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计算机组成原理实验指导2016 / 2017 学年 第 2 学期专 业 班 级 姓 名 学 号 指导教师 第一章　Dais-CMX16+系统概述1.1　系统特点1. 指令格式Dais-CMX系列的指令格式，采用“变长指令字”结构，不同指令操作码不完全相同，操作码的位数不固定，结构灵活，指令的码点冗余少，能充分利用指令的毎一位可指定256种操作，即最多可以包含256条指令在“达爱思通用汇编器”的支撑下，打造属于自己的个性化指令系统，亦可设计成与十六位、八位微处理器兼容的通用指令系统，为模型计算机的标准化与通用性设计构建了一个可操作平台2. 微控制器Dais-CMX系列运用“PLA”理念，用存储器逻辑与组合逻辑相结合的方法构造微控制器，根据程序需要自动变更当前控制逻辑，对于使用频率高的简单指令以及很有用又不复杂的指令选择组合逻辑，遇复杂的、不规整需扩充的指令选择存储器逻辑，从而实现动态的微控制体系结构3. 后续微址Dais-CMX系列微程序控制器中隐含后续微地址（BAF），采用断定法，由转移控制段BCF（2位）规定后续微地址形成方式，支持顺序执行（uPC+1），进位位转移，零标志转移，无条件转移，在取指周期以操作码形成后续微地址。

4. 总线结构Dais-CMX系列采用三总线结构，分别是数据总线（dbus）、指令总线（Ibus）和微总线（udbs），这种三者分离并行的总线结构，遇取指周期可以并行完成操作数的存取，在当前指令结束后的首个微周期可直接进入下一条指令的取指操作，通过微总线形成电路解释与执行的后续微址，因此指令总线与微总线的主要仼务是预取指与后续微址的预处理5. 时序层次Dais-CMX系列拥有一个周期、节拍、脉冲组成的三级时序系统以取指周期为始设了四个状态触发器，在组合逻辑控制中，那个触发器为1，控制器就进进入那个机器周期的微操作系统按序定拍，随机器周期动态变更节拍发生器，在非取指周期产生T1→T3→T4三拍制节拍发生器，在取指周期产生T1→T2→T3→T4四拍制发生器1.2　硬件环境1. 实时监视器各部件单元都以计算机结构模型布局，清晰明了，各寄存器、部件均有四个七段数码管显示其十六进制内容，清楚明了两个数据流方向指示灯，以直观反映当前数据值及该数据从何处输出，而又是被何单元接收的使得系统在实验时即使不借助PC机，也可实时观察数据流状态，判断其正确性，提供一目了然的实验环境2. 开放式设计系统支持三种实验电路构造方式，即实验单元电路的硬布线连接方式、单元电路的控位连接方式和实验电路“软连线”方式。

对于实验单元电路的硬布线连接方式，可采用双头实验导线从零开始在扩展区域逐一搭起一个实验电路；对于各单元电路的控位连接，只需使用双头实验导线在单元电路控位与控制信号之间对应连接，就可构造出实验所需的部件控制电路；亦可使用可编程逻辑器件设计下载实验电路，实现实验电路的“软接线”系统的数据总线、地址总线、控制总线均通过插孔引出，并设计了40芯锁紧插座，供用户外设扩展（I/O外围设备、I/O接口器件及外部程序与数据存储器）3. 万用汇编器用户可以自定义指令／微指令系统，用户既可按通用计算机来定义，亦可根据自己的喜好以及实验的需要来定义完全属于自己的个性化指令系统，达爱思万用汇编器可对用户定义的汇编助记符进行汇编，自动生成机器指令代码／微代码4. 单级中断源在计算机的构造中，对于外部突发事件的处理通常采用中断的方式，迫使处理器暂停当前操作无条件转向中断服务程序通用计算机的中断源由外部事件中断和软件定时／计数中断两种，前者适用于处理外部突发事件，而后者主要用于定时检测、定时控制、定时监督（即看门狗）利用中断服务子程序来提高计算机的应变能力因此“中断源”是计算机组成原理中不可缺少的一个重要部件5. 两种控制方式（1）系统提供手动控制与微控制两种控制方式，所谓手动控制就是用二进制拨动开关模拟微控制信号，以手动方式设置相互关联的逻辑控制电位，建立“源与目”的有效状态，实现和完成实验制定的控制仼务（2）本系统微控制器由组合逻辑与存储逻辑集合组成，两者按独立控制器的规范与标准设计，既可单独控制，亦可交替互补（混合）控制，在国内率先把PLA控制理念融入微控制器的设计与实现中。

