cpth计算机主策组成原理.pdf

第一章 系统概述1.1 DJ-CPTH 简介DJ-CPTH型计算机组成原理实验系统 以下简称系统，是由江苏启东市东疆计算机有限公司结合国内同类产品的优点，最新研制开发的超强型实验计算机装置（以下简称模型机该系统采用单片机管理和EDA控制技术，自带键盘和液晶显示器，支持脱机和联P C 机两种工作模式，运用系统监控和数码管等实时监视，全面动态管理模型机的运行和内部资源模型机软硬件配置完整，支持8 位字长的多种寻址方式，指令丰富，系统支持RS-232c串行通讯，并配有以win98/2000/XP为操作平台的动态跟踪集成调试软件，示教效果极佳，特别适用于计算机组成原理课程的教学与实验1.2 DJ-CPTH 特点1、采用总线结构总线结构的计算机具有结构清晰，扩展方便等优点DJ-CPTH实验系统使用三组总线即地址总线ABUS、数据总线DBUS、指令总线IBUS和控制信号，CPU、主存、外设和管理单片机等部件之间通过外部数据总线传输，C P U 内部则通过内部数据总线传输信息各部件之间，通过三态缓冲器作接口连接，这样一方面增强总线驱动能力，另一方面在模型机停机时，三态门输出浮空，能保证不管模型机的C PU 工作是否正常，管理单片机总能读/写主存或控存。

2、计算机功能模块化设计DJ-CPTH为实验者提供运算器模块A LU,众多寄存器模块（A,W,IA,ST,MAR,ROR3等），程序计数器模块P C,指令部件模块IR,主存模块E M,微程序控制模块（控存u M,微地址计数器模块U P C,组合逻辑控制模块及I/O 等控制模块各模块间的电源线、地线、地址总线和数据总线等已分别连通，模块内各芯片间数据通路也已连好，各模块的控制信号及必要的输出信号已被引出到主板插孔，供实验者按自己的设计进行连接3、智能化控制系统在单片机监控下，管理模型机运行和读写，当模型机停机时，实验者可通过系统键盘，读写主存或控存指定单元的内容，使模型机实现开发模型机运行时，系统提供单步一条微指令（微单步）、单步一条机器指令（程单步），连续运行程序及无限止暂停等调试手段，能动态跟踪数据，流向、捕捉各种控制信息，实时反映模型机现场，使实验者及时了解程序和微程序设计的正确性，便以修改4、提供两种实验模式手动运行Hand”：通过拨动开关和发光二极管二进制电平显示，支持最底层的手动操作方式的输入/输出和机器调试自动运行：通过系统键盘及液晶显示器或PC机，直接接输入或编译装载用户程序机器码程序和微程序，实现微程序控制运行，运用多种调试手段运行用户程序，使实验者对计算机组成原理一目了然。

5、开放性设计运算器采用了 EDA技术设计，随机出厂时，已提供一套已装载的方案，能进行加、减、与、或、带进位加、带进位减、取反、直通八种运算方式，若用户不满意该套方案，可自行重新设计并通过JTAG 口下载逻辑控制器由CPLD实现，也可进行重新设计并通过JTAG 口下载用户还可以设计自己的指令/微指令系统系统中已带三套指令/微程序系统，用户可参照来设计新的指令/微程序系统系统的数据线、地址线、控制线均在总线接口区引出，并设计了 4 0 芯锁进插座，供用户进行RAM、8251、8255、8253、8259等接口器件的扩展实验6,支持中断实验采用最底层的器件设计，让学生可以从微程序层面上学习中断请求、中断响应、中断处理、中断入口地址的产生、中断服务程序及中断返回（RETI）整个过程7、支持两种控制器实验系统提供两种控制器方式，即微程序控制器和组合逻辑控制器在微程序控制器中，系统能提供编程，实时修改程序，显示程序并进行调试的操作环境组合逻辑控制器,已下载有一套完整的实验方案，用户也可使用CPLD工具在PC机上进行自动化设计8、支持子程序调用、返回、指令流水线和RISC精简指令系统实验9、配备以Win98/20 0 0/XP为操作平台的集成调试软件包系统支持RS-232C串行通讯，借助PC 资源形成了强大的文档与图形的动态管理系统，自带编译器，支持汇编语言的编辑、编译、调试，一次点击即可完成程序和与其对应微程序的链接装载并自动弹出调试窗口，在主界面中开辟了程序和与其对应微程序的调试、模型机结构示意图（点击各模块即可修改双向模块参数）、微程序等跟踪显示窗口，供用户选择，可动态显示数据流向、实时捕捉数据、地址、控制总线的各种信息，使调试过程极为生动形象。

