擬系統(tǒng)，模擬重點(diǎn)分配到 2 個(gè)層次上。一個(gè)層次是指令級模擬，模擬的最小是一條機(jī)器指令,根據(jù)得到的指令的具體內(nèi)容計(jì)算出這條指令的執(zhí)行結(jié)果。這個(gè)模擬的運(yùn)行對象是機(jī)器指令組成的程序，運(yùn)行結(jié)果將顯示在計(jì)算機(jī)的屏幕上。當(dāng)被運(yùn)行的程序?qū)ο笫浅绦?/p>

23、時(shí)，實(shí)際上就是在模擬程序的執(zhí)行過程，可以執(zhí)行每一個(gè)命令，與在真實(shí)教學(xué)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行程序的效果是一樣的，此時(shí)也可以說是在執(zhí)行教學(xué)計(jì)算機(jī)系BASIC 語言的程序等。級的模擬，可以建立并運(yùn)行用戶的匯編程序，也可以建立并運(yùn)行用戶的另一個(gè)層次是微體系結(jié)構(gòu)級模擬，模擬的最小是一條指令的一個(gè)執(zhí)行步驟，對微程序控制器而言是一條微指令，對硬連線控制器而言是指令的一個(gè)節(jié)拍。這個(gè)模擬的運(yùn)行對象也是機(jī)器指令組成的程序，運(yùn)行結(jié)果將顯示在計(jì)算機(jī)的屏幕上，但它有 2 種不同的運(yùn)行方式：連續(xù)運(yùn)行和單步運(yùn)行。在連續(xù)運(yùn)行方式下，在計(jì)算機(jī)屏幕上見到的運(yùn)行效果和前一個(gè)層次上的運(yùn)行效果是一樣的，只是運(yùn)行速度要慢得多，因?yàn)橐M計(jì)算每一條

24、指令的每一個(gè)執(zhí)行步驟的結(jié)果，經(jīng)過幾個(gè)模擬步驟才能得到一條指令的運(yùn)行結(jié)果，承擔(dān)模擬的 PC 計(jì)算機(jī)的計(jì)算量要增大很多。在單步運(yùn)行方式下，在計(jì)算機(jī)屏幕上將顯示指令的這個(gè)執(zhí)行步驟的有關(guān)運(yùn)行結(jié)果，包括指令寄存器的內(nèi)容，指令所處的執(zhí)行步驟，地址總線、數(shù)據(jù)總線、各個(gè)累加器的內(nèi)容，運(yùn)算器的輸出結(jié)果和標(biāo)志位的結(jié)果，狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，控制器全部控制信號的當(dāng)前狀態(tài)等完整的信息，主要用于查 看、理解、分析計(jì)算機(jī)內(nèi)指令執(zhí)行的詳實(shí)過程，這對檢查同學(xué)新增加的控制器功能（擴(kuò)展的新指令的執(zhí)行過程）的正確性是很有幫助的。開發(fā)模擬需要注意選擇運(yùn)行?？紤]到已經(jīng)把 Windows 系統(tǒng)作為仿真終端的運(yùn)行環(huán)境，全部系統(tǒng)也都到這一之上。

25、1.1.6 教學(xué)計(jì)算機(jī)在教學(xué)過的作用Tion 教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成和設(shè)計(jì)技術(shù)，作為教學(xué)內(nèi)容的實(shí)例有很強(qiáng)的典型性，修改或擴(kuò)展已有功能可以比較好地滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求；硬件實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以用于現(xiàn)場的真實(shí)硬件系統(tǒng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，模擬實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以在脫離實(shí)際教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的條件下，在PC 機(jī)上通過模擬的辦法完成原本必須在教學(xué)機(jī)上進(jìn)行的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)系本科生最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，必修，課程在整個(gè)教學(xué)安排中占有重要的地位。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程也是計(jì)算機(jī)系本科生重要的專業(yè)課程之一，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)卻不容易，目前比較多地集中到通過模擬來評測不同設(shè)計(jì)方案對系統(tǒng)性能的影響。應(yīng)該清

26、醒地看到，國內(nèi)對于計(jì)算機(jī)硬件為主的課程的定位尚不夠準(zhǔn)確，教學(xué)過也還存在一些模糊認(rèn)識，或由于條件上的限制采取了一些不夠進(jìn)取的辦法，這一切嚴(yán)重地影響教學(xué)質(zhì)量，長遠(yuǎn)看，對我國信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是不利的。對硬件為主的課程定位不夠準(zhǔn)確，主要表現(xiàn)在一種“”的心理，認(rèn)為計(jì)算機(jī)硬件（尤其是計(jì)算機(jī)組成原理課程）難教更難學(xué)，于是采取適當(dāng)躲避的態(tài)度對待之，一點(diǎn)的，直接說計(jì)算機(jī)組成原理課程沒有用。顯而易見，如果計(jì)算機(jī)專業(yè)的本科生，連計(jì)算機(jī)組成原理這樣一些專業(yè)基礎(chǔ)知識都不具備，如何更好地學(xué)習(xí)后續(xù)的專業(yè)課程，又如何能發(fā)展成為計(jì)算機(jī)的專業(yè)呢？更不是高級專門。對課程的模糊認(rèn)識之一，認(rèn)為計(jì)算機(jī)組成原理是純硬件課，把它和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)決

