TEC-5計算機(jī)組成實驗(及習(xí)題)

TEC-5計算機(jī)組成實驗系統(tǒng)介紹

岳斌2013.10TEC-5計算機(jī)組成實驗系統(tǒng)一、TEC-5實驗系統(tǒng)的特點它適用于《計算機(jī)組成原理》、《計算機(jī)組織和結(jié)構(gòu)》和《數(shù)字邏輯和數(shù)字系統(tǒng)》三門課程的實驗教學(xué)，是一種多用儀器。該儀器將提高學(xué)生的動手能力，提高學(xué)生對計算機(jī)整體和各組成局部的理解，提高學(xué)生對數(shù)字系統(tǒng)和計算機(jī)系統(tǒng)的綜合設(shè)計能力。TEC-5實驗系統(tǒng)二、時序發(fā)生器時序發(fā)生器產(chǎn)生計算機(jī)模型所需的時序和數(shù)字邏輯實驗所需的時鐘。時序電路由一個500KHz晶振、2片GAL22V10(U64、U66)、一片74LS390(U65)組成。根據(jù)本機(jī)設(shè)計，執(zhí)行一條微指令需要4個節(jié)拍脈沖T1、T2、T3、T4，執(zhí)行一條機(jī)器指令需要三個節(jié)拍電位W1、W2、W3，因此本機(jī)的根本時序如下：TEC-5實驗系統(tǒng)

TEC-5實驗系統(tǒng)三、數(shù)據(jù)通路TEC-5的數(shù)據(jù)通路采用了數(shù)據(jù)總線和指令總線雙總線形式。它還使用了大規(guī)模在系統(tǒng)編程器件作為存放器堆，使得設(shè)計簡單明了，可修改性強(qiáng)。圖1.2是數(shù)據(jù)通路總體圖，下面介紹圖中各個主要部件的作用。參考圖3.1

TEC-5實驗系統(tǒng)1．運(yùn)算器ALU運(yùn)算器ALU由兩片74LS181(U55和U60)組成，其中U60進(jìn)行低4位運(yùn)算，U55進(jìn)行高4位運(yùn)算。在選擇端M和S0-S3控制下，ALU對數(shù)據(jù)A、B進(jìn)行各種算術(shù)、邏輯運(yùn)算。有關(guān)74181運(yùn)算的具體操作，請看74181的資料和教科書。當(dāng)LDRi=1時，在T3的上升沿存放器C〔U57A〕保存運(yùn)算產(chǎn)生的進(jìn)位標(biāo)志信號。TEC-5實驗系統(tǒng)2．運(yùn)算操作數(shù)存放器DR1和DR2〔U47、U48〕DR1〔U47〕和DR2(U48)是運(yùn)算操作數(shù)存放器，DR1和ALU的A口相連，DR2和ALU的B口相連。DR1和DR2各由一片74LS273構(gòu)成。當(dāng)LDDR1/LDDR2＝1時，在T2上升沿，DR1/DR2接收來自通用存放器堆A/B端口的數(shù)據(jù)。TEC-5實驗系統(tǒng)3．雙端口通用存放器堆RF〔U54〕雙端口通用存放器堆RF由一片ispLSI1016〔U30〕構(gòu)成，其中包含4個8位存放器〔R0、R1、R2、R3〕，有三個控制端口：兩個控制讀操作，一個控制寫操作，三個端口可以同時操作。由RD1、RD0選中的存放器的數(shù)據(jù)從A端口讀出，由RS1、RS0選中的存放器的數(shù)據(jù)從B端口讀出；WR1、WR0選擇要寫入的存放器。LDRi控制寫操作，當(dāng)LDRi＝1時，在T3上升沿將數(shù)據(jù)總線DBUS上的數(shù)據(jù)寫入由WR1、WR0選中的存放器。TEC-5實驗系統(tǒng)

從RF的A端口讀出的數(shù)據(jù)直接送DR1。由B端口讀出的數(shù)據(jù)直接送DR2之外，還可以送數(shù)據(jù)總線DBUS。當(dāng)RS_BUS#＝0時，允許B端口數(shù)據(jù)送DBUS。TEC-5實驗系統(tǒng)4．雙端口存儲器RAM雙端口存儲器RAM由一片IDT7132(U44)及少量控制電路構(gòu)成。IDT7132是2048字節(jié)的雙端口靜態(tài)隨機(jī)存儲器，本實驗系統(tǒng)實際使用256字節(jié)。IDT7132的兩個端口可以同時進(jìn)行讀、寫操作。在本實驗系統(tǒng)中，RAM左端口連接數(shù)據(jù)總線DBUS，可進(jìn)行讀、寫操作；右端口連接指令總線IBUS，輸出到指令存放器IR，作為只讀端口使用。IDT7132有6個控制引腳，CEL#、LR/W#、OEL#控制左端口讀、寫操作；CER#、RR/W#、OER#控制右端口的讀寫操作。CEL#為左端口選擇引腳，低電平有效；當(dāng)CEL#＝1時，禁止對左端口的讀、寫操作。TEC-5實驗系統(tǒng)

