2023年計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)習(xí)TECP

1、TEC-XP機(jī)簡(jiǎn)介

TEC-XP由清華大學(xué)科教儀器廠和清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系聯(lián)合研制。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)重點(diǎn)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)，還支持監(jiān)控程序、匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、BA

SIC高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)等軟件方面的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

1.教學(xué)機(jī)系統(tǒng)配置了兩個(gè)不同實(shí)現(xiàn)方案的CPU系統(tǒng)，一個(gè)CPU沿襲傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思緒，和當(dāng)前主

流的教材配套，由中小規(guī)模的器件組成;另一個(gè)CPU參考國(guó)外著名大學(xué)的設(shè)計(jì)思緒用大規(guī)模的F

PGA器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

2.教學(xué)機(jī)的機(jī)器字長(zhǎng)16位，即運(yùn)算器、主存、數(shù)據(jù)總線、地址總線都是16位。

3..指令系統(tǒng)支持多種基本尋址方式。其中一部分指令已實(shí)現(xiàn)，用于設(shè)計(jì)監(jiān)控程序和用戶的常

規(guī)匯編程序,尚保存多條指令供實(shí)驗(yàn)者自己實(shí)現(xiàn)。

4.主存最大尋址空間是18K字，由基本容量為8K（字節(jié)或16位的字）的ROM和2K（字

節(jié)或16位的字）的RAM存儲(chǔ)區(qū)域組成。還可以進(jìn)一步完畢存儲(chǔ)器擴(kuò)展的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

5.原理上講,主時(shí)鐘脈沖的頻率可在幾百KHz-近2MHz之間選擇。

6.運(yùn)算器由4片位片結(jié)構(gòu)器件級(jí)聯(lián)而成，片間用串行進(jìn)位方式傳遞進(jìn)位信號(hào)。ALU實(shí)現(xiàn)8種算

術(shù)與邏輯運(yùn)算功能，內(nèi)部涉及16個(gè)雙端口讀出、單端口寫(xiě)入的通用寄存器，和一個(gè)能自行認(rèn)

為的乘商寄存器。設(shè)立C（進(jìn)位）、Z（結(jié)果為0）、V（溢出）和S（符號(hào)位）四個(gè)狀態(tài)標(biāo)志位。

7.控制器采用微程序和硬布線兩種控制方案實(shí)現(xiàn)，可由實(shí)驗(yàn)者自由選擇。實(shí)驗(yàn)人員可方便地修

改已有設(shè)計(jì)，或加進(jìn)若干自己設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的新指令,新老指令同時(shí)運(yùn)營(yíng)。

8.主機(jī)上安裝有兩路INTEL8251串行接口，一路出廠時(shí)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，可直接接計(jì)算機(jī)終端，或

接入一臺(tái)PC機(jī)作為自己的仿真終端;另一路保存學(xué)生擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)。選用了MAX202倍壓線路，以

避免使用+12V和-12V電源。

9.在主板的右下方，配置了完畢中斷教學(xué)實(shí)驗(yàn)的全套線路，可以實(shí)現(xiàn)三級(jí)中斷和中斷嵌套。

10.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)營(yíng)方式，可以單步/連續(xù)運(yùn)營(yíng)主存儲(chǔ)器的指令或程序，也可以執(zhí)行一條或若干

條通過(guò)數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)手動(dòng)置入的指令。

11.主板上設(shè)立數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)和微型開(kāi)關(guān)、按鍵和指示燈，支持最低層的手工操作方式的輸入/輸

出,通過(guò)指示燈來(lái)顯示重要的數(shù)據(jù)或控制信號(hào)的狀態(tài)，可以完畢及其調(diào)試和故障診斷。板上尚有

支持教學(xué)實(shí)驗(yàn)用的一定數(shù)量的跳線夾。

12.實(shí)驗(yàn)機(jī)硬件系統(tǒng)，所有功能部件分區(qū)域劃分在大一些的水平放置的一塊印制電路板的不同

區(qū)域,所有器件都用插座插接在印制板上，便于更換器件。

13.實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)使用單一的5V、最大電流3A的直流模塊電源，所耗電流在1.5~2.5A之

間。電源模塊安裝在水平電路板右上角位置，交流220V通過(guò)電源接線插到機(jī)箱后側(cè)板，經(jīng)

保險(xiǎn)絲、開(kāi)關(guān)連接到電路板上，開(kāi)關(guān)安放在機(jī)箱右側(cè)靠后位置，方便操作且比較安全。

14.兩路的串行接口的接插座安裝在機(jī)箱后側(cè)板以方便接線插拔和機(jī)箱蓋的打開(kāi)關(guān)閉。

2、TEC-XP實(shí)驗(yàn)機(jī)的硬件組成

2.1總線

在教學(xué)計(jì)算機(jī)總線部件設(shè)計(jì)中，選用單總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線都比較簡(jiǎn)