27、然分開，而不是把它作為完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成部分之一來合理安排教學(xué)內(nèi)容，這是國外 30 多年前就已舍棄的陳舊做法。模糊認(rèn)識之二，認(rèn)為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)硬件不再重要，以為主要應(yīng)該講解高檔計(jì)算機(jī)中出現(xiàn)的技術(shù)和進(jìn)展，殊不知這些出現(xiàn)的技術(shù)和進(jìn)展都是在基本原理上發(fā)展而來的，輕視專業(yè)基礎(chǔ)知識，最終架設(shè)的知識結(jié)構(gòu)只能是空中樓閣，更不符合大學(xué)通才教育的要求。條件上的限制，主要表現(xiàn)在缺乏必要的、能比較好地滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)要求的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，使教學(xué)過程地建立在課堂授課的方式下，缺乏必要的教學(xué)實(shí)踐支持，這對于技術(shù)性和工程性很強(qiáng)的課程來說幾乎成為性。引申一步看，還包括部分任課教師所具有的知識結(jié)構(gòu)基本上也只限于書本知識，缺乏設(shè)計(jì)難以

28、完全適應(yīng)教學(xué)的實(shí)際需要。一臺真實(shí)一點(diǎn)的計(jì)算機(jī)基本硬、系統(tǒng)的經(jīng)歷，一時(shí)還的觀點(diǎn)是，解決上述問題的出路之一，在于建設(shè)被廣泛接受和認(rèn)可的、高質(zhì)量的教學(xué)資源，包括體現(xiàn)水準(zhǔn)的高質(zhì)量的，形象生動的教學(xué)課件（教學(xué)教案），研制并合理配備能覆蓋主要教學(xué)內(nèi)容、具有良好教學(xué)實(shí)驗(yàn)功能的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和模擬系統(tǒng)。在學(xué)生計(jì)算機(jī)系，“計(jì)算機(jī)組成原理”課程教學(xué)的思路是，從課堂教師講授為主、地聽課和完成驗(yàn)證性的教學(xué)實(shí)驗(yàn)為輔的傳統(tǒng)“知識傳授型”的教法，改變成為在精簡課堂授課內(nèi)容的基礎(chǔ)上，以完成一項(xiàng)計(jì)算機(jī)完整的硬、系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的課題研究為重要支撐的“學(xué)生主動探索式”新的教學(xué)途徑，盡量做到：從學(xué)生聽課為主的，給學(xué)生接收知識的學(xué)

29、習(xí)方式，變成為結(jié)合課題研究與工程設(shè)計(jì)來主動學(xué)習(xí)的支配的時(shí)間，充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；從傳授知識為主變?yōu)閭魇谥R與培養(yǎng)能力并重的培養(yǎng)模式。關(guān)注開創(chuàng)意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，注重學(xué)生全面素質(zhì)的提高。特別是考慮到計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)內(nèi)容的工程性、技術(shù)性、實(shí)踐性特別強(qiáng)的特點(diǎn)，把工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目引進(jìn)教學(xué)全過程很有必要。教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)組成原理課程的教學(xué)過計(jì)算機(jī)系的教學(xué)中顯示出強(qiáng)大的生命力，在為期一個(gè)學(xué)期的，要求每 3 名同學(xué)為一組，合作完成一臺與教學(xué)實(shí)例有明顯差異的、硬配置基本完整的全新計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，包括運(yùn)算器、器、微程序的控制器、硬布線的控制器等設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，也包括適當(dāng)修改程序和匯編器等設(shè)計(jì)任務(wù)，這是一

30、項(xiàng)很有性的任務(wù)。針對創(chuàng)辦“世界一流”和“研究型”大學(xué)的目標(biāo)，這種努力是值得的。目前課，并榮獲計(jì)算機(jī)系的“計(jì)算機(jī)組成原理”課程已經(jīng)被市精品課和國家級精品市優(yōu)秀教學(xué)成果一等獎(jiǎng)，被市精品。在，已有幾百余所大學(xué)把略早期研制的中小規(guī)模器件實(shí)現(xiàn)的硬件教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用于他們的授課過程和教學(xué)實(shí)驗(yàn)，反響還相當(dāng)不錯(cuò)。也知道，在計(jì)算機(jī)系的開展的教學(xué)方案，不能簡單地在各院校直接照搬，對大部分的教師來說，他們可能更傾向于前一些年一直采用的比較傳統(tǒng)的做法，就是通過在教學(xué)計(jì)算機(jī)上做一些驗(yàn)證性為主的實(shí)驗(yàn)，或者適當(dāng)擴(kuò)展教學(xué)計(jì)算機(jī)已有功能的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。即使這樣，也在原來的基礎(chǔ)上前進(jìn)了一大步。在這一方案中，首先受益的是年輕教師，只要