LR/W#控制對左端口的讀寫，當(dāng)CEL#=0且LR/W#=1時，左端口進(jìn)行讀操作；當(dāng)CEL#=0且LR/W#＝0且T2為高時，左端口進(jìn)行寫操作。OEL#的作用等同于三態(tài)門，當(dāng)CEL#=0且OEL#＝0時，允許左端口讀出的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線DBUS上；當(dāng)OEL#＝1時，禁止左端口的數(shù)據(jù)放到DBUS。TEC-5實驗系統(tǒng)為便于理解，在以后的實驗中，我們將OEL#引腳稱為RAM_BUS#?？刂朴叶丝诘娜齻€引腳與左端口的三個完全類似，不過只使用了讀操作，在實驗板上已將RR/W#固定接高電平，OER#固定接地。當(dāng)CER#=0時，右端口讀出的數(shù)據(jù)〔更確切的說法是指令〕放到指令總線IBUS上，然后當(dāng)LDIR=1時在T3的上升沿打入指令存放器IR。所有數(shù)據(jù)/指令的寫入都使用左端口，右端口作為指令端口，不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入。TEC-5實驗系統(tǒng)

左端口讀出的數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)總線DBUS上，由數(shù)據(jù)總線指示燈DBUS7-DBUS0顯示。右端口讀出的指令放在指令總線IBUS上，由指令總線指示燈IBUS7-IBUS0顯示。

TEC-5實驗系統(tǒng)5．地址存放器AR和程序計數(shù)器PC存儲器左端口的地址存放器AR(U53、U59)和右端口的地址存放器PC(U52、U45)都使用2片74LS163，具有地址遞增的功能。PC是程序計數(shù)器，提供雙端口存放器右端口地址，U52是低4位，U45是高4位，具有加載數(shù)據(jù)和加1功能。AR是地址存放器，提供雙端口存儲器左端口地址，U53是低4位，U59是高4位，具有加載數(shù)據(jù)和加1功能。TEC-5實驗系統(tǒng)

AR中的地址用地址AR指示燈AR7-AR0顯示，PC中的地址用程序計數(shù)器PC指示燈PC7-PC0顯示。TEC-5實驗系統(tǒng)當(dāng)LDAR#＝0時，AR在T2時從DBUS接收來自SW7－SW0的地址；當(dāng)AR＋1＝1時，在T2的上升沿存儲器地址加1。注意：LDAR#和AR＋1兩個控制信號不能同時有效。在下一個時鐘周期，令CEL#＝0，LR/W#＝0，那么在T2節(jié)拍進(jìn)行寫操作，將SW7－SW0設(shè)置的數(shù)據(jù)經(jīng)DBUS寫入存儲器。當(dāng)LDPC#＝0時，PC在T2時從DBUS接收來自SW7－SW0的地址，作為程序的啟動地址；當(dāng)一條機(jī)器指令開始執(zhí)行時，取指以后，PC＋1＝1，程序計數(shù)器給出下一條指令的地址。注意：LDPC#和PC＋1兩個控制信號不能同時有效。TEC-5實驗系統(tǒng)6．指令存放器IR指令存放器IR是一片74LS273〔U46〕。當(dāng)LDIR＝1時，在T3的上升沿，它從雙端口存儲器的右端口接收指令。指令的操作碼局部IR7—IR4送往控制器譯碼，產(chǎn)生數(shù)據(jù)通路的控制信號。指令的操作數(shù)局部送往存放器堆RF，選擇參與運(yùn)算的存放器。IR1、IR0與RD1、RD0連接，選擇目標(biāo)操作數(shù)存放器；IR3、IR2與RS1、RS0連接，選擇源操作數(shù)存放器。IR1、IR0也與WR1、WR0連接，以便將運(yùn)算結(jié)果送往目標(biāo)操作數(shù)存放器。TEC-5實驗系統(tǒng)本實驗系統(tǒng)設(shè)計了8條機(jī)器指令，均為單字長〔8位〕指令。指令功能及格式如表1所示。其中的×代表隨意值；RS1、RS0是存放器堆B端口讀出的源選擇信號；RD1、RD0是存放器堆A端口讀出的目標(biāo)選擇信號，WR1、WR0是寫入的存放器的選擇信號。在實驗中，需要將IR3-IR0這些操作數(shù)選擇信號與RF對應(yīng)引腳連接好。TEC-5實驗系統(tǒng)表1機(jī)器指令系統(tǒng)名稱助記符功能指令格式IR7IR6IR5IR4IR3IR2IR1IR0加法ADDRd,Rs；Rd+Rs→Rd0000Rs1Rs0Rd1Rd0減法SUBRd,Rs；Rd-Rs→Rd0001Rs1Rs0Rd1Rd0邏輯與ANDRd,Rs；Rd&Rs→Rd0010Rs1Rs0Rd1Rd0存數(shù)STARd,[Rs]；Rd→[Rs]0011Rs1Rs0Rd1Rd0取數(shù)LDARd,[Rs]；[Rs]→Rd0100Rs1Rs0Rd1Rd0條件轉(zhuǎn)移JCR3；假設(shè)C＝1那么R3→PC010111××停機(jī)STP；暫停執(zhí)行0110××××輸出OUTRs；Rs→DBUS0111Rs1Rs0××〔存放器--RF與IR的聯(lián)系〕TEC-5實驗系統(tǒng)四.控制器控制器用來產(chǎn)生數(shù)據(jù)通路操作所需的控制信號。TEC-5提供了一個微程序控制器，以便能進(jìn)行計算機(jī)組成原理根本實驗。在進(jìn)行課程設(shè)計時，學(xué)生可設(shè)計自己的控制器。圖1.2是控制器框圖。TEC-5實驗系統(tǒng)1.控制存儲器控制存儲器由4片HN58C65〔U35、U36、U37、U38〕構(gòu)成。HN58C65是E2PROM，存儲容量為8K字節(jié)，本實驗系統(tǒng)只使用了64字節(jié)。微指令格式采用水平型，微指令字長31位，其中順序控制局部9位：判別字段3位，后繼微地址6位。操作控制字段22位，各位進(jìn)行直接控制。TEC-5實驗系統(tǒng)判別標(biāo)志位P0和控制臺操作開關(guān)SWC、SWB、SWA一起確定控制臺指令微程序的分支，完成不同的控制臺操作；P1與指令操作碼〔IR的高4位〕一起確定機(jī)器指令微程序的分支，轉(zhuǎn)向各種指令的不同微程序流程。P2與進(jìn)位標(biāo)志C一起確定條件轉(zhuǎn)移指令。操作控制字段22位，采用直接表示法，控制數(shù)據(jù)通路的操作。信號名帶#者為低電平有效。