樸,保證教學(xué)機(jī)的正常運(yùn)營(yíng)并體現(xiàn)出總線設(shè)計(jì)的基本原理。

2.1.1數(shù)據(jù)總線

被劃提成內(nèi)部總線IB（在CPU一側(cè)）和外部總線DB（在存儲(chǔ)器和串行接口一側(cè)）兩部

分，它們之間通過(guò)2片8位的雙向三態(tài)門(mén)電路連接在一起。3組存儲(chǔ)器芯片的數(shù)據(jù)輸入輸出引

腳都直接連接在一起，連接到16位的數(shù)據(jù)總線DB上，串行接口芯片的8位數(shù)據(jù)輸入輸出引腳只

與數(shù)據(jù)總線DB的低8位（DB7-DBO這8位）相連接。

2.1.2地址總線

的構(gòu)成比較特殊，僅地址寄存器AR一個(gè)來(lái)源,AR又只接受ALU一路輸入。內(nèi)存儲(chǔ)器和

接口電路的地址都來(lái)自于地址總線AB（地址寄存器AR的輸出），地址總線的最高3位送到1

片三-八譯碼器，地址總線的低位字節(jié)中的高4位（規(guī)定最高一位必然為1）送到此外1片三-八

譯碼器，分別產(chǎn)生存儲(chǔ)器芯片的8個(gè)片選信號(hào)和接口電路的8個(gè)片選信號(hào)。

2.1.3控制總線

提供內(nèi)存和串口的讀寫(xiě)命令，是把控制器提供的3位控制信號(hào)送I片雙二-四譯碼器得到的,

以決定有無(wú)內(nèi)存或接口讀寫(xiě)，若有，是內(nèi)存和還是接口工作，執(zhí)行的是讀還是寫(xiě)操作。內(nèi)存和

CPU選用同步方式運(yùn)營(yíng)，串行接口和CPU選用狀態(tài)查詢方式工作。

2.2運(yùn)算器

運(yùn)算器中配置了兩組獨(dú)立的8位字長(zhǎng)的運(yùn)算器，各自由2片位片結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器器件組成；

尚有四位的狀態(tài)標(biāo)志寄存器和教學(xué)實(shí)驗(yàn)所需的相關(guān)邏輯部件。所有的算術(shù)與邏輯運(yùn)算均在這里

完畢；還完畢幾種尋址方式的實(shí)際地址計(jì)算;它也是重要的數(shù)據(jù)、地址傳送的通路。

2.3控制器

控制器分別用微程序方式與硬布線方式兩種方案實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)者可以方便地選擇使用其中任何

一種。這能方便地比較兩種控制器各自的優(yōu)缺陷，和設(shè)計(jì)過(guò)程的相同的、不同的環(huán)節(jié)與方法。

在選用器件時(shí)，微程序方案中選用了美國(guó)AMD公司的微程序定序器Am2901芯片，保證微程

序設(shè)計(jì)的規(guī)范與實(shí)用性;控存體選用只讀存儲(chǔ)器（ROM）芯片，通過(guò)對(duì)該ROM的編程寫(xiě)入方

式支持動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì)。硬布線方案中，節(jié)拍邏輯與時(shí)序控制信號(hào)形成部件（組合邏輯線路）選

用了GAL20V8現(xiàn)場(chǎng)可編程器件和MacroArrayCMOSH1ghdensity（簡(jiǎn)寫(xiě)為MAC

H）器件，這對(duì)簡(jiǎn)化控制器的邏輯設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。

2.4存儲(chǔ)器

在教學(xué)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器部件設(shè)計(jì)中，出于簡(jiǎn)化和容易實(shí)現(xiàn)的目的，選用靜態(tài)存儲(chǔ)器芯片實(shí)現(xiàn)內(nèi)

存儲(chǔ)器系統(tǒng)，涉及了唯讀存儲(chǔ)區(qū)（ROM,存放監(jiān)控程序等）和隨讀寫(xiě)存儲(chǔ)區(qū)（RAM）兩部分，RO

M存儲(chǔ)區(qū)選用4片長(zhǎng)度8位、容量8KB的芯片實(shí)現(xiàn)，RAM存儲(chǔ)區(qū)選用2片長(zhǎng)度8位、容量

2KB的芯片實(shí)現(xiàn)，每2個(gè)8位的芯片合成一組用于組成16位長(zhǎng)度的內(nèi)存字，6個(gè)芯片被提成3

組，其地址空間分派關(guān)系是：0-1777h用于第一組ROM,固化監(jiān)控程序，2023-2777h用于

RAM,保存用戶程序和用戶數(shù)據(jù)，其高端的一些單元作為監(jiān)控程序的數(shù)據(jù)區(qū)，第二組ROM的地

址范圍可以由用戶選擇，重要用于完畢擴(kuò)展內(nèi)存容量的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

2.5I/O設(shè)備

教學(xué)計(jì)算機(jī)提供了2路串行接口(INTEL8251),以支持接入PC機(jī)作為教學(xué)計(jì)算機(jī)的仿真終

端完畢輸入輸出操作;第一個(gè)串口的端口地址分派為8()h/81h,第二個(gè)串口的端口地址可以由用

戶選擇。作為擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，也可以通過(guò)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INTEL的8255、8253等)并適當(dāng)接線，完畢常用接口線路的輸入輸出操作。

3、實(shí)驗(yàn)機(jī)指令系統(tǒng)

3.1指令分類

教學(xué)機(jī)的指令按不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可劃分為：

1.從指令長(zhǎng)度區(qū)分，有單字指令和雙字指令。

2.從操作數(shù)的個(gè)數(shù)區(qū)分，有三操作數(shù)指令、雙操作數(shù)指令、單操作數(shù)指令和無(wú)操作數(shù)指令。

3.從使用的尋址方式區(qū)分，有寄存器尋址、寄存器間址、立即數(shù)尋址、直接地址、相對(duì)尋

址等多種基本尋址方式。

4.從指令功能區(qū)分，給出了算術(shù)和邏輯運(yùn)算類指令、讀寫(xiě)內(nèi)存類指令、輸入/輸出類指令、轉(zhuǎn)