31、他們肯花出適當(dāng)?shù)呐?，就可以填補(bǔ)上所欠缺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)完整計(jì)算機(jī)的基本硬、系統(tǒng)的經(jīng)歷，提高自己的業(yè)務(wù)素質(zhì)和教學(xué)水平。接下來學(xué)生將全面受益，課程內(nèi)容中既有適量的書本知識，教師也會結(jié)合教學(xué)機(jī)設(shè)計(jì)增加實(shí)例內(nèi)容，課后學(xué)生又可以在教學(xué)機(jī)上完成自己的設(shè)計(jì)和調(diào)試任務(wù)，力爭做到學(xué)習(xí)知識與增長能力的雙豐收。此外，對技術(shù)含量更高，對教學(xué)影響可能更大一些的研制成果，包括控制器輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，全部的模擬系統(tǒng)，用 FPGA實(shí)現(xiàn)的 CPU 系統(tǒng)（與原有教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)指令兼容，并增加了比較真實(shí)的指令流水線），高級語言支持和浮點(diǎn)運(yùn)算指令支持等，由于推出時(shí)間較晚，了解的人還不多，有必要把這些內(nèi)容盡早地引入教學(xué)過程，推動課程的教學(xué)的

32、深入發(fā)展，培養(yǎng)出具有創(chuàng)新能力的高素質(zhì)的專業(yè)。1.2 教學(xué)機(jī)支持的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目1.2.1 基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在本節(jié)提到的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，多數(shù)是在 T機(jī)上可以開設(shè)的實(shí)驗(yàn)，把選用 FPGA放在第 3 章介紹。ion 系統(tǒng)中選用中小規(guī)模集成度器件實(shí)現(xiàn)的教學(xué)計(jì)算實(shí)現(xiàn)的 CPU 構(gòu)建的教學(xué)機(jī)系統(tǒng)中支持的教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目基本實(shí)驗(yàn)是指學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理通常總要完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，解決的是學(xué)習(xí)基本原理和培養(yǎng)基本能力。1. 基礎(chǔ)匯編程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)使用系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)的 29 條指令和程序、交叉匯編程序，設(shè)計(jì)與調(diào)試由教師布置的或自己設(shè)想的各種匯編程序?？赡?，可以參照系統(tǒng)提供的交叉匯編程序的源碼，學(xué)習(xí)系統(tǒng)匯編程序(Assembler)的實(shí)現(xiàn)原理與設(shè)

33、計(jì)技術(shù)。2. 運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)可以在運(yùn)算器完全脫開主機(jī)控制的方式下，用主板上的微型開關(guān)直接控制運(yùn)算器的方式來使用運(yùn)算器并觀察運(yùn)算結(jié)果；也可以在實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行方式下，用控制器給出實(shí)驗(yàn)者所設(shè)計(jì)的對運(yùn)算器的控制信號來使用運(yùn)算器并觀察運(yùn)算結(jié)果（此時(shí)并不需要懂得控制器的運(yùn)行原理）。可以觀察并量測運(yùn)算器在串行進(jìn)位方式下的進(jìn)位信號的波形和延遲時(shí)間，也可以測出該運(yùn)算器所允許的最高工作頻率。3. 主可以進(jìn)行器的實(shí)驗(yàn)器工作波形的觀察與量測，可進(jìn)行靜態(tài)器的容量擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)，通過命令或自己設(shè)計(jì)的小程序向器寫入數(shù)據(jù)并檢查讀寫的正確性。4. 控制器實(shí)驗(yàn)可以做微程序方案或硬布線方案的控制器實(shí)驗(yàn)。首先是通過聽課和操作實(shí)驗(yàn)機(jī)，學(xué)懂已

34、實(shí)現(xiàn)的控制器的設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)技術(shù)，以單指令方式、單步驟執(zhí)行方式觀察指令的運(yùn)行結(jié)果和信息在計(jì)算機(jī)內(nèi)產(chǎn)生和傳送的時(shí)間、空間關(guān)系，這是更重要的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；然后才是設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)多條自己定義的新指令，并把新老指令放在同一程序中運(yùn)行，檢查結(jié)果的正確性。在微程序方案下實(shí)現(xiàn)新指令更容易，不用改動任何硬件，按規(guī)定辦法把有關(guān)新指令用到的微程序裝入控制器即可。在硬連線控制器方案中，則要把新指令用到的控制邏輯與原有的基本指令的控制邏輯合并一起，經(jīng)過編譯之后再重新到可編程的 MACH 器件中，略顯得復(fù)雜一點(diǎn)，可能要多次地改正錯(cuò)誤才能得到最終的正確結(jié)果。5. 串行口輸入/輸出實(shí)驗(yàn)由于本機(jī)上已給出了串行接口，其中的一路的接線完

35、全連接好，系統(tǒng)也已經(jīng)執(zhí)行了對接口的初始化，可以直接用于輸入輸出操作；另外的一路的接線并未全部連通，要求實(shí)驗(yàn)看懂圖紙并完成必要的連線操作和串行口的初始化操作后，方能用程序控制方式完成該串行接口的正常輸入/輸出操作，例如用兩臺實(shí)驗(yàn)機(jī)的這一路串行口完成雙機(jī)雙向通信等實(shí)驗(yàn)。作為更高要求，還可以增加少量硬件線路，實(shí)現(xiàn)在中斷方式下完成輸入/輸出操作(需在講過中斷之后進(jìn)行)。還可以觀察與量測串行數(shù)據(jù)的波形，起始位、停止位、串行數(shù)據(jù)采樣時(shí)間的配合關(guān)系等。6. 并行口與并行口驅(qū)動的實(shí)驗(yàn)可以在教學(xué)機(jī)的主板上設(shè)計(jì)并搭建諸如el 8255 并行接口與配套邏輯電路，并用程序控制方式和中斷方式驅(qū)動并行口完成打印操作。在無

