CPTH計算機組成原理試驗指導書

第一章系統(tǒng)概述DJ-CPTH簡介DJ-CPTH型計算機組成原理實驗系統(tǒng)<以下簡稱系統(tǒng)>,是由啟東市東疆計算機有限公司結(jié)合國內(nèi)同類產(chǎn)品的優(yōu)點，最新研制開發(fā)的超強型實驗計算機裝置<以下簡稱模型機〉。該系統(tǒng)采用單片機管理和EDA控制技術(shù)，自帶鍵盤和液晶顯示器，支持脫機和聯(lián)PC機兩種工作模式，運用系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)碼管等實時監(jiān)視，全面動態(tài)管理模型機的運行和內(nèi)部資源。模型機軟硬件配置完整，支持8位字長的多種尋址方式，指令豐富，系統(tǒng)支持RS-232C串行通訊，并配有以win98/2000/XP為操作平臺的動態(tài)跟蹤集成調(diào)試軟件，示教效果極佳，特別適用于計算機組成原理課程的教學與實驗。DJ-CPTH特點1、采用總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)的計算機具有結(jié)構(gòu)清晰，擴展方便等優(yōu)點。DJ-CPTH實驗系統(tǒng)使用三組總線即地址總線ABUS、數(shù)據(jù)總線DBUS、指令總線IBUS和控制信號，CPU、主存、外設(shè)和管理單片機等部件之間通過外部數(shù)據(jù)總線傳輸，CPU內(nèi)部則通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線傳輸信息。各部件之間，通過三態(tài)緩沖器作接口連接，這樣一方面增強總線驅(qū)動能力，另一方面在模型機停機時，三態(tài)門輸出浮空，能保證不管模型機的CPU工作是否正常，管理單片機總能讀/寫主存或控存。2、計算機功能模塊化設(shè)計DJ-CPTH為實驗者提供運算器模塊ALU,眾多寄存器模塊（A,W,IA,ST,MAR,R0…R3等），程序計數(shù)器模塊PC,指令部件模塊IR,主存模塊EM,微程序控制模塊〈控存〉uM,微地址計數(shù)器模塊UPC,組合邏輯控制模塊及I/O等控制模塊。各模塊間的電源線、地線、地址總線和數(shù)據(jù)總線等已分別連通，模塊內(nèi)各芯片間數(shù)據(jù)通路也已連好，各模塊的控制信號及必要的輸出信號已被引出到主板插孔，供實驗者按自己的設(shè)計進行連接。3、智能化控制系統(tǒng)在單片機監(jiān)控下，管理模型機運行和讀寫，當模型機停機時，實驗者可通過系統(tǒng)鍵盤，讀寫主存或控存指定單元的內(nèi)容，使模型機實現(xiàn)在線開發(fā)。模型機運行時，系統(tǒng)提供單步一條微指令（微單步）、單步一條機器指令（程單步），連續(xù)運行程序及無限止暫停等調(diào)試手段，能動態(tài)跟蹤數(shù)據(jù)，流向、捕捉各種控制信息，實時反映模型機現(xiàn)場，使實驗者及時了解程序和微程序設(shè)計的正確性，便以修改。4、提供兩種實驗?zāi)Ｊ舰偈謩舆\行"Hand……”：通過撥動開關(guān)和發(fā)光二極管二進制電平顯示，支持最底層的手動操作方式的輸入/輸出和機器調(diào)試。②自動運行：通過系統(tǒng)鍵盤及液晶顯示器或PC機，直接接輸入或編譯裝載用戶程序<機器碼程序和微程序>,實現(xiàn)微程序控制運行，運用多種調(diào)試手段運行用戶程序，使實驗者對計算機組成原理一目了然。5、開放性設(shè)計運算器采用了EDA技術(shù)設(shè)計，隨機出廠時，已提供一套已裝載的方案，能進行加、減、與、或、帶進位加、帶進位減、取反、直通八種運算方式，若用戶不滿意該套方案，可自行重新設(shè)計并通過JTAG口下載。邏輯控制器由CPLD實現(xiàn)，也可進行重新設(shè)計并通過JTAG口下載。用戶還可以設(shè)計自己的指令/微指令系統(tǒng)。系統(tǒng)中已帶三套指令/微程序系統(tǒng)，用戶可參照來設(shè)計新的指令/微程序系統(tǒng)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)線、地址線、控制線均在總線接口區(qū)引出，并設(shè)計了40芯鎖進插座，供用戶進行RAM、8251、8255、8253、8259等接口器件的擴展實驗。6、支持中斷實驗采用最底層的器件設(shè)計，讓學生可以從微程序?qū)用嫔蠈W習中斷請求、中斷響應(yīng)、中斷處理、中斷入口地址的產(chǎn)生、中斷服務(wù)程序及中斷返回（RETI）整個過程。