移指令、子程序調(diào)用和返回類指令，尚有傳送、移位、置進(jìn)位標(biāo)志和清進(jìn)位標(biāo)志等指令。

5.按照指令的功能和它們的執(zhí)行環(huán)節(jié)，可以把該機(jī)的指令劃分為如下4組。在后面幾節(jié)中給出

的指令流程框圖、指令流程表都是以此為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行指令劃分的。

A組：。基本指令A(yù)DD、SUB、AND、OR、XOR、CMP、TEST>MVRR,DEC、

INC,SHL、SHR、JR、JRC、JRNC、JRZ、JRNZ

擴(kuò)展指令A(yù)DC、SBB、RCL、RCR、ASR、NOT,CLC、STC、ELDkJRS、

JRNS、JMPR

B組：?；局噶頙MPA、LDRR、STRR、PUSH,POP、PUSHF、POPF、MVRD、I

N、OUT、RET

C組：。擴(kuò)展指令CALR、LDRA、STRA、LDRX,STRX

D組：基本指令CALA

擴(kuò)展指令1RET

A組指令完畢的是通用寄存器之間的數(shù)據(jù)運(yùn)算或傳送，在取指之后可一步完畢。

B組指令完畢的是一次內(nèi)存或I/O讀、寫(xiě)操作，在取指之后可兩步完畢，第一步把要使用的地址

傳送到地址寄存器ARH、ARL中，第二步執(zhí)行內(nèi)存或I/O讀、寫(xiě)操作。

C組指令在取指之后可三步完畢，其中CALR指令在用兩步讀寫(xiě)內(nèi)存之后，第三步執(zhí)行寄存器

之間的數(shù)據(jù)傳送；而其它指令在第一步置地址寄存器ARH、ARL,第二步讀內(nèi)存（即取地址操

作數(shù)）、計(jì)算內(nèi)存地址、置地址寄存器ARH、ARL,第三步讀、寫(xiě)內(nèi)存。

D組指令完畢的是兩次讀、寫(xiě)內(nèi)存操作，在取指之后可四步完畢。

3.2指令格式

TEC-XP教學(xué)機(jī)實(shí)現(xiàn)了29條基本指令，用于編寫(xiě)教學(xué)機(jī)的監(jiān)控程序和支持簡(jiǎn)樸的匯編語(yǔ)

言程序設(shè)計(jì)。同時(shí)保存了19條擴(kuò)展指令，供學(xué)生在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中完畢對(duì)這些指令的設(shè)計(jì)與調(diào)試。

教學(xué)機(jī)的指令格式支持單字和雙字指令，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，如下圖所示。

操作碼DRSR

10端口地址/相對(duì)偏移量

立即數(shù)/直接內(nèi)存地址/變址偏移量

這8位指令操作碼（記作“IR15-IR8"），含義如下：

1.IR15、IR14用于區(qū)分指令組：OX表達(dá)A組，10表達(dá)B組,11表達(dá)C、D組;C、D組

的區(qū)分還要用IRI1,IR11=0為C組，IR11=1為D組。

2.IR13用于區(qū)分基本指令和擴(kuò)展指令:基本指令該位為0,擴(kuò)展指令該位為1：

3.IR12用于簡(jiǎn)化控制器實(shí)現(xiàn)，其值恒為0;

4.IR11~IR8用于區(qū)分同一指令組中的不同指令。

教學(xué)機(jī)的指令根據(jù)指令字長(zhǎng)、操作數(shù)不同可劃分為如下6種指令格式：

1）單字、無(wú)操作數(shù)指令：

格式：

000000

操作碼

00

基本指令:

PSHF；。狀態(tài)標(biāo)志（C、Z、V、S、Pl、P0）入棧

POPF；彈出棧頂數(shù)據(jù)送狀態(tài)標(biāo)志寄存器

RET。。子程序返回

擴(kuò)展指令：

CLC；?清進(jìn)位標(biāo)志位C=0

STC；。。。置進(jìn)位標(biāo)志位C=1

EI；。。開(kāi)中斷，置中斷允許位INTE=1

DI；關(guān)中斷，置中斷允許位INTER

IRET；?！爸袛喾祷?/p>

2）單字、單操作數(shù)指令:

格式:

DR0000

0000SR

操作碼OFFSET

I/OP

ORT

基本指令：

DEC?DR;DR-DR-1

INC?DR；gDR-DR+1

SHL?DR；?DR邏輯左移，最低位補(bǔ)0,最高位移入C

SHRDR;。DR邏輯右移，最高位補(bǔ)0,最低位移入C

JR。。FFSET;。無(wú)條件跳轉(zhuǎn)到ADR,ADR=IgPC值+OFFSET

JRQOFFSET；。當(dāng)C=1時(shí)，跳轉(zhuǎn)至ADR,AD口=原PC值+OFFSET

JRNCOFFSET；。當(dāng)C=0時(shí),跳轉(zhuǎn)到ADR,八口區(qū)=原PC值+OFFSET

JRZQFFSET;當(dāng)Z=1時(shí),跳轉(zhuǎn)至ADR,AD口=原PC值+OFFSET

JRNZ。OFFSE^>>當(dāng)Z=0時(shí)，跳轉(zhuǎn)至ljADR,A口1^=原PC值+OFFSET

IN?I/OPORT;RO-[I/OPORT],從外設(shè)I/OPORT端口讀入數(shù)據(jù)到RO

OUTVOPORT;?[VOPORT]-RO,將RO中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入外設(shè)I/OPORT端口

PUSHSR;。SR入棧

POPoDR：。彈出棧頂數(shù)據(jù)送DR

擴(kuò)展指令:

RCLDR;。2R與C循環(huán)左移，C移入最低位，最高位移入C

RCRDR;。DR與C循環(huán)右移，C移入最高位，最低位移入C

ASRODR;“DR算術(shù)右移，最高位保持不變，最低位移入C

NOT2R;2R求反，即DR-/DR

JMPRoSR;無(wú)條件跳轉(zhuǎn)到SR指向的地址

CALRSR;。調(diào)用SR指向的子程序

JRSOFFSET；當(dāng)S=1時(shí)，跳轉(zhuǎn)到AD冗人口1<=原「€：值+OFFSET

JRNSoOFFSET;當(dāng)S=0時(shí)，跳轉(zhuǎn)到ADR,ADR=原PC值+OFFSET

3）單字、雙操作數(shù)指令:

格式:

操作碼DRSR

基本指令：

ADD?DR,SR;DR-DR+SR

SUBDR,SR；DR-DR-SR

ANDDR,SR;-DR-DRandSR

CMPoDR,SR；。。DR-SR

XOReDR,SR；DR-DRxorSR

TESToDR,SR；^DRandSR

ORDR,SR;aDR-DRorSR

MVRRDR,SRyDR-SR

LDRRDR,[SR]；oDR-[SR]

STRRO|DR],SR;[DR]-SR

擴(kuò)展指令：

ADCODR,SR；“DR-DR+SR+C

SBBQR,SR;DR-DR-SR-C

4）雙字、單操作數(shù)指令:

格式：

操作碼00000000

ADR

基本指令：

JMPAADR；。無(wú)條件跳轉(zhuǎn)到地址ADR

CALAADR；調(diào)用首地址在ADR的子程序

5）雙字、雙操作數(shù)指令:

格式1：

DR000

操作碼0

000()SR

DATA

基本指令：

MVRDDR,DATA；2R-DATA

擴(kuò)展指令：

LDRADR,[ADR];DR=[ADR]

STRA[ADR],SR;[ADR]-SR

格式2:

操作碼DRSR

ADR

擴(kuò)展指令：

LDRX?DR,OFFSET[SR];DR-QFFSET+SR|

STRXDR,OFFSET[SR];?[0FFSET+SR]-[DR]

4、實(shí)驗(yàn)機(jī)軟件系統(tǒng)

軟件:解釋BASIC語(yǔ)言

匯編語(yǔ)言支持

監(jiān)控程序（指令）級(jí)模擬

教學(xué)機(jī)模擬：運(yùn)算器、控制器模擬

（微程序級(jí)或硬連線控制器級(jí)模擬）

主存儲(chǔ)器模擬，總線，接口模擬

輸入設(shè)備/輸出設(shè)備模擬

運(yùn)營(yíng)環(huán)境:PC機(jī)，Windows系統(tǒng)

從計(jì)算機(jī)組成原理課程教學(xué)需求的角度看，該計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的組成也是完整的，支持簡(jiǎn)樸

的高級(jí)語(yǔ)言（涉及浮點(diǎn)運(yùn)算指令和基本函數(shù)運(yùn)算功能），匯編語(yǔ)言（支持基本偽指令功能）和二進(jìn)

制的機(jī)器語(yǔ)言，配有自己的監(jiān)控程序，以及PC機(jī)仿真終端程序等。毫無(wú)疑問(wèn)，所有軟件的源

程序代碼是寶貴的教學(xué)參考資料。

從上圖可以看到，軟件實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)級(jí)和指令級(jí)模擬系統(tǒng),可以脫離硬件教學(xué)計(jì)算機(jī)系

統(tǒng),直接在PC機(jī)的WindowS平臺(tái)上運(yùn)營(yíng)教學(xué)機(jī)的程序，可以在PC機(jī)上運(yùn)營(yíng)教學(xué)機(jī)的監(jiān)控程

序,其運(yùn)營(yíng)效果和在真正的教學(xué)計(jì)算機(jī)上運(yùn)營(yíng)監(jiān)控程序是相同的。微程序和硬連線這一級(jí)別的

模擬軟件，可以通過(guò)PC機(jī)屏幕查看在教學(xué)計(jì)算機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)、指令的流動(dòng)過(guò)程，并顯示每一步

的運(yùn)營(yíng)結(jié)果，為設(shè)計(jì)、調(diào)試教學(xué)機(jī)新的軟件或硬件功能提供重要的輔助作用。

5、實(shí)驗(yàn)機(jī)與PC關(guān)系

在本次實(shí)驗(yàn)中，需要使用到一臺(tái)TEC-XP實(shí)驗(yàn)機(jī)和一臺(tái)PC機(jī);其中TEC-XP教學(xué)機(jī)系統(tǒng)

是實(shí)驗(yàn)中必不可少的東西，教學(xué)機(jī)系統(tǒng)中配置了兩個(gè)不同方案的CPU系統(tǒng)，一二CPU演戲傳

統(tǒng)的設(shè)計(jì)思緒，和當(dāng)前主流的教材配套，由中小規(guī)模的器件組成;另一個(gè)CPU參考國(guó)外著名大學(xué)

的設(shè)計(jì)思緒用大規(guī)模的EPGA器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。上面集成了各類實(shí)驗(yàn)所需的硬件元器件，它是我

們本次實(shí)驗(yàn)的重要設(shè)備。

另一方面，在實(shí)習(xí)的過(guò)程中還配置了PC機(jī)，這重要是為了在做聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)是要用到電

腦；當(dāng)用串口線將PC機(jī)遇教學(xué)機(jī)連接好設(shè)立好后，通過(guò)軟件PCEC16.EXE進(jìn)行以及一些

基本的匯編命令，我們就可以設(shè)計(jì)一些小程序來(lái)操作各種不同的寄存器，從而驗(yàn)證或是自己擴(kuò)展

一些匯編指令，實(shí)現(xiàn)通過(guò)程序來(lái)操作實(shí)驗(yàn)機(jī)教學(xué)系統(tǒng)的目的。

6、實(shí)驗(yàn)機(jī)工作原理

A在實(shí)驗(yàn)機(jī)上運(yùn)營(yíng)一下小程序，來(lái)說(shuō)明實(shí)驗(yàn)機(jī)的工作原理

小程序如下：

2023MVRDR0,()001

2023MVRDR1,0002

2023ADDRO,R1

2023RET

202gMVRDRO,0001這條指令的微程序如下△取指周期

PC->MAR,1->RAAd(CMDR)->CMAR

M(MAR)->MDR,(PC)+l->POAd(CMDR)->CMAR

MDR->IR,OP(IR)->cu->形成微指令

執(zhí)行周臥0001->RO將0001直接送至通用寄存器R0*Ad(CMDR)->CMAR取指令程序

入口地址->CMARAMVRDR1,()002這條指令的微程序如下

取指周期：APC->MAR,1->R

Ad(CMDR)->CMAR^M(MAR)->MDR,(PC)+l->PC^Ad(CMDR)->CMARAMDR->IR,

OP(IR)->CU->形成微指令

執(zhí)行周哪0002->R1將0002直接送至寄存器R1;