36、的情況下，可用并行口在程序控制方式下或中斷方式下實(shí)現(xiàn)兩臺實(shí)驗(yàn)機(jī)的雙機(jī)單向或雙機(jī)雙向通信，或在同一臺實(shí)驗(yàn)機(jī)上實(shí)現(xiàn)內(nèi)存內(nèi)容搬移等實(shí)驗(yàn)。這涉及硬件與7. 中斷及DMA 實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面知識的綜合應(yīng)用。串行口、并行口輸入/輸出操作中，都可以有中斷方式下的輸入輸出方式，這需要適當(dāng)?shù)匦薷某绦?。這里也可以專門做多級中斷、優(yōu)先級排隊(duì)及中斷嵌套的實(shí)驗(yàn)。此時(shí)可用按鈕等作為中斷請求信號來源，拋開相應(yīng)設(shè)備入/出以強(qiáng)化中斷處理本身的份量。DMA 的工作方式，最簡單的實(shí)驗(yàn)是在程序正常運(yùn)行的同時(shí)，用DMA 方式同時(shí)完成內(nèi)存內(nèi)容的搬移操作，結(jié)果的正確性便于檢查。這個(gè)實(shí)驗(yàn)需用到擴(kuò)展的通用接口的插座，完成必要的連線，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)小程序等

37、。8. 整機(jī)故障定位與排除實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)機(jī)上有一些跳線夾，是用來人為設(shè)置機(jī)器故障的。教師可以通過移走一或幾個(gè)跳線，或換上有故障的器件，要求學(xué)生發(fā)現(xiàn)故障，查清故障原因并設(shè)法排除。該實(shí)驗(yàn)有一定難度，但也是綜合應(yīng)用所學(xué)全部知識、完成能力訓(xùn)練的非常有效段，對提高分析問題與解決問題的能力會有很大幫助。此時(shí)需要確保設(shè)置的故障不會損壞教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件。1.2.2 擴(kuò)展的 其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是指那些不一定是學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理課程必做的實(shí)驗(yàn)，或難度更大的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。1. 故障的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)這可以在機(jī)器指令級或微體系結(jié)構(gòu)級進(jìn)行。機(jī)器指令級的程序用以疹斷指令與程序運(yùn)行的正確性，是機(jī)器出廠前例行實(shí)驗(yàn)的一部分，也是實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師把實(shí)

38、驗(yàn)機(jī)交付學(xué)生使用之前判斷機(jī)器好壞的簡便微體系結(jié)構(gòu)級的。可以讓學(xué)生試著設(shè)計(jì)。，設(shè)計(jì)得好的話，可用來實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)機(jī)的故障，非常有用，對于透徹掌握實(shí)驗(yàn)機(jī)的組成與運(yùn)行機(jī)制幫助巨大，但在教學(xué)機(jī)中實(shí)現(xiàn)起來有相當(dāng)?shù)碾y度。2. 用一臺正確運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)機(jī)輔助調(diào)試另一臺實(shí)驗(yàn)機(jī)在本實(shí)驗(yàn)機(jī)的實(shí)現(xiàn)過，已考慮到這類實(shí)驗(yàn)的需求。可以把同一時(shí)鐘同時(shí)提供給兩臺實(shí)驗(yàn)機(jī)，使其完全同步運(yùn)行，并比較檢查兩臺實(shí)驗(yàn)機(jī)主要信號、運(yùn)行狀態(tài)及結(jié)果的一致性，并依此結(jié)果判斷是否繼續(xù)給出后續(xù)時(shí)鐘，則很容易找到待調(diào)試計(jì)算機(jī)的出錯(cuò)位置。與此類似的是雙機(jī)同步運(yùn)行，是檢查機(jī)器可靠性的一條捷徑。3.4.5.實(shí)驗(yàn)機(jī)的程序、交叉匯編程序的修改與擴(kuò)充功能的實(shí)驗(yàn)。擴(kuò)充輸入/

39、輸出接口、設(shè)備與驅(qū)動程序的實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一套全新指令系統(tǒng)的 CPU。指令格式可以突破現(xiàn)在規(guī)定，尋址方式也可變化，以 16 位字長的一字或多字指令為宜。微指令格式可變，但字長在 56 位以下最方便。運(yùn)算器也可適當(dāng)變動，用Am2901 實(shí)現(xiàn)其他型號的運(yùn)算器功能，或用可編程器件設(shè)計(jì)一個(gè)新的運(yùn)算器均可行。例如，在這個(gè)硬件主板上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)全新的 8 位字長的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，指令格式、尋址方式、程序等全部有關(guān)的內(nèi)容完全重新設(shè)計(jì)，運(yùn)算器、控制器、器、總線和接口等硬件也完全重新設(shè)計(jì)，這是完全可行的，工作量是大一些，但可學(xué)內(nèi)容更豐富。對大部分院校來說，這作為學(xué)習(xí)過計(jì)算機(jī)組成原理課程之后的一個(gè)大的課程設(shè)計(jì)、甚至