表1.2控制信號表控制信號功能S3，S2，S1，S0:選擇運(yùn)算器的運(yùn)算類型。M:選擇運(yùn)算器的運(yùn)算模式：M＝0，算術(shù)運(yùn)算；M＝1，邏輯運(yùn)算。Cn#:運(yùn)算器最低位的+1信號。為0時，運(yùn)算器最低位有進(jìn)位。LR/W#:當(dāng)LR/W#＝1且CEL#＝0時，對雙端口存儲器左端口進(jìn)行讀操作；當(dāng)LR/W#＝0且CEL#＝0時，在T2節(jié)拍對左端口進(jìn)行寫操作。CEL#:雙端口存儲器左端口使能信號。為0時允許對左端口讀、寫。CER#:雙端口存儲器右端口使能信號。為0時將指令送往指令總線IBUS。RAM_BUS#:存儲器數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線DBUS信號，為0時將雙端口存儲器左端口數(shù)據(jù)送DBUS。ALU_BUS#:ALU輸出三態(tài)門使能信號，為0時將ALU運(yùn)算結(jié)果送DBUS。RS_BUS#:通用存放器右端口三態(tài)門使能信號，為0時將RF的B端口數(shù)據(jù)送DBUS。

控制信號功能SW_BUS#:控制臺輸出三態(tài)門使能信號，為0時將控制臺開關(guān)SW7-SW0數(shù)據(jù)送DBUS。LDRi:雙端口存放器堆寫入信號，為1時將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)在T3的上升沿寫入由WR1、WR0指定的個存放器。LDDR2:對操作數(shù)存放器DR2進(jìn)行加載的控制信號，為1時在T2的上升沿將由RS1、RS0指定的存放器中的數(shù)據(jù)打入DR2。LDDR1:對操作數(shù)存放器DR1進(jìn)行加載的控制信號，為1時在T2的上升沿將由RD1、RD0指定的存放器中的數(shù)據(jù)打入DR1。LDAR#:對地址存放器AR進(jìn)行加載的控制信號。為0時在T2的上升沿將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)打入地址存放器AR。AR+1:對AR進(jìn)行加1操作的電位控制信號。為1時在T2的上升沿使AR的值加1。控制信號功能LDPC#:對程序計數(shù)器PC進(jìn)行加載的控制信號。為0時在T2的上升沿將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)打入程序計數(shù)器PC。PC+1:對PC進(jìn)行加1操作的電位控制信號。為1時在T2的上升沿使PC的值加1。LDIR:對指令存放器進(jìn)行加載的控制信號。為1時在T3的上升沿將指令總線IBUS上的數(shù)據(jù)打入指令存放器IR。TJ:停機(jī)指令，暫停微程序運(yùn)行。TEC-5實驗系統(tǒng)2．微地址存放器μAR〔U33〕微地址存放器μAR是1片74LS174，對控制存儲器提供微程序地址。當(dāng)CLR#＝0時，將異步清零，使微程序從000000B開始執(zhí)行。在每一個T1的上升沿，新的微指令地址打入微地址存放器中。微地址由指示燈uA5-uA0顯示。TEC-5實驗系統(tǒng)3．微地址轉(zhuǎn)移邏輯〔U21、U24、U26、U20〕微地址轉(zhuǎn)移邏輯產(chǎn)生后繼微程序地址，它由兩片74LS32和兩片74LS08構(gòu)成。微地址轉(zhuǎn)移邏輯的信號來源是：控制存儲器產(chǎn)生的后繼微指令地址μA0-μA5，判別標(biāo)志位P0、P1、P2，指令操作碼IR4-IR7，進(jìn)位標(biāo)志C，還有控制臺操作碼SWC、SWB、SWA。TEC-5實驗系統(tǒng)五、控存EEPROM的改寫 TEC-5中的4片EEPROM〔CM0-CM3，U35-U38〕是控存，里面裝有TEC-5微程序的微代碼。由于它是電可擦除和編程的EEPROM，因此可以實現(xiàn)不用將CM0-CM3從插座上取出就能實現(xiàn)對其編程的目的。為此我們在TEC-5上用1片單片機(jī)芯片89S52(U39)和一些附加電路實現(xiàn)了不用拔出CM0-CM3就能對其編程，從而改寫這些EEPROM中微代碼的目的。89S52中包含一個監(jiān)控程序，它負(fù)責(zé)通過串行口和PC機(jī)通訊，向PC機(jī)發(fā)出提示信息、接收命令和數(shù)據(jù)，并根據(jù)接收到的命令〔0，1，2，3〕決定將隨后收到的64個數(shù)據(jù)寫入指定的EEPROM。命令0、1、2、3指定寫那個器件，0對應(yīng)CM0,1對應(yīng)CM1,2對應(yīng)CM2,3對應(yīng)CM3。64個字節(jié)的數(shù)據(jù)將寫入指定EEPROM的前64個單元〔地址00H-3FH〕。TEC-5實驗系統(tǒng)1.TEC-5的兩種工作方式TEC-5的計算機(jī)組成原理實驗局部有兩種工作方式，一種叫正常工作方式，一種叫編程工作方式。