Ad(CMDR)->CMAR取指令程序入口地址->CMAR

ADDR0,R1這條指令的微程序如下

取指周期：APC->MAR,1->R

Ad(CMDR)->CMARAM(MAR)->MDR,(PC)+l->POAd(CMDR)->CMAR

MDR->IR,OP(IR)->CU

執(zhí)行周期：

(RO)+(R1)->ROAd(CMDR)->CMAR取指令程序入口地址->CMAR

RET這條指令的微程曲取指周期^PC->MAR,l->R

Ad(CMDR)->CMARAM(MAR)->MDR,(PC)+1->PC

Ad(CMDR)->CMAR^MDR->IR,OP(IR)->C5執(zhí)行周期：

0->GAAd(CMDR)->CMAR取指令程序入口地址->CMAR

通過(guò)上述這段實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算的小程序可以得出計(jì)算機(jī)運(yùn)營(yíng)程序的原理，計(jì)算機(jī)一方面將每一條

匯編程序轉(zhuǎn)化成微程序,而每一段微程序都有若干條微指令構(gòu)成，微指令可以直接對(duì)硬件進(jìn)行

操作?！?/p>

7、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)過(guò)程

7.1基礎(chǔ)匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)

7.1.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

①用R命令查看寄存器內(nèi)容或修改寄存器的內(nèi)容。

②在命令行提醒符狀態(tài)下輸入RR0，用來(lái)修改R0寄存器的內(nèi)容。

③通過(guò)D2023可以顯示從2023H開(kāi)始的連續(xù)128個(gè)字的內(nèi)容。

④通過(guò)E2023可以修改存儲(chǔ)器的內(nèi)容。.

⑤用A命令鍵入一段匯編程序，重要是向累加器送入數(shù)據(jù)和進(jìn)行運(yùn)算。

⑥用U命令反匯編剛輸入的程序。

⑦用G命令運(yùn)營(yíng)剛輸入的程序。

⑧用P或T命令單步執(zhí)行剛鍵入的程序

7.1.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.準(zhǔn)備一臺(tái)串口工作良好的PC機(jī)：

2.將TEC—XP實(shí)驗(yàn)箱與PC機(jī)通過(guò)串口C0M1或者COM2連接，并且將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)左下方

的五個(gè)黑色的控制機(jī)器運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的開(kāi)關(guān)置成00110（連續(xù)、內(nèi)存讀指令、組合邏輯、聯(lián)機(jī)、16

位），并打開(kāi)電源；

3.在PC機(jī)C盤(pán)目錄下tec-xp目錄下找到PCEC16.EXE文獻(xiàn)并運(yùn)營(yíng)，根據(jù)連接的PC機(jī)

串口設(shè)立聯(lián)機(jī)工作，直至主機(jī)顯示如下：

TEC-2023CRTM0NITOR

Version1.0April2023

<>ComputerArchitecturLab.,TsinghuaUniversity

ProgrammedbyHeJia

。即為聯(lián)機(jī)成功；

4.聯(lián)機(jī)成功后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

7.2脫機(jī)運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)

7.2.1實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.將教學(xué)機(jī)左下方的5個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)置為IXX00（單步、16位、脫機(jī)）；先按一下

“RESET”按鍵，再按一下“START”按鍵，進(jìn)行初始化；

2.按下表所列的操作在機(jī)器上進(jìn)行運(yùn)算器脫機(jī)實(shí)驗(yàn)，將結(jié)果填入表中：其中D1取為010

1H,D2取為1010H；通過(guò)兩個(gè)十二位的紅色微型開(kāi)關(guān)向運(yùn)算器提供控制信號(hào)，通過(guò)16

位數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)向運(yùn)算器提供數(shù)據(jù)，通過(guò)指示燈觀測(cè)運(yùn)算結(jié)果及狀態(tài)標(biāo)志。

表1.脫機(jī)運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)結(jié)果

、一A-A-

也算I8-I0SSTSSHscBA壓START前壓START后

ALUczvsALUczvs

輸出輸出

*D1+0->R000100000000不用010100000100000

1

*D2+O->R1001000000不用101000010100000

010

R0+Rl->R00000000()000001111000021210000

11

R0-R1->R0001000100001010000F0F11000

00001

R1-RO->R1001000100OFOF10000E01000

001000E

ROVR1->RO001000000000OFOF1000OFOF1010

010

ROAR1->RO00100000000101101001011010

0()001

ROR1->RO00100000000001OEOE101001011000

0

VR0R1)->R00000000000000FEFE1000OEOE1001

11

2*R0->R000100000000不用FEFE1001FDFC0001

R0/2->RO0010000000不用FDFC00017EFE0001

0

7.3組合邏輯控制器實(shí)驗(yàn)

7.3.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.完畢控制器部件的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，重要內(nèi)容是有學(xué)生自己設(shè)計(jì)幾條指令的功能、格式和執(zhí)行

流程，并在教學(xué)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)、調(diào)試對(duì)的。

2.一方面是看懂TEC-XP教學(xué)計(jì)算機(jī)的功能部件組成和線路邏輯關(guān)系，然后分析教學(xué)計(jì)