40、于是畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目可能更合適一些。6. 軟盤驅(qū)動器的接口與驅(qū)動線路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)軟盤驅(qū)動器的接口與驅(qū)動線路，是綜合應(yīng)用有關(guān)與硬件知識的途經(jīng)之一，可以在教學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上，增加新的設(shè)備和操作功能，在更大程度上拓展其實(shí)驗(yàn)性能。7. 使用現(xiàn)場可編程器件（GAL20V8 和 MACH）完成組合邏輯的或者時(shí)序邏輯的線路實(shí)驗(yàn)，對于在學(xué)習(xí)本課程之前尚未學(xué)習(xí)過數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)課程的學(xué)生是必要的。8. 通過使用第 2 路串行接口和修改用戶系統(tǒng)的功能。程序，實(shí)現(xiàn) 2 個(gè)用戶同時(shí)操作同一臺教學(xué)計(jì)算機(jī)的多以上只是教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以支持（能夠?qū)崿F(xiàn)）的、可以開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的思路與可行性，至于更具體地安排哪一

41、些教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)的具體目標(biāo)、內(nèi)容、要求等將在下一節(jié)中分別詳細(xì)說明，最終還是應(yīng)該依據(jù)各個(gè)的教學(xué)安排和總體目標(biāo)由任課教師來具體選擇。為減輕教師的備課負(fù)擔(dān)，特給出計(jì)算機(jī)組成原理若干基本實(shí)驗(yàn)的操作步驟，以供教師參考，本書給出的實(shí)驗(yàn)操作步驟不一定是最佳方案，教師可自行設(shè)計(jì)更好的實(shí)驗(yàn)和操作。由于篇幅的限制，對于那些需要教師根據(jù)實(shí)際情況安排的實(shí)驗(yàn)沒有給出參考步驟，教師可將一部分難度較大需較長時(shí)間完成的實(shí)驗(yàn)用作計(jì)算機(jī)組成原理課的課程設(shè)計(jì)題目或作為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題。由于編者水平所限，錯(cuò)誤和疏漏之處在所難免，熱忱歡迎廣大教師和提出寶貴意見和建議。第二章 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)2.1基礎(chǔ)匯編語言程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩W(xué)習(xí)和了解

42、 T學(xué)習(xí)和了解 T學(xué)習(xí)簡單的 Tion 教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)命令的用法；ion 教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的指令系統(tǒng)；ion 教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)匯編程序設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1學(xué)習(xí)聯(lián)機(jī)使用 Tion 教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和仿真終端PCEC.2使用程序的 R 命令顯示/修改寄存器內(nèi)容、D 命令顯示器內(nèi)容、E 命令修改器內(nèi)容；3使用 A 命令寫一小段匯編程序，U 命令反匯編剛輸入的程序，用G 命令連續(xù)運(yùn)行該程序，用 T、P 命令單步運(yùn)行并觀察程序單步執(zhí)行情況；實(shí)驗(yàn)要求在使用該教學(xué)機(jī)之前，應(yīng)先熟悉教學(xué)機(jī)的各個(gè)組成部分，及其使用方法。實(shí)驗(yàn)步驟一實(shí)驗(yàn)具體操作步驟：1 準(zhǔn)備一臺串口工作良好的 PC 機(jī)；2 將 Tion 放在實(shí)驗(yàn)臺上，打開實(shí)驗(yàn)箱的

43、蓋子，確定電源處于斷開狀態(tài)；3 將黑色的電源線一端接 220V 交流電源，另一端插在 T里；ion 實(shí)驗(yàn)箱的電源插座4 取出通訊線，將通訊線的 9 芯插頭接在T“COM2”上，另一端接到 PC 機(jī)的串口上；ion 實(shí)驗(yàn)箱上的串口“COM1”或5 將 Tion 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)左下方的五個(gè)黑色的控制機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)的開關(guān)置于正確的位置，在找個(gè)實(shí)驗(yàn)中開關(guān)應(yīng)置為 00110（連續(xù)、內(nèi)存讀指令、組合邏輯、聯(lián)機(jī)、16位），控制開關(guān)的功能在開關(guān)上、下方有標(biāo)識；開關(guān)撥向上方表示“1”，撥向下方表示“0”，“X”表示任意，其它實(shí)驗(yàn)相同；打開電源，船形開關(guān)和 5V 電源指示燈亮。在 PC 機(jī)上運(yùn)行 PCEC16.EXE 文

44、件，根據(jù)連接的 PC 機(jī)的串口設(shè)置所用 PC 機(jī)的串口為 “1”或“2”, 其它的設(shè)置一般不用改動,直接回車即可。(具體步驟附后)按一下“RESET”按鍵,再按一下“START”按鍵，主機(jī)上顯示：TEC-2000 CRT MONITORVer1.0 April 2001Computer Architectur Lab.， Tsinghua UniversityProgrammed by He Jia二、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1. 連接電源線和通訊線前 Tion 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的電源開關(guān)一定要處于斷開狀態(tài)，否則可能會對 Tion 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上的和 PC 機(jī)的串口造成損害；2. 五個(gè)黑色控制開關(guān)的功能示意圖如下：