當(dāng)編程開關(guān)〔在U3989S52的下面〕撥到正常位置時，TEC-5的計算機(jī)局部可以正常做實驗，CM0-CM3只受控制器的控制，它里面的微代碼正常讀出，供數(shù)據(jù)通路使用。當(dāng)編程開關(guān)撥到編程位置時，CM0-CM3只受單片機(jī)89S52的控制，用來對4片EEPROM編程。在編程狀態(tài)下，不能做計算機(jī)組成原理的實驗。出廠時編程開關(guān)處于正常狀態(tài)。注意：做計算機(jī)組成原理實驗時編程開關(guān)一定要處于正常位置。TEC-5實驗系統(tǒng)2.編程軟件—串口調(diào)試助手2.2簡介在PC機(jī)上運(yùn)行的和TEC-5通訊的編程軟件是串口調(diào)試助手。下面對該軟件做一些簡單介紹。通過雙擊出廠時提供的該軟件的圖標(biāo)，即出現(xiàn)該軟件的界面。圖1.3是該軟件的界面。此軟件很簡單，一看就知道怎么用，在這里簡單說一下需要注意的地方。首先，串口需要設(shè)置。如果你的機(jī)器就一個串口，那就不用管了，要是有1個以上的串口，那就看看你此時通訊用的是哪一個了。串口的設(shè)置要和PC機(jī)上使用的編程下載串口一致。其次，波特率等參數(shù)要保證和89S52里的下載軟件中的一致。即波特率為1200波特，數(shù)據(jù)位8位，無校驗位，停止位1位。這些參數(shù)設(shè)置不正確將無法通訊。再次，窗口下部空白區(qū)為PC數(shù)據(jù)發(fā)送窗口，其上面較大的空白區(qū)為PC數(shù)據(jù)接收窗口。最后，需要時刻注意按鈕‘關(guān)閉串口’的狀態(tài)。圖1.3串口調(diào)試助手界面TEC-5實驗系統(tǒng)3.CM0-CM3的下載步驟：①在TEC-5關(guān)閉電源的情況下，用出廠時提供的RS232串口線將TEC-5實驗儀的串口與主機(jī)的串口連接起來。TEC-5上的編程開關(guān)撥到編程位置，將串口調(diào)試助手程序翻開，設(shè)置好參數(shù)，翻開電源，按一下復(fù)位鍵RESET。TEC-5實驗系統(tǒng)②軟件的接收區(qū)此時會顯示‘WAITINGFORCOMMAND...’，請在數(shù)據(jù)發(fā)送區(qū)寫入‘0’，按‘手動發(fā)送’按鈕，將命令‘0’發(fā)送給89S52，表示通知它要寫CM0文件了。③數(shù)據(jù)接收區(qū)會出現(xiàn)‘PLEASECHOOSEACMFILE’，請通過按鈕‘選擇發(fā)送文件’選擇要寫入CM0的二進(jìn)制文件，文件必須是“BIN”格式，長度為64字節(jié)。然后點擊‘發(fā)送文件’按鈕將文件發(fā)往89S52。89S52接收數(shù)據(jù)并對CM0編程，然后它讀出CM0的數(shù)據(jù)和從PC機(jī)接收到數(shù)據(jù)比較，不管正確與否，89S52都向PC機(jī)發(fā)出結(jié)果信息，在串口調(diào)試助手軟件數(shù)據(jù)接收窗口顯示出來。TEC-5實驗系統(tǒng)④等待文件發(fā)送完畢的提示〔注意看軟件的最底下的狀態(tài)行和數(shù)據(jù)接收區(qū)〕，請注意看數(shù)據(jù)接收區(qū)的命令提示，重復(fù)②－③步驟，分別輸入命令‘1’、‘2’、‘3’，同時，應(yīng)分別選擇CM1、CM2、CM3文件，對相應(yīng)的EEPROM編程。CM1、CM2、CM3全部編程完后，按RESET按鈕結(jié)束編程。最后將TEC-5上的編程開關(guān)撥到正常位置。 TEC-5實驗系統(tǒng)注意：對CM0、CM1、CM2、CM3的編程順序無規(guī)定，只要在發(fā)出器件號后緊跟著發(fā)送該器件的編程數(shù)據(jù)〔文件〕即可。例如，可以按CM3、CM2、CM0、CM1的順序編程。編程也可以只對一個或者幾個EEPROM編程，不一定對4個EEPROM全部編程，只要編程結(jié)束后按RESET按鈕結(jié)束編程，最后將TEC-5上的編程開關(guān)撥到正常位置即可。TEC-5實驗系統(tǒng)六.控制臺控制臺由假設(shè)干撥動開關(guān)和指示燈組成，用于設(shè)置控制臺指令、人工控制數(shù)據(jù)通路、設(shè)置數(shù)據(jù)代碼信號和顯示相關(guān)數(shù)據(jù)組成等。1．?dāng)?shù)據(jù)開關(guān)SW7-SW0八位數(shù)據(jù)開關(guān)，通過U49〔74LS244〕接到數(shù)據(jù)通路局部的數(shù)據(jù)總線DBUS上，用于向數(shù)據(jù)通路中的存放器和存儲器置數(shù)。當(dāng)SW_BUS#=0時，SW7－SW0的數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)總線DBUS。開關(guān)撥到上面位置時輸出1，開關(guān)撥到下面位置時輸出0。SW7對應(yīng)DBUS最高位，SW0對應(yīng)DBUS最低位。TEC-5實驗系統(tǒng)2．模擬數(shù)據(jù)通路控制信號開關(guān)K15-K0撥動開關(guān)，撥到上面位置輸出1，撥到下面位置輸出0。