算機(jī)中已經(jīng)設(shè)計(jì)好并正常運(yùn)營(yíng)的幾條指令（例如，ADD、SHR、OUT、MVRD、JRC、

CALA,RET等指令）的功能、格式和執(zhí)行流程。

3.設(shè)計(jì)幾條指令的功能、格式和執(zhí)行流程，并在教學(xué)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)、調(diào)試對(duì)的。例如

ADC、JRS、JRNS,LDRA、STOR、JMPR等指令，可以從《TEC-XP教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)技術(shù)

說(shuō)明與實(shí)驗(yàn)知道》第二章給出的19條擴(kuò)展指令中任意選擇，當(dāng)然也可以設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)其它的指

令，涉及本來(lái)己程序的基礎(chǔ)上按照ABEL語(yǔ)言的規(guī)定添加新指令的控制信號(hào)，編譯產(chǎn)生JED

文獻(xiàn)并下載到MACH芯片里。軟件的使用和下載參見(jiàn)附錄。

4.單條運(yùn)營(yíng)指令，查看指令的功能、格式和執(zhí)行流程。

現(xiàn)將教學(xué)計(jì)算機(jī)左下方的5個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)置為11110,再按一下“RESET”按鍵，然后通過(guò)16位

的數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)（SWH、SWL）置入指令，按“START”按鍵單步送脈沖，通過(guò)指示燈觀測(cè)控制

信號(hào)的變化。

5.用控制程序的A、E（擴(kuò)展指令必須用E命令置入）命令編寫(xiě)一段小程序，觀測(cè)運(yùn)營(yíng)結(jié)

果。

實(shí)驗(yàn)是將教學(xué)機(jī)左下方的5個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)置為00110,運(yùn)營(yíng)編寫(xiě)的小程序。觀測(cè)終端顯示的結(jié)

果，檢查設(shè)計(jì)的指令是否對(duì)的。若與預(yù)定結(jié)果不符,可查看指令的功能、格式、執(zhí)行、流程設(shè)

計(jì)的是否對(duì)的。

7.3.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.接通教學(xué)機(jī)電源；

2.將教學(xué)機(jī)左下方的5個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)置為11110（單步、手動(dòng)指令、組合、16位、聯(lián)機(jī)）；

3.按一下“RESET”按鍵；

4.通過(guò)16位的數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)SWH、SWL置入16位的指令操作碼；

5.在單步方式下，通過(guò)指示燈觀測(cè)各類基本指令的節(jié)拍。

選擇基本指令的A組指令中的ADD指令，觀測(cè)其節(jié)拍流程；

6.單步方式下，通過(guò)指示燈觀測(cè)各類基本指令的控制信號(hào)。

1）選擇基本指令的A組指令中的SHR指令,觀測(cè)期執(zhí)行過(guò)程中控制信號(hào)的變化，分析其作

用。

2）選擇基本指令的B組指令中的JMPA指令，觀測(cè)其執(zhí)行過(guò)程中信號(hào)的變化,分析其作用。

7.4存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)

7.4.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.要完畢存儲(chǔ)器容量擴(kuò)展的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，需為擴(kuò)展存儲(chǔ)器選擇一個(gè)地址,并注意讀寫(xiě)和OE控制信

號(hào)的對(duì)的狀態(tài);

2.用監(jiān)控程序的D、E命令對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)，比較RAM(6116)EEPROM(28系列芯

片)EPROM(27系列芯片)在讀寫(xiě)上的異同；

3.用監(jiān)控程序的A命令編寫(xiě)一段程序，對(duì)RAM(6116)進(jìn)行讀寫(xiě)，用D命令查看結(jié)果是否對(duì)的;

4.用監(jiān)控程序的A命令編寫(xiě)一段程序，對(duì)擴(kuò)展存儲(chǔ)器EEPROMQ8系列芯片)進(jìn)行讀寫(xiě)，用

D命令查看結(jié)果是否對(duì)的；如不對(duì)的，分析因素，改寫(xiě)程序，重新運(yùn)營(yíng)。

7.4.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.檢查FPGA下方的插針要按下列規(guī)定短接：標(biāo)有“/MWR”“RD”的插針左邊兩個(gè)短接，

標(biāo)有“/MRD”

“GND”的插針右邊兩個(gè)短接，標(biāo)有ROMLCS和RAMLCS的插針短接。

2.RAM(6116)讀寫(xiě)實(shí)驗(yàn)

1簡(jiǎn)樸指令測(cè)試：

(1)用E命令改變內(nèi)存單元的值并用D命令觀測(cè)結(jié)果。

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CopyrightJasonHe

>E2020

20200000:2222F7FF：33330000:4444FFFF：5555

>D2020

202022223333444455550000FFFF0000FF7F,M,33DDUU.......a

20280000FFEF0000FFFF0000FFFF0020FFFF.................

20300000FDFF0000FFFF0000FFFF0000FFFF.................

圖1-1.E命令改變內(nèi)存單元的值并用D命令觀測(cè)結(jié)果

分析:可以看到相應(yīng)內(nèi)存單元已被修改為指定的值

(2)并用D命令觀測(cè)結(jié)果。

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>D2020

20200000FFFF0000FFFF0000FFFF0000FFFF

20280000FFFF0000FFFF0000FFFF00A0FFFF

20300000FDFF0000FFFF0000FFFF0000FFFF

20380000FFFF0000FFFF0800FFFF0400FFBF..

圖1-2.E命令改變內(nèi)存單元的值并用D命令觀測(cè)結(jié)果

分析:可以顯示子指定內(nèi)存單元地址開(kāi)始128個(gè)內(nèi)存單元的值，這里只截取了一部分以求簡(jiǎn)

練。

(3)斷電后重啟內(nèi)存單元的值已經(jīng)改變

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>D2020

20200000FFFF0000FFFF0000FFFF0000FFFF................