1.3实验系统组成CPTH计算机组成原理实验系统由实验平台、开关电源、软件三大部分组成实验平台上有寄存器组R0-R3、运算单元、累加器A、暂存器W、直通/左移/右移单元、地址寄存器、程序计数器、堆栈、中断源、输入/输出单元、存储器单元、微地址寄存器、指令寄存器、微程序控制器、组合逻辑控制器、扩展单元、总线接口区、微动开关/指示灯、逻辑笔、脉冲源、管理单片机、24个按键、字符式LCD、RS232第二章模型机模块实验对于硬件的描述可以有多种方法：如原理图，真值表，高级语言(本手册使用A B E L/V H D L),时序图等，在本手册中可以使用以上的四种方式来综合描述硬件2.1寄存器实验实验要求：利 用C P T H实验仪上的K 1 6.K 2 3开关做为D B U S的数据，其它开关做为控制信号，将数据写入寄存器，这些寄存器包括累加器A,工作寄存器W,数据寄存器组R 0.R 3,地址寄存器M A R,堆栈寄存器S T,输出寄存器O U T实验目的：了解模型机中各种寄存器结构、工作原理及其控制方法实验电路：寄存器的作用是用于保存数据的，因为我们的模型机是8位的，因此在本模型机中大部寄存器是8位的，标志位寄存器(C y,Z)是二位的。

C P T H用7 4 H C 5 7 4来构成寄存器7 4 H C 5 7 4的功能如下:74HC574-、2OC C L KI D I Q2 D 2 Q3 D 3 Q4 D 4 Q5 D 5 Q6 D 6 Q7 D 7 Q8 D 8 Q417 温(516 y Sj(D 4 )-A-D 3_/*714 QJ/勺D 2 18/ci X9p Qi j D O ；1 3 _/1.在C L K的上升沿将输入端的数据打入到8个触发器中2 .当OC=1时触发器的输出被关闭，当O C=0时触发器的输出数据0CCLKQ 7.Q 0注释1XZ Z Z Z Z Z Z Z0 c为1时触发器的输出被关闭00Q 7.Q 0当oc=o时触发器的数据输出01Q 7.Q 0当时钟为高时，触发器保持数据不变XtD 7.D 0在C L K的上升沿将输入端的数据打入到触发器中ocD7:055HX66HR7;0XXX55HQ7：0zzXCLK74HC574工作波形图实 验 1：A,W 寄存器实验 o c74HC574A B474HC32?DBUSO 456789lQ2Q3Qg5Q6Q7QgOCCLK.1D2D3D4D5D6D7D8D寄存器A 原理图OCCLK1D2D3D4DJDQ7D8D寄存器w原理图AENWEN|DBUS7:0 55H 乂 66HA7:0 XX X 55HW7:0 XX 乂 66HCLK|_|_|寄存器A,W 写工作波形图连接线表：连接信号孔接入孔作用状态说明1J1座J3座将 K23-K16 接入 DBUS7:0实验模式：手动2AENK3选通A低电平有效3WENK4选通W低电平有效4CK已连ALU工作脉冲上升沿打入系统清零和手动状态设定：K23-K16开关置零，按 RST 钮，按 TV/ME 键三次，进入Hand.”手动状态。