實驗中用于模擬數(shù)據(jù)通路局部所需的電平控制信號。例如，將K1與LDDR1相連，那么K1撥到上面位置時，表示LDDR1為1。這些開關(guān)在數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)實驗時也作為電平輸入開關(guān)。3．?dāng)?shù)據(jù)總線指示燈DBUS八個發(fā)光二極管〔高四位為紅，低四位為綠〕，指示DBUS上數(shù)據(jù)。燈亮表示1。TEC-5實驗系統(tǒng)4．指令總線指示燈IBUS八個發(fā)光二極管〔高四位為紅，低四位為綠〕，指示IBUS上數(shù)據(jù)。燈亮表示1。5．地址指示燈AR八個發(fā)光二極管〔高四位為紅，低四位為綠〕，指示雙端口存儲器的左端口地址存放器內(nèi)容。燈亮表示1。TEC-5實驗系統(tǒng)6．程序計數(shù)器指示燈PC八個發(fā)光二極管〔高四位為紅，低四位為綠〕，指示雙端口存儲器右端口地址。燈亮表示1。7．32位微命令指示燈(CM3-CM0)32個紅色發(fā)光二極管，顯示從控制存儲器讀出的微命令的內(nèi)容。TEC-5實驗系統(tǒng)8．其他指示燈C、BUSYL#、BUSYR#C是進(jìn)位標(biāo)志指示燈。BUSYL#、BUSYR#分別是RAM左右端口忙指示燈。9．微動開關(guān)CLR#、QD按一次CLR# 開關(guān)，產(chǎn)生一個負(fù)的單脈沖CLR#，正的單脈沖CLR。CLR#對全機(jī)進(jìn)行復(fù)位。CLR#到時序和控制器的連接已經(jīng)在印制板上實現(xiàn)，控制存儲器和數(shù)據(jù)通路局部不使用CLR#。按一次QD按鈕，產(chǎn)生一個正的啟動脈沖QD和負(fù)的單脈沖QD#。QD使機(jī)器運(yùn)行。QD到時序電路的連接已在印制板上實現(xiàn)。TEC-5實驗系統(tǒng)10．單拍、單步開關(guān)DP、DBDP〔單拍〕、DB〔單步〕是兩種特殊的非連續(xù)工作方式。當(dāng)DP＝1時，計算機(jī)處于單拍工作方式，按一次QD按鈕，只發(fā)送一組時序信號T1-T4，執(zhí)行一條微指令。DB方式只對硬連線控制器適用，當(dāng)DB＝1時，按一次QD按鈕，發(fā)送一組W1-W3，執(zhí)行一條機(jī)器指令。注意：這兩個開關(guān)任何時刻只能有一個置1。當(dāng)DP=0且DB=0時，TEC-5處于連續(xù)工作方式，按QD按鈕，TEC-5連續(xù)執(zhí)行雙端口RAM中存儲的程序。TEC-5實驗系統(tǒng)11．控制臺操作開關(guān)SWC、SWB、SWA 三個專用開關(guān)SWC、SWB、SWA定義了TEC-5實驗系統(tǒng)的五個控制臺指令的功能。控制臺操作開關(guān)SWC、SWB、SWA主要用于CPU組成與機(jī)器指令執(zhí)行實驗。開關(guān)主要實現(xiàn)五個控制臺指令的定義如下：TEC-5實驗系統(tǒng)表1.3控制臺工作方式SWCSWBSWA操作000啟動程序〔PR〕001寫存儲器〔WRM〕010讀存儲器〔RRM〕011寫存放器〔WRF〕100讀存放器〔RRF〕TEC-5實驗系統(tǒng)在按復(fù)位按鈕CLR#后，TEC-5復(fù)位，根據(jù)SWC、SWB、SWA狀態(tài)來選擇工作方式。在控制臺工作方式，必須使DP=0，DB=0。啟動程序〔PR〕：按下復(fù)位按鈕CLR#后，微地址存放器清零。這時，置SWC＝0、SWB＝0、SWA＝0，用數(shù)據(jù)開關(guān)SW7－SW0設(shè)置RAM中的程序首地址，按QD按鈕后，啟動程序執(zhí)行。TEC-5實驗系統(tǒng)寫存儲器〔WRM〕：按下復(fù)位按鈕CLR#，置SWC＝0、SWB＝0、SWA＝1。①在SW7－SW0中置好存儲器地址，按QD按鈕將此地址打入AR。②在SW7－SW0置好數(shù)據(jù)，按QD，將數(shù)據(jù)寫入AR指定的存儲器單元，這時AR加1。③返回②。依次進(jìn)行下去，直到按復(fù)位鍵CLR#為止。這樣就實現(xiàn)了對RAM的連續(xù)手動寫入。這個控制臺操作的主要作用是向RAM中寫入自己編寫的程序和數(shù)據(jù)。TEC-5實驗系統(tǒng)讀存儲器〔RRM〕：按下復(fù)位按鈕CLR#，置SWC＝0、SWB＝1、SWA＝0。①在SW7－SW0中置好存儲器地址，按QD按鈕將此地址打入AR，RAM此地址單元的內(nèi)容讀至DBUS顯示。②按QD按鈕，這時AR加1，RAM新地址單元的內(nèi)容讀至DBUS顯示。③返回②。依次進(jìn)行下去，直到按復(fù)位鍵CLR#為止。這樣就實現(xiàn)了對RAM的連續(xù)讀出顯示。這個控制臺操作的主要作用是檢查寫入RAM的程序和數(shù)據(jù)是否正確。在程序執(zhí)行后檢查程序執(zhí)行的結(jié)果〔在存儲器中的局部〕是否正確。TEC-5實驗系統(tǒng)存放器寫操作〔WRF〕：按下復(fù)位按鈕CLR#，置SWC＝0、SWB＝1、SWA＝1。