45、單步 手動置指令 組合邏輯 聯(lián)機(jī)8 位上面下面連續(xù) 從內(nèi)存讀指令 微程序 脫機(jī) 16 位3.幾種常用的工作方式（開關(guān)撥到上方表示為 1，撥到下方為 0；）三、仿真終端的操作步驟：在 PC 機(jī)上建一個(gè)文件夾 T1.2.3.ion；取出配套的用戶盤，將應(yīng)用程序 PCEC16 拷貝到用戶機(jī)器硬盤上該文件夾里；雙擊 PCEC16 圖標(biāo)，出現(xiàn)的界面：4。系統(tǒng)默認(rèn)選擇串口 1，用戶可根據(jù)實(shí)際情況選擇串口 1 或是串口 2（這里的串口指的是和 Tion 教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相連的 PC 機(jī)的串口），按回車后出現(xiàn)如圖界面：工作方式5 個(gè)撥動開關(guān)連續(xù)運(yùn)行程序、組合邏輯控制器、聯(lián)機(jī)、16 位機(jī)00110連續(xù)運(yùn)行程序、微程

46、序控制器、聯(lián)機(jī)、16 位機(jī)00010單步、手動置指令、組合邏輯控制器、聯(lián)機(jī)、16 位機(jī)11110單步、手動置指令、微程序控制器、聯(lián)機(jī)、16 位機(jī)1101016 位機(jī)、脫機(jī)運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)1XX005. 圖中是系統(tǒng)設(shè)定的一些傳輸參數(shù)，建議用戶不要改動，直接回車。按一下“RESET”按鈕放開后再按一下“START”按鈕，出現(xiàn)界面：6. 此時(shí)表明 Tion 機(jī)器聯(lián)機(jī)通訊正常。四1作注意事項(xiàng)：用戶在選擇串口時(shí)，選定的是 PC 機(jī)的串口 1 或串口 2，而不是 T口。即選定的是用戶實(shí)驗(yàn)時(shí)通訊線接的 PC 機(jī)的端口；ion 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上的串2如果在運(yùn)行到第五步時(shí)沒有出現(xiàn)應(yīng)該出現(xiàn)的界面，用戶需要檢查是不是打開了兩個(gè)

47、界面，若是，關(guān)掉其中一個(gè)再試；34有時(shí)若 Tion 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不通訊，也可以重新啟動或是重新啟動 PC 再試；在打開該應(yīng)用時(shí)，其它的同樣會用到該串口的應(yīng)用要先關(guān)掉。五聯(lián)機(jī)通訊失敗自檢：如果上述的硬件和的操作都正確，聯(lián)機(jī)卻依舊失敗，用戶可以進(jìn)行如下測試：1 試 PC 機(jī)的串口是否能正常工作，或是換一臺 PC 或換同一臺 PC 的另一個(gè)串口再試，在換串口時(shí)要將Tion 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)斷電，換完后重新啟動實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和；2 檢查機(jī)器上的元器件插接是否正確（建議用戶對照能夠正常通訊的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)檢查），有沒有被學(xué)生動過，尤其是擴(kuò)展內(nèi)存和擴(kuò)展 I/O 接口時(shí)，插對，片選信號有沒有連接；3 檢查相應(yīng)的短路子是否連

48、接正確；方向是否4 建議教師預(yù)留一臺運(yùn)行正常的T查。ion 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)備用，機(jī)器出問題后可以對照檢六實(shí)驗(yàn)示例：1 用 R 命令查看寄存器內(nèi)容或修改寄存器的內(nèi)容1）在命令行提示符狀態(tài)下輸入：R；顯示寄存器的內(nèi)容注：寄存器的內(nèi)容在運(yùn)行程序或執(zhí)行命令后會發(fā)生變化。2）在命令行提示符狀態(tài)下輸入：R R0；修改寄存器 R0 的內(nèi)容，被修改的寄存器與所賦值之間可以無空格,也可有一個(gè)或數(shù)個(gè)空格主機(jī)顯示:寄存器原值:_在該提示符下輸入新的值 0036再用 R 命令顯示寄存器內(nèi)容，則 R0 的內(nèi)容變?yōu)?0036。2 用 D 命令顯示器內(nèi)容在命令行提示符狀態(tài)下輸入：D 2000會顯示從 2000H 地址開始的連續(xù)

49、128 個(gè)字的內(nèi)容；連續(xù)使用不帶參數(shù)的D 命令，起始地址會自動加 128（即 80H）。3.用 E 命令修改器內(nèi)容在命令行提示符狀態(tài)下輸入：E 2000屏幕顯示:2000 地址單元的原有內(nèi)容:光標(biāo)閃爍等待輸入輸入 0000依次改變地址單元 20012005 的內(nèi)容為:1111 2222 3333 4444 5555注意：用 E 命令連續(xù)修改內(nèi)存單元的值時(shí)，每修改完一個(gè)，按一下空格鍵，系統(tǒng)會自動給出下一個(gè)內(nèi)存單元的值，等待修改；按回車鍵則退出 E 命令。用 D 命令顯示這幾個(gè)單元的內(nèi)容D 2000可以看到這六個(gè)地址單元的內(nèi)容變?yōu)?0000 1111 2222 3333 4444 5555。45.