7、支持兩種控制器實驗系統(tǒng)提供兩種控制器方式，即微程序控制器和組合邏輯控制器。在微程序控制器中，系統(tǒng)能提供在線編程，實時修改程序，顯示程序并進行調(diào)試的操作環(huán)境。組合邏輯控制器，已下載有一套完整的實驗方案，用戶也可使用CPLD工具在PC機上進行自動化設(shè)計。8、支持子程序調(diào)用、返回、指令流水線和RISC精簡指令系統(tǒng)實驗。9、配備以Win98/2000/XP為操作平臺的集成調(diào)試軟件包系統(tǒng)支持RS-232C串行通訊，借助PC資源形成了強大的在線文檔與圖形的動態(tài)管理系統(tǒng)，自帶編譯器，支持匯編語言的編輯、編譯、調(diào)試，一次點擊即可完成程序和與其對應(yīng)微程序的鏈接裝載并自動彈出調(diào)試窗口，在主界面中開辟了程序和與其對應(yīng)微程序的調(diào)試、模型機結(jié)構(gòu)示意圖（點擊各模塊即可修改雙向模塊參數(shù)）、微程序等跟蹤顯示窗口，供用戶選擇，可動態(tài)顯示數(shù)據(jù)流向、實時捕捉數(shù)據(jù)、地址、控制總線的各種信息，使調(diào)試過程極為生動形象。1.3實驗系統(tǒng)組成CPTH計算機組成原理實驗系統(tǒng)由實驗平臺、開關(guān)電源、軟件三大部分組成。實驗平臺上有寄存器組R0-R3、運算單元、累加器A、暫存器W、直通/左移/右移單元、地址寄存器、程序計數(shù)器、堆棧、中斷源、輸入/輸出單元、存儲器單元、微地址寄存器、指令寄存器、微程序控制器、組合邏輯控制器、擴展單元、總線接口區(qū)、微動開關(guān)/指示燈、邏輯筆、脈沖源、管理單片機、24個按鍵、字符式LCD、RS232。第二章模型機模塊實驗對于硬件的描述可以有多種方法：如原理圖，真值表，高級語言（本手冊使用ABEL/VHDL）,時序圖等，在本手冊中可以使用以上的四種方式來綜合描述硬件。2.1寄存器實驗實驗要求：利用CPTH實驗儀上的K16..K23開關(guān)做為DBUS的數(shù)據(jù)，其它開關(guān)做為控制信號，將數(shù)據(jù)寫入寄存器，這些寄存器包括累加器A,工作寄存器W,數(shù)據(jù)寄存器組R0..R3,地址寄存器MAR,堆棧寄存器ST,輸出寄存器OUT。實驗?zāi)康模毫私饽Ｐ蜋C中各種寄存器結(jié)構(gòu)、工作原理及其控制方法。實驗電路：寄存器的作用是用于保存數(shù)據(jù)的，因為我們的模型機是8位的，因此在本模型機中大部寄存器是8位的，標志位寄存器（Cy,Z）是二位的。CPTH用74HC574來構(gòu)成寄存器。74HC574的功能如下:<OCX<<OCX<C1X__/(073(DC<?5__><_I>3＜因x_z<uo74HC574iH工□CIDLQ2D2Q3D3Q4D4Q5D5Q皎6QTO7Q8D8Q1P_<3?>417>516>615>714>81?>912>x.223Q6)Q3>Q4〉Q3>Q￡Q1Q01.在CLK的上升沿將輸入端的數(shù)據(jù)打入到8個觸發(fā)器中2.當OC=1時觸發(fā)器的輸出被關(guān)閉，當OC=0時觸發(fā)器的輸出數(shù)據(jù)OCCLKQ7QQ注釋IZZZZZZZZ0c為1時觸發(fā)器的輸出被關(guān)閉0FQ7..Q0當OC=OW觸發(fā)器的教據(jù)輸出0iQ7..Q01當時料為后時，觸發(fā)器保持數(shù)據(jù)不變XTD7..DJ在CLK的上升沿將輸入端的數(shù)據(jù)打入到觸發(fā)器中

74HC574工作波形圖實驗1:A,W寄存器實驗74HC32DBUM?\DBUSJ>，、DBUS4><DBU&]>DBUMJ>DBUS1>;DBUSO><WEN寄存器A原理圖7-CK；3J了距即4<DBUS7_><DHUS-6>、DHU演j74HC574工作波形圖實驗1:A,W寄存器實驗74HC32DBUM?\DBUSJ>，、DBUS4><DBU&]>DBUMJ>DBUS1>;DBUSO><WEN寄存器A原理圖7-CK；3J了距即4W1W15W5wW3W2wTWDW1W15W5wW3W2wTWDTOC\o"1-5"\h\zAEN|WEN||""DBUS[7:0]55H乂66H一A[7:0]XX乂55H一W[7:0]XXX66HCLK|||_|寄存器A,W寫工作波形圖連接線表：連接信用1接人孔作用狀態(tài)由B月1J1座J漉1%K23-K1?APBUS[7：O]實驗?zāi)Ｊ蕉謩?AENK3選通A任由平有效3WENK4選iw低電平有效4CKas總LU工怫沖上升沿打入系統(tǒng)清零和手動狀態(tài)設(shè)定：K23-K16開關(guān)置零，按［RST］鈕，按［TV/ME］鍵三次，進入