20280000FFFF0000FFFF0000FFFF00A0FFFF................

20300000FDFF0000FFFF0000FFFF0000FFFF................

20380000FFFF0000FFFF0800FFFF0400FFBF................

圖1-3.斷電后的查詢結(jié)果

分析結(jié)果:從輸入輸出結(jié)果可以看出,RAM芯片在斷電重啟后原先寫(xiě)入的程序都會(huì)丟失，需要每

次重新執(zhí)行輸入寫(xiě)入程序的過(guò)程。

2用A命令輸入一段程序，執(zhí)行并觀測(cè)結(jié)果。截屏如下:

>A2000

2000：MURDR0.AAAA

2002：MURDRI,5555

2004：ANDR0,R1

2005：RET

2006：

|>12000

R0=AAAAR1=FFFFR2=0000R3=FFFFSP=2780PC=2002R6=0000R7=FFFFR8=2000

R9=FFFFR10=0400R11=FFFFR12=2008R13=FFFFR14=260DR15=FFFFF=00000011

2002：88105555MURDRI,5555

>T

R0=Ai屏ARI=5555R2=0000R3=FFFFSP=2780PC=2004R6=0000R7=FFFFR8=2000

K9=FFFFRI0=0400R11=FFFFR12=2008R13=FFFFR14=260DR15=FFFFF=00000011

2004：0201ANDR0,R1

>T

R0=0000RI=5555R2=0000R3=FFFFSP=2780PC=2005R6=0000R7=FFFFR8=2000

R9=FFFFRI0=0400R11=FFFFR12=2008R13=FFFFR14=260DR15=FFFFF=01000011

2005：8F00RET

>-

圖2-1.A命令執(zhí)行結(jié)果

分析：

第一次單步調(diào)試，RO的值變?yōu)锳AAAH,其余寄存器的值不變

第二次但不調(diào)試,R1的值變?yōu)?555H,其余寄存器的值不變

第三次單步調(diào)試,R0的值變?yōu)?000H,其余寄存器的值不變

B0=0000Rl=5555R2=0000R3=FFFFSP=2780PC=2005R6=0000R7=FFFFR8=2000

R9=FFFFR10=0400R11=FFFFR12=2008R13=FFFFR14=260DR15=FFFFF=01000011

2005：8F00RET

>G2000

0=%00RI=5555R2=0000R3=FFFFSP=2780PC=2000R6=0000R7=FFFFR8=2000

9=FFFFR10=0400R11=FFFFR12=2008R13=FFFFR14=2612R15=FFFFF=01000011

>R

0=0000RI=5555R2=0000R3=FFFFSP=2780PC=2000R6=0000R7=FFFFR8=2000

9=FFFFR10=0400R11=FFFFR12=2008R13=FFFFR14=2612R15=FFFFF=01000011

000：8800AAAAMURDRl

圖2-2.A命令執(zhí)行結(jié)果續(xù)

3EPROM芯片實(shí)驗(yàn)。

將芯片OOOOUXMF的內(nèi)存單元的值置為010203040506070809OAOBOCODOEOF

101112131415161718191AIBIC1DIEIF。截屏如下:

000

0058800:0001004E：00028681:00038800:00040037:0005

8681:00068840:00072607:00088800:00092000：000A

09CA

08500：000B8500：000c8500：000D8500：000E8810：000F

DSF

042613:00108310:00110100:00128500:00138800:0014

092780:00158810:00162612:00178310:00188840:0019

D027FE：001A8820：001B09A7：001CCE00：001D057F：001F

00004E

0888000008681880000378681884026077.(?&.

DC

0t088000100850085008500850088102613

H8310850088002780881026128310&...

nr-rjTiCARTT

圖3-1.擦除芯片內(nèi)容

斷電重啟后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:

IJ)00008840

的008800004E868188000037868188102607

000888002000850085008500850026122613

001083100100850088002780881088008310

0018884027FE882009A7CE00057F003E

圖3-2.斷電重啟后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分析:由圖可知斷電后重啟，內(nèi)存數(shù)值沒(méi)變。

458c65芯片擴(kuò)展EEPROM實(shí)驗(yàn)。

(1)、用E命令改變內(nèi)存單元的值并用D命令觀測(cè)結(jié)果。截屏如下:

>E5000

50002400:2424FFFF：3636FFFF：4848FFFF：5050

>D5000

50002佟3636484850500000000000000000$$66HHPP

5151：

圖4-1.用E命令改變內(nèi)存單元的值并用D命令觀測(cè)結(jié)果

回2000

2000：MURDR0.0000

2002：MURDR2,0010

2004：MURDR3.5000

2006：STRR[R3LR0

2007：CALA2200

2009：INCR0

200A：INCR3

200B：DECR2

E00C：JRNZ2006

Q00D：RET

E00E：

M2200

2200：PUSHR3

2201：MURDR3.FFFF

2203：DECR3

2204：JRNZ2203

2205：POPR3

2206：RET

2207：

8G_

圖4-2修改內(nèi)存單元程序代碼

2206：RET

2207：

,G2000

B0=0010RI=FFFFR2=0000R3=5010SP=2780PC=2000R6=0000R7=FFFFR8=0000

B9=FFEFR10=0400R11=FDFFR12=2000R13=FFFFR14=2612R15=FFFFF=11000011

>D5000

500000000001000200030004000500060007......................................

500800080009000A000B000C000D000E000F......................................

501003034646818188880000030346460808..FF..................FF..