在后面实验中实验模式为手动的操作方法不再详述.将 55H写入A 寄存器二进制开关K23-K16用于DBUS 7:0 的数据输入，置数据55HK23K22K21K20K19K18K17K1601010101置控制信号为:K4(WEN)K3(AEN)10按住STEP脉冲键，C K 山高变低，这时寄存器A 的黄色选择指示灯亮，表明选择A寄存器放开STEP键，C K 由低变高，产生一个上升沿，数据55H被写入A 寄存器将 66H写入W 寄存器二进制开关K23-K16用于DBUS7:0的数据输入，置数据66HK23K22K21K20K19K18K17K1601100110置控制信号为:K4(WEN)K3(AEN)01按住STEP脉冲键，C K 山高变低，这时寄存器W 的黄色选择指示灯亮，表明选择W寄存器放开STEP键，C K 由低变高，产生一个上升沿，数据66H 被写入W 寄存器注意观察：1 .数据是在放开STEP键后改变的，也就是C K 的上升沿数据被打入2.WEN,AEN为高时，即使CK有上升沿，寄存器的数据也不会改变实验2：RO,RI,R2,R 3寄存器实验寄存器R 原理图DBUS7:0 11H X 2 2 H x 33H X 44HR07)XX X UH刈7叫 XX X 22H叫7叫 XX X 33HR3 网 XXCK|_|_|SB|SA _ I I _IRRDRWR-1 寄存器R写工作波形图连接线表将11H写 入R 0寄存器连接信号孔接入孔作用状态说明1J1座J3座将 K23-K16 接入 DBUS7:O实验模式：手动2RRDKll寄存器组读使能低电平有效3RW RK10寄存器组写使能低电平有效4SBKI寄存器选择B5SAK O寄存器选择A6C K已连寄存器工作脉冲上升沿打入7D7.D0L7.LO观察寄存器数据输出二进制开关K23-K16用 于DBUS7:0的数据输入，置 数 据11HK23K22K21K20K19K18K17K1600010001置控制信号为:Kll(RRD)KIO(RWR)Kl(SB)KO(SA)1000按 住 STEP脉冲键，C K 由高变低，这时寄存器R 0 的黄色选择指示灯亮，表明选择R 0 寄存器。

放 开 STEP键，C K 由低变高，产生一个上升沿，数 据 11H被写入R 0 寄存器将 22H写入R 1寄存器二进制开关K23-K16用于DBUS7:0的数据输入，置数据22HK23K22K21K20K19K18K17K1600100010置控制信号为:Kll(RRD)KIO(RWR)Kl(SB)KO(SA)1001按 住 STEP脉冲键，C K 山高变低，这时寄存器R 1 的黄色选择指示灯亮，表明选择R 1 寄存器放开STEP键，C K 由低变高，产生一个上升沿，数据22H被写入R 1 寄存器将 33H写入R 2寄存器二进制开关K23-K16用于DBUS7:0的数据输入，置数据33HK23K22K21K20K19K18K17K1600110011置控制信号为:Kll(RRD)KIO(RWR)Kl(SB)KO(SA)1010按 住 STEP脉冲键，C K 由高变低，这时寄存器R 2 的黄色选择指示灯亮，表明选择R 2 寄存器放开STEP键，C K 由低变高，产生一个上升沿，数据33H被写入R 2 寄存器将 44H写入R 3寄存器二进制开关K23-K16用于DBUS7:0的数据输入，置数据44HK23K22K21K20K19K18K17K1601000100置控制信号为:Kll(RRD)KIO(RWR)Kl(SB)KO(SA)1011按住STEP脉冲键，C K 山高变低，这时寄存器R 3 的黄色选择指示灯亮，表明选择R 3 寄存器。

放开STEP键，C K 由低变高，产生个上升沿，数据44H被写入R 3 寄存器注意观察：1.数据是在放开STEP键后改变的，也就是CK 的上升沿数据被打入2.Kl(SB),KO(SA)用于选择寄存器Kl(SB)KO(SA)选择00Eli01RI10R211R3D B US 7：O 咨乂 U H xjzy 22HSBR07:011HRI 7:022HR27:033HR37:044HSARRDRWR寄存器R 读工作波形图读RO寄存器置控制信号为:Kll(RRD)KIO(RWR)Kl(SB)KO(SA)0100这时寄存器R 0的红色输出指示灯亮，R 0寄存器的数据送上数据总线此时数据总线指。