①首先在SW7—SW0置好存儲器地址，按QD按鈕，那么將此地址打入AR存放器和PC存放器。②在SW1、SW0置好存放器選擇信號WR1、WR0，按QD按鈕，通過雙端口存儲器的右端口將WR1、WR0〔即SW1、SW0〕送到指令存放器IR的低2位。③在SW7－SW0中置好要寫入存放器的數(shù)據(jù)；按QD按鈕，將數(shù)據(jù)寫入由WR1、WR0指定的存放器。④返回②繼續(xù)執(zhí)行，直到按復(fù)位按鈕CLR#。這個控制臺操作主要在程序運(yùn)行前，向相關(guān)的通用存放器中置入初始數(shù)據(jù)。TEC-5實驗系統(tǒng)存放器讀操作〔RRF〕：按下復(fù)位按鈕CLR#，置SWC＝1、SWB＝0、SWA＝0。①首先在SW7—SW0置好存儲器地址，按QD按鈕，那么將此地址打入AR存放器和PC存放器。②在SW3、SW2置好存放器選擇信號RS1、RS0，按QD按鈕，通過雙端口存儲器的右端口將RS1、RS0〔即SW3、SW2〕送到指令存放器IR的第3、2位。RS1、RS0選中的存放器的數(shù)據(jù)讀出到DBUS上顯示出來。③返回②繼續(xù)下去，直到按復(fù)位鍵CLR#為止。這個控制臺操作的主要作用是在程序執(zhí)行前檢查寫入存放器堆中的數(shù)據(jù)是否正確，在程序執(zhí)行后檢查程序執(zhí)行的結(jié)果〔在存放器堆中的局部〕是否正確。TEC-5實驗系統(tǒng)七、硬連線控制器ispLSI1032ispLSI1032是Lattice公司的1個在系統(tǒng)可編程器件，包含有6000個門，適用于設(shè)計大規(guī)模的數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)電路。在計算機(jī)模型實驗中，它用作設(shè)計并實現(xiàn)硬連線控制器，代替出廠時提供的微程序控制器。它有1個下載插座，下載時下載電纜的一端插在下載插座上，另一端插在PC機(jī)并行口上，下載電纜將PC機(jī)和ispLSI1032連在一起。在PC機(jī)上運(yùn)行ispEXPERT工具軟件，輸入控制器的設(shè)計方案，進(jìn)行編譯、連接和適配，然后下載到ispLSI1032中去，就構(gòu)成了1個硬連線控制器。硬連線控制器和數(shù)據(jù)通路局部采用可插、拔的導(dǎo)線連接。TEC-5實驗系統(tǒng)十、數(shù)字邏輯和數(shù)字系統(tǒng)試驗區(qū)這局部為用戶提供了通用的數(shù)字邏輯和數(shù)字系統(tǒng)實驗平臺。它主要包括以下局部：實驗臺左半部的11個雙列直插插座，ISP1032在系統(tǒng)編程芯片及下載插座，6個數(shù)碼管及其驅(qū)動電路，12個數(shù)據(jù)指示燈，小喇叭及其驅(qū)動電路，12個撥動開關(guān)，2個單脈沖按鈕。TEC-5實驗系統(tǒng)1.11個雙列直插插座這一局部在實驗臺的左上部，實驗時用于插中、小規(guī)模數(shù)字邏輯器件。注意：插座的電源和地都沒有連接。TEC-5實驗系統(tǒng)2.ispLSI1032它位于實驗臺的左下部，用于設(shè)計并實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字邏輯或數(shù)字系統(tǒng)電路。它有1個下載插座，下載時下載電纜的一端插在下載插座上，另一端插在PC機(jī)并行口上，下載電纜將PC機(jī)和ispLSI1032連在一起。在PC機(jī)上運(yùn)行ispEXPERT工具軟件，輸入數(shù)字邏輯或數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方案，進(jìn)行編譯、連接和適配，然后下載到ispLSI1032中去，就構(gòu)成了1個新的能實現(xiàn)設(shè)計功能的器件。數(shù)字邏輯和數(shù)字系統(tǒng)中的綜合實驗，就是用ispLSI1032實現(xiàn)的。TEC-5實驗系統(tǒng)3.六個數(shù)碼管及其驅(qū)動電路。為了能做較復(fù)雜的實驗，比方電子時鐘和數(shù)字頻率計等實驗，實驗臺上安裝了6個共陽極數(shù)碼管。六個數(shù)碼管位于實驗臺的上部中間。右邊5個數(shù)碼管各由一片BCD七段譯碼器/驅(qū)動器74LS47驅(qū)動。只需在各數(shù)碼管的4個輸入插孔〔D為最高位，A為最低位〕接入BCD碼，數(shù)碼管就顯示出相應(yīng)數(shù)字。當(dāng)測試端Test接低電平時，這5個數(shù)碼管都將顯示“8”，小數(shù)點也同時點亮。最左邊的一個數(shù)碼管由1片74LS240驅(qū)動，可按段進(jìn)行控制。它的控制端為a、b、c、d、e、f、g、h。當(dāng)控制端接高電平時，那么相應(yīng)的發(fā)光二極管段點亮；當(dāng)控制端接低電平時，相應(yīng)的發(fā)光二極管熄滅。TEC-5實驗系統(tǒng)4．小喇叭及驅(qū)動電路這局部由可控振蕩電路，喇叭及其驅(qū)動電路組成。電路如圖1.4所示。