50、 用 A 命令鍵入一段匯編源程序，主要是向累加器送入數(shù)據(jù)和進(jìn)行運(yùn)算，執(zhí)行程序并觀察運(yùn)行結(jié)果。1） 在命令行提示符狀態(tài)下輸入：A 2000 ；表示該程序從 2000H（內(nèi)存 RAM 區(qū)的起始地址）地址開始屏幕將顯示：2000：輸入如下形式的程序：2000:2002:2004:2005:2006:MVRD R0，AAAA ；MVRD 與 R0 之間有且只有一個(gè)空格，其他指令相同MVRD R1，5555ADDAND RETR0，R1R0，R1；程序的最后一個(gè)語句，必須為 RET 指令2007:（直接敲回車鍵，結(jié)束 A 命令輸入程序的操作過程）若輸入有誤，系統(tǒng)會給出提示并顯示出錯(cuò)地址，用戶只需在該地址

51、重新輸入正確的指令即可。2） 用 U 命令反匯編剛輸入的程序在命令行提示符狀態(tài)下輸入： U 2000在相應(yīng)的地址會得到輸入的指令及其操作碼注：連續(xù)使用不帶參數(shù)的 U 命令時(shí)，將從上一次反匯編的最后一條語句之后接著繼續(xù)反匯編。用 G 命令運(yùn)行前面鍵入的源程序G 2000程序運(yùn)行結(jié)束后，可以看到程序的運(yùn)行結(jié)果，屏幕顯示各寄存器的值，其中 R0 和 R1 的值均為 5555H，說明程序運(yùn)行正確。3）4）用 P 或 T 命令，單步執(zhí)行這 在命令行提示符狀態(tài)下輸入： T 2000寄存器 R0 被賦值為 AAAAH T寄存器 R1 被賦值為 5555HT，觀察指令執(zhí)行結(jié)果做加法運(yùn)算，和放在 R0，R0 的

52、值變?yōu)門FH做與運(yùn)算，結(jié)果放在 R0，R0 的值變?yōu)?5555H用 P 命令執(zhí)行過程同上。注：T 總是執(zhí)行單條指令，但執(zhí)行 P 命令時(shí)，則把每一個(gè) CALL 語句連同被調(diào)用的子程序一次執(zhí)行完成。T、P 命令每次執(zhí)行后均顯示所有通用寄存器及狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，并反匯編出下一條將要執(zhí)行的指令。6 舉例編寫匯編程序, 用“A”命令輸入,運(yùn)行并觀察結(jié)果1）例 1：設(shè)計(jì)一個(gè)小程序, 從鍵盤上接收一個(gè)字符并在屏幕上輸出顯示該字符。 在命令行提示符狀態(tài)下輸入：A 2000 ；屏幕將顯示：2000：輸入如下形式的程序：2000: IN 812001：SHR R02002：SHR R02003：JRNC 2000

53、2004：IN 802005: OUT 802006: RET2007：注：在十六位機(jī)中，基本地址為 81。；判鍵盤上是否按了一個(gè)鍵；即串行口是否有了輸入的字符；未輸入完則循環(huán)測試；接收該字符；在屏幕上輸出顯示字符6；每個(gè)用戶程序都必須用 RET 指令結(jié)束；（按回車鍵即結(jié)束輸入過程）I/O 接口的地址是確定的，數(shù)據(jù)口的地址為 80，狀態(tài)口的 用“G”命令運(yùn)行程序在命令行提示符狀態(tài)下輸入：G 2000執(zhí)行上面輸入的程序光標(biāo)閃爍等待輸入，用戶從鍵盤鍵入字符后，屏幕會顯示該字符。該例建立了一個(gè)從主存 2000H 地址開始的小程序。在這種方式下, 所有的數(shù)字都約定使用 16 進(jìn)制數(shù),故數(shù)字后不用跟字符

54、H。每個(gè)用戶程序的最后一個(gè)語句一定為 RET 匯編語句。因?yàn)槌绦蚴沁x用類似子程序調(diào)用方式使實(shí)驗(yàn)者的程序投入運(yùn)行的,用戶程序只有用 RET 語句結(jié)束, 才能保證程序運(yùn)行結(jié)束時(shí)能正確返回到程序能繼續(xù)控制教學(xué)機(jī)的運(yùn)行過程。程序的斷點(diǎn),保證2） 例 2:設(shè)計(jì)一個(gè)小程序, 用次數(shù)控制在終端屏幕上輸出0到9十個(gè)數(shù)字符。在命令行提示符狀態(tài)下輸入：A 2020屏幕將顯示：2020：從地址 2020H 開始輸入下列程序:2020:MVRD R2,00OA2022:MVRD R0,0030；送入輸出字符個(gè)數(shù)；“0”字符的 ASCII 碼送寄存器 R0；輸出保存在 R0 低位字節(jié)的字符；輸出字符個(gè)數(shù)減 1；判 10