圖4-3內(nèi)存單元值修改效果演示

分析:有上述結(jié)果可以知道從5000H開(kāi)始的內(nèi)存值被程序修改，同時(shí)運(yùn)營(yíng)時(shí)可以看到程序有延

遲，這是由于地址為2200開(kāi)始的子程序代碼決定的,當(dāng)將子程序中R3的內(nèi)容修改為00FF后運(yùn)

營(yíng)結(jié)果仍對(duì)的，但延遲時(shí)間有變化。

7.5微程序控制器實(shí)驗(yàn)

7.5.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.實(shí)驗(yàn)之前，應(yīng)認(rèn)真準(zhǔn)備，寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和具體設(shè)計(jì)內(nèi)容，否則實(shí)驗(yàn)效率會(huì)特別低，一次實(shí)驗(yàn)時(shí)

間主線無(wú)法完畢實(shí)驗(yàn)任務(wù)，即使基本做對(duì)了，也很難說(shuō)學(xué)懂了什么重要教學(xué)內(nèi)容；

2.應(yīng)在實(shí)驗(yàn)前掌握所有控制信號(hào)的作用，在脫機(jī)運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)中，己給出了與運(yùn)算器有關(guān)的

控制信號(hào)的作用,16位機(jī)微程序控制器用到的控制信號(hào)的功能表可參見(jiàn)《TEC-XP教學(xué)計(jì)算機(jī)

系統(tǒng)技術(shù)說(shuō)明與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》第三章的控制器部件和運(yùn)算器部件的相關(guān)內(nèi)容。需要注意的是中端

用到了DC23,在T4~TO=00010一拍時(shí)DC23為1，其余節(jié)拍均為0;

3.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,應(yīng)認(rèn)真進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，既不要由于粗心導(dǎo)致短路等事故而損壞設(shè)備，又要仔細(xì)

思考實(shí)驗(yàn)有關(guān)內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)的積極性和發(fā)明性，把自己想不太明白的問(wèn)題通過(guò)實(shí)驗(yàn)理解清楚,

爭(zhēng)取最佳的實(shí)驗(yàn)效果，力求達(dá)成教學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要目的；

4.實(shí)驗(yàn)之后，思考總結(jié),寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，涉及實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)和具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，碰到的重要問(wèn)題和分

析與解決問(wèn)題的思緒。

7.5.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.接通教學(xué)機(jī)電源；

2.將教學(xué)機(jī)左下方的5個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)置為11010（單步、手動(dòng)置指令、微程序、聯(lián)機(jī)、16

位）；

3.按一下“RESET”按鍵；

4.通過(guò)16位的數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)SWH、SWL置入指令操作碼；

5.在單步方式下，通過(guò)指示燈觀測(cè)各類基本指令的微碼

1）選擇基本指令的A組中的ADD指令，觀測(cè)其節(jié)拍流程

2）選擇基本指令的B組指令中的MVRD指令,觀測(cè)其節(jié)拍流程

6.在連續(xù)方式下，用A命令鍵入程序并運(yùn)營(yíng)

TEC-2000CRTMONITOR

Uersion2.02001.10

ComputerArchitecturLab.>.TsinghuaUniuersity

CopyrightJasonHe

>A3000

2005：MURDR0.0036

2002：OUT80

2003：RET

2004：

>G2000

6

R0=0036R1=FFFFR2=0400R3=FFFFSP=2780PC=2000R6=A000R7=FFFFR8=2000

R9=FFEFR10=0400R11=FFFFR12=2008R13=FFFFR14=2612R15=FFFFF=00000011

>-

圖6-1

分析：程序?qū)0賦值0036H,結(jié)果如圖，寄存器R0的值已被修改。

7.MPROM芯片擴(kuò)展：

>E4020

4020FFFF：5000

>IiL406D

4(5tDFFFF：5700FFFF：

>E40E4

40E4FFFF：5B00

>E40E0

40E0FFFF：6400

>E4050

；4050FFFF：3000

>E4057

4057FFFF：3000

>E405B

405BFFFF：0000

>E405C

405CFFFF：1C00

>E4064

4064FFFF：0000

>E4065

4065FFFF：0000

>E4066

4066FFFF：3000

圖7T對(duì)CMH的操作

>E4050

4050FFFF：3000

>E4057

4057FFFF：3000

>E405B

405BFFFF：E000

>E405C

405CFFFF：3000

>E4064

4064FFFF：E000

>E4065

4065FFFF：E000

>E4066

4066FFFF：3000

>-

圖7-2對(duì)CML的操作

8.測(cè)試ADC指令:

CopyrightJasonHe

>A2000

2000：MURDR0.0101

2002：MURDRI,1010

2004：

>A2006

2006：RET

2007：

>E2004

20型0000：6D00

>E^005

2005FFFF：2001

>E2006

20068F00：

>G2000

R0=1112RI=1010R2=0000R3=FFFFSP=2780PC=2000R6=0000R7=FFFFR8=0000

R9=FFFFR10=0400R11=FDFFR12=2000R13=FFFFR14=2612R15=FFFFF=00000011

zn

R0=1112RI=1010R2=0000R3=FFFFSP=2780PC=2000R6=0000R7=FFFFR8=0000

R9=FFFFR10=0400R11=FDFFR12=2000R13=FFFFR14=2612R15=FFFFF=00000011

R000：88000101MURDR01,0101

圖8-1

分析：程序?qū)0賦值0101,R1賦值1010,然后用E命令鍵入運(yùn)用已經(jīng)編寫(xiě)好的ADC指令其中

6D00和2023的得出是從擴(kuò)展指令的指令格式表中查表得出的。00100000DRSR即2023,功

能是DRCDR+SR+C.所以是將RO,R1中的值相加再加1最后放到R0中，而R1中的值不變。

于是的到如上結(jié)果。

9.測(cè)試CALR指令:

|>E20F0

20F0E715：00412AB2：00420020:0043001F：00440020:0045

20F500