圖1.4小喇叭及驅(qū)動電路TEC-5實驗系統(tǒng)當(dāng)DZ1用短路片短路時，它是一個可控聲源，可做報警或者報時使用。如果“控制”插孔接高電平，那么振蕩電路輸出頻率為2KHz左右的方波，驅(qū)動喇叭鳴叫。當(dāng)控制插孔接為低電平時，振蕩電路輸出低電平，喇叭不鳴叫。當(dāng)短路子DZ1開路時，可從“輸入”插孔向喇叭的驅(qū)動三極管基極送控制信號。直接控制喇叭按希望的頻率變化發(fā)聲，做音樂實驗用。TEC-5實驗系統(tǒng)5．單脈沖按鈕計算機(jī)組成原理實驗中使用的啟動按鈕QD和復(fù)位按鈕CLR#，在數(shù)字邏輯和數(shù)字系統(tǒng)實驗中作為單脈沖按鈕使用。每個按鈕按下后都能輸出1個正脈沖和1個負(fù)脈沖。不過由于在計算機(jī)組成原理中，QD按鈕使用的是正脈沖，CLR#按鈕使用的是負(fù)脈沖，因此在數(shù)字邏輯和數(shù)字系統(tǒng)實驗中，最好使用QD按鈕產(chǎn)生的負(fù)脈沖和CLR#按鈕產(chǎn)生的正脈沖。TEC-5實驗系統(tǒng)6．電平開關(guān)K0-K15在計算機(jī)組成原理實驗中使用的模擬數(shù)據(jù)通路控制信號開關(guān)K15-K0,在數(shù)字邏輯和數(shù)字系統(tǒng)實驗中作為普通的電平開關(guān)使用。TEC-5實驗系統(tǒng)7．12個發(fā)光二極管12個發(fā)光二極管位于TEC-5的下部中間位置，用于指示信號的上下電平，信號輸入孔L0—L11接入高電平時，相應(yīng)的二極管點亮，信號輸入孔L0—L11接入低電平時，相應(yīng)的二極管熄滅。TEC-5實驗系統(tǒng)實驗一運(yùn)算器組成實驗見實驗指導(dǎo)書TEC-5實驗系統(tǒng)習(xí)題一、單項選擇〔20分〕二、填空題〔24分〕三、簡答題〔24分〕四、計算題〔12分〕五、設(shè)計題〔10分〕六、設(shè)計題〔10分〕知識點1.馮·諾依曼思想〔1〕系統(tǒng)組成〔2〕性能提高〔3〕結(jié)構(gòu)、組成、實現(xiàn)〔4〕編碼〔漢字、字符〕馮·諾依曼計算機(jī)中指令和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制形式存放在存儲器中，CPU區(qū)分它們的依據(jù)是〔