55、 個(gè)字符輸出完否,已完，則轉(zhuǎn)到程序結(jié)束處；未完，保存 R0 的值到堆棧中；查詢接口狀態(tài)，判字符串行輸出完成否,；未完成, 則循環(huán)等待2024:OUT2025:DEC2026:JRZ80R2 202E2027:PUSH R02028:IN 812029:SHR R0202A:JRNC 2028202B:POP202C:INC202D:JR202E:RET202F：R0 R02024；已完成, 準(zhǔn)備輸出下一字符并從堆?；謴?fù) R0 的值；得到下一個(gè)要輸出的字符；轉(zhuǎn)去輸出字符該程序的執(zhí)行碼放在 2020H 起始的連續(xù)內(nèi)存區(qū)中。若送入源碼的過有錯(cuò),系統(tǒng)會進(jìn)行提示, 等待重新輸入正確匯編語句。在輸入過置直

56、接打回車則結(jié)束輸入過程。 用“G”命令運(yùn)行程序在命令行提示符狀態(tài)下輸入：G 2020執(zhí)行結(jié)果為：0123456789, 在應(yīng)輸入語句的位思考題: 若把 IN 81, SHR R0, JRNC 2028 三個(gè)語句換成三個(gè) MVRR R0，R0 語句,該程序執(zhí)行過程會出現(xiàn)什么現(xiàn)象? 試分析并實(shí)際執(zhí)行一次。提示：該程序改變這三條語句后，若用 T 命令單條執(zhí)行，會依次顯示 09 十個(gè)數(shù)字。若用 G 命令運(yùn)行程序，程序執(zhí)行速度快，端口輸出速度慢，這樣就會跳躍輸出。 在命令行提示符狀態(tài)下輸 G 2020，屏幕顯示 09。類似的, 若要求在終端屏幕上輸出A到Z共 26 個(gè)英文字母，應(yīng)如何修改例 2 中給出的

57、程序? 請驗(yàn)證之。參考：在命令行提示符狀態(tài)下輸入：A 2100屏幕將顯示：2100：從地址 2100H 開始輸入下列程序：(2100) MVRD R2，001AMVRD R0，0041 (2104) OUT 80DEC R2 JRZ 210E PUSH R0（2108）IN 81SHR R0 JRNC 2108 POP R0 INC R0JR 2104（210E）RET；循環(huán)次數(shù)為 26；字符“A”的值；輸出保存在 R0 低位字節(jié)的字符；輸出字符個(gè)數(shù)減 1；判 26 個(gè)字符輸出完否,已完，則轉(zhuǎn)移到程序結(jié)束處；未完，保存 R0 的值到堆棧中；查詢接口狀態(tài)，判字符串行輸出完成否；未完成, 則循環(huán)等

58、待；已完成, 準(zhǔn)備輸出下一字符，從堆棧恢復(fù) R0 的值；得到下一個(gè)要輸出的字符；轉(zhuǎn)去輸出字符用G 命令執(zhí)行該程序，屏幕上顯示“A”“Z”26 個(gè)英文字母.例 3: 從鍵盤上連續(xù)打入多個(gè)屬于0到9的數(shù)字符并在屏幕上顯示, 遇到非數(shù)字字符結(jié)束輸入過程。 在命令行提示符狀態(tài)下輸入：A 2040屏幕將顯示：2040：從地址 2040H 開始輸入下列程序:（2040）MVRD R2,0030 MVRD R3,0039 IN 81SHR R0 SHR R0 JRNC 2044IN 80MVRD R1,00FF AND R0,R1 CMP R0,R2 JRNC 2053 CMP R3,R0 JRNC 205

59、3OUT 80JMPA 2044 RET； 用于判數(shù)字符的下界值； 用于判數(shù)字符的上界值； 判鍵盤上是否按了一個(gè)鍵,(2044)；即串行口是否有了輸入的字符；沒有輸入則循環(huán)測試輸入字符到 R0；清零 R0 的字節(jié)內(nèi)容；判輸入字符字符0否為否, 則轉(zhuǎn)到程序結(jié)束處判輸入字符字符9否為否, 則轉(zhuǎn)到程序結(jié)束處輸出剛輸入的數(shù)字符；轉(zhuǎn)去程序前邊 2044 處等待輸入下一個(gè)字符(2053)在命令行提示符狀態(tài)下輸入：G 2040光標(biāo)閃爍等待鍵盤輸入，若輸入 0-9 十個(gè)數(shù)字符，則在屏幕上回顯；若輸入非數(shù)字符，則屏幕不再顯示該字符，出現(xiàn)命令提示符，等待新命令。思考題, 本程序中為什么不必判別串行口輸出完成否?

60、設(shè)計(jì)打入AZ和09的程序, 遇到其它字符結(jié)束輸入過程。例子 4: 計(jì)算 1 到 10 的累加和。 在命令行提示符狀態(tài)下輸入：A 2060屏幕將顯示：2060：從地址 2060H 開始輸入下列程序：（2060）MVRD R1,0000MVRD R2,00OA MVRD R3,0000(2066) INC R3；置累加和的初值為 0最大的加數(shù)；得到下一個(gè)參加累加的數(shù)ADD R1,R3 CMP R3,R2 JRNZ 2066RET；累加計(jì)算判是否累加完未完, 開始下一輪累加 在命令行提示符狀態(tài)下輸入：G 2060運(yùn)行過后, 可以用 R 命令觀察累加器的內(nèi)容。R1 的內(nèi)容為累加和。結(jié)果為：R1=003