〕A．指令操作碼的譯碼結(jié)果

B.指令和數(shù)據(jù)的尋址方式

C.指令周期的不同階段

D.指令和數(shù)據(jù)所在的存儲單元2.機(jī)器數(shù)表示〔1〕轉(zhuǎn)換、數(shù)范圍、0的表示〔2〕定點數(shù)表示方法及運(yùn)算〔3〕浮點數(shù)表示方法及計算3、運(yùn)算器在定點二進(jìn)制運(yùn)算器中，減法運(yùn)算一般通過〔

〕來實現(xiàn)。

A

原碼運(yùn)算的二進(jìn)制減法器

B

補(bǔ)碼運(yùn)算的二進(jìn)制減法器

C

原碼運(yùn)算的十進(jìn)制加法器

D

補(bǔ)碼運(yùn)算的二進(jìn)制加法器4、存儲器〔1〕分類〔2〕存儲層次〔3〕映像規(guī)那么〔4〕替換算法〔5〕性能指標(biāo)〔存取時間、存儲周期、帶寬〕〔6〕存儲系統(tǒng)配置〔芯片連接、總線〕〔7〕堆棧操作主存貯器和CPU之間增加cache的目的是〔

〕。A

解決CPU和主存之間的速度匹配問題B

擴(kuò)大主存貯器容量C

擴(kuò)大CPU中通用存放器的數(shù)量5、指令系統(tǒng)〔1〕尋址方式A

堆棧尋址方式

B

立即尋址方式C

隱含尋址方式

D

間接尋址方式E存放器尋址F存放器間接尋址〔2〕RISC、CISC特點〔3〕指令尋址〔4〕指令系統(tǒng)分析、設(shè)計〔格式〕〔5〕指令系統(tǒng)〔完整〕6、流水線技術(shù)〔1〕瓶頸段消除〔2〕計算〔3〕相關(guān)與沖突7、Amdahl定律、程序局部性原理〔1〕分析〔2〕計算8、總線仲裁方法9、磁盤訪問〔地址〕10、CPU與外圍設(shè)備進(jìn)行信息交換的方式以及外圍設(shè)備編制方式。11、數(shù)據(jù)通信方式串行通信：格式、速度13、指令執(zhí)行流程、微控制器設(shè)計〔微程序控制器〕〔數(shù)據(jù)通路、指令功能、指令流程、微操作信號〕微程序控制器：目標(biāo)程序執(zhí)行過程1.數(shù)的機(jī)器碼表示(把符號位和數(shù)值位一起編碼,一道參加運(yùn)算)原碼、反碼：〔有正零、負(fù)零〕補(bǔ)嗎、移碼：〔無有正零、負(fù)零〕范圍：〔對補(bǔ)碼“模”〕2、浮點數(shù)表示、運(yùn)算例：P6491、解：階碼取5位，其中階符取2位；尾數(shù)取8位，其中數(shù)符取2位，采用補(bǔ)碼表示那么:[x]浮=11101,00.100101,[y]浮=11110,11.100010(1)對階Ex-Ey=11101–(11110)=11101+00010=11111[x]浮=11110,00.010010(1)(2)求和X+Y00.010010(1)+11.10001011.110100(1)(3)結(jié)果規(guī)格化:尾數(shù):11.010010階碼:11100(11110-10)(4)舍入處理(采用”0”舍“1”入)[x-y]浮=11100,11010010[x-y]=-0.101110x2-1003.主存儲器的技術(shù)指標(biāo)〔存儲容量、存取時間、存儲器帶寬〕某計算機(jī)字長32位，其存儲容量為256MB，假設(shè)按單字編址，它的尋址范圍是〔

〕。

A

0-64MB

B

0-32MB

C

0-32M

D

0-64M4、P1281不適宜，指令最好半字長或單字長，設(shè)置16位比較適宜。5、P1287解：40條指令，操作碼OP至少需6位。還有32–6=26位主存容量64M字，需形成26位有效地址E為支持不同尋址方式，設(shè)置尋址方式字段：四種：2位于是，設(shè)計指令格式如下：X=00直接尋址，有效地址E=D；X=01立即尋址，操作數(shù)=立即數(shù)D；X=10變址尋址，有效地址E=〔RX〕+D；X=11相對尋址，有效地址E=〔PC〕+D；其中，RX為變址存放器〔32位〕〔隱含〕PC為程序計數(shù)器〔32位〕。在相對尋址時D可為正、負(fù)。OPXD1、指令執(zhí)行流程2、數(shù)據(jù)通路3、微程序控制器4、微程序設(shè)計技術(shù)〔1〕直接表示法—水平型〔2〕編碼表示法----垂直型微命令：控制部件向執(zhí)行部件發(fā)出的各種控制命令叫作微命令，它是構(gòu)成控制序列的最小單位。例如：翻開或關(guān)閉某個控制門的電位信號、某個存放器的打入脈沖等。微命令是控制計算機(jī)各部件完成某個根本微操作的命令。微操作：是微命令的操作過程。微命令和微操作是一一對應(yīng)的。微命令是微操作的控制信號，微操作是微命令的操作過程。微操作是執(zhí)行部件中最根本的操作。由于數(shù)據(jù)通路的結(jié)構(gòu)關(guān)系，微操作可分為相容的和互斥的兩種：〔1〕互斥的微操作，是指不能同時或不能在同一個節(jié)拍內(nèi)并行執(zhí)行的微操作?？梢跃幋a〔2〕相容的微操作，是指能夠同時或在同一個節(jié)拍內(nèi)并行執(zhí)行的微操作。必須各占一位3、微指令：把在同一CPU周期內(nèi)并行執(zhí)行的微操作控制信息，存儲在控制存儲器里，稱為一條微指令〔Microinstruction〕。它是微命令的組合，微指令存儲在控制器中的控制存儲器中一條微指令通常至少包含兩大局部信息：操作控制字段，又稱微操作碼字段，用以產(chǎn)生某一步操作所需的各個微操作控制信號。某位為1，說明發(fā)微指令(命令)微指令發(fā)出的控制信號都是節(jié)拍電位信號，持續(xù)時間為一個CPU周期微命令信號還要引入時間控制順序控制字段，又稱微地址碼字段，用以控制產(chǎn)生下一條要執(zhí)行的微指令地址。4、微程序一系列微指令的有序集合就是微程序。一段微程序?qū)?yīng)一條機(jī)器指令。微地址

：存放微指令的控制存儲器的單元地址一個十進(jìn)制加法指令實例。微指令根本格式

微指令格式分為兩類：水平型微指令和垂直型微指令〔1〕水平型微指令

水平型微指令是指一次能定義并能并行執(zhí)行多個微命令的微指令。格式如下控制字段判別測試字段下地址字段分類:1)全水平型微指令:不譯碼微指令,一位對應(yīng)一個微命令.2)字段譯碼法水平微指令:N字段可定義N個并行操作微命令.3)直接和譯碼混合的水平微指令.水平型微指令特點：優(yōu)點：微指令字較長，速度越快。微指令中的微操作有高度的并行性。微指令譯碼簡單。控制存儲器的縱向容量小，靈活性強(qiáng)。缺點：微指令字比較長，明顯地增加了控制存儲器的橫向容量。水平微指令與機(jī)器指令差異很大，一般要熟悉機(jī)器結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)通路、時序系統(tǒng)以及指令執(zhí)行過程的人才能進(jìn)行微程序設(shè)計，這對用戶來說是很困難的?！?〕垂直型微指令：采用編碼方式。設(shè)置微操作控制字段時，一次只能執(zhí)行一到二個微命令的微指令稱為垂直型微指令。垂直型微指令的特點：微指令字短，一般為10～20位左右。微指令的并行微操作能力有限，一條微指令一般只包含1-2個微操作命令。