6. 两种实验方式（1）搭接：所谓“搭接”就是在部件控位与控制器控位之间通过连接的方法形成控制电路为此在“搭接”方式，首先考虑控制电路的连接，然后才能进行实验2）：所谓“”就是以零连线为前提，为此在进入“”方式前必须卸取所有实验连接导线，然后再进入方式的实验7. 两种操作环境（1）系统设有16个数字键，8个功能键，2×16LCD液晶显示窗，向用户提供了一个按键式操作环境2）系统设有USB与RS232接口，连接PC，通过Window调试环境及图形方式进行更为直观的实验8. 适当的集成度运算器、组合逻辑控制器利用大规模可编程逻辑器件实现，其它部件则采用通过逻辑器件来实现既可让一般学生利用现有的逻辑知识去认识计算机原理，也可让有天赋的学生进行更高层次的开发运用实践1.3　软件环境Dais-CMX软件支持Windows98/2000/XP/Vista，集成编辑器、汇编器、调试器，具有模拟调试，可模拟实验系统的基本功能1. 多媒体教学Dais-CMX十六位体系结构计算机组成原理所配备的集成开发环境支持编辑、编译，向系统装载实验程序，提供了单拍、单步、宏单步（含断点）、运行等调试手段还示意实验各部件的结构图、时序图、电路原理图。

结构图中实时反映程序执行过程中的数据流向及相关的部件；原理图中再现了各部件的详细的组成原理；时序图中则实时反映当前的逻辑关系所有这些均可通过投影仪把当前的信息、状态和对应关系进行多媒体教学实践2. 逻辑分析由于在实际工作中需要更多的利用逻辑分析工具进行时序分析因此达爱思CMX十六位体系结构计算机组成原理教学实验装置具备高性能逻辑分析功能，可通过电化教学设备展示指令与时序的关系，可在实验时直观地观测到指令与时序的关系，可有效的提高教学效果3. 模型机结构图该窗口中完全模拟了模型机结构框图，能实时反应程序执行过程中各单元状态变化，总线的数据流向点击各模块即可修改部件数据4. 微程序及跟踪器跟踪器窗口跟踪程序的执行过程，包括：微程序注释、微地址、微指令、数据来源、数据去向、总线规则、ALU运算表达式、微变址、EM地址、PC、uPC1.4　系统构成Dais-CMX16+硬件组成见表1-1该十六位原理计算机体系结构与原理组成由实验平台、开关电源、软件三大部分组成实验平台上有16位通用寄存器、16位运算器、16位累加器、16位暂存器、16位地址寄存器、11位程序计数器、16位准双向I/O单元、16位EM主存、16位RAM内存、16位指令寄存器、8位指令译码寄存器、16位堆栈、单级中断源、11位微程序计数器，拥有一个35位字长的微控制器和24位字长的组合逻辑控制器，并设置了一组24位字长的二进制模拟开关，系统提供逻辑笔和24个按键操作环境。

配有字符式LCD、USB通信口、RS232通信口及外设扩展区图1-1　系统体系结构图表1-1 Dais-CMX16+硬件组成部件名称部件主要电路十六位运算器单元由4片574组成AX、BX运算源寄存器，由5256VE构成运算器，其内核有十六位累加器、十六位暂存器，支持算术运算、逻辑运算、移位运算、进位与零标志控制、支持字与字节的运算操作十六位通用寄存器由4片574组成CX（R1 R0）、DX（R3 R2）十六位通用寄存器组，支持字与字节操作十六位准双向I/O口由2片574和2片245缓冲组成准双向输入/输出I/O，内置16位数据开关，16只状态灯，支持字与字节操作十六位堆栈寄存器由2片574组成十六位SP指针，支持字与字节操作十一位程序计数器由3片161组成11位PC指针，寻址范围2K（0~7FFh），按字方式寻址十一位微地址计数器由3片161组成11位uPC指针，寻址范围2K（0~7FFh），只写不可读，按字方式寻址十六位地址寄存器由2片574组成十六位数据指针，寻址范围64K（0~FFFFh），只写不可读，按字方式寻址十六位EM主存由两片6116组成EM主存，字容量2K（寻址范围0~7FFh），支持字与字节操作十六位RAM内存由两片6116组成RAM内存，字容量256个单元十六位指令寄存器由2片574组成十六位指令寄存器IR，只写不可读，按字节方式寻址指令译码器由CPLD组成八位指令译码器，只写不可读，按字节写入中断源由D触发器组成中断允许、中断请求及中断响应标志微程序控制器由两片6264、1片6116组成微程序控制器，微控制位字长24位，分段输出微命令（24位）和下续微址（11位）。

组合逻辑控制器由CPLD器件9572独立构成组合逻辑控制器，微控制位字长24位，内核含有四个机器周期的状态触发器二十四位二进制模拟开关及灯由24只拨动开关及24个发光管组成二进制模拟控制电路，在微控制状态该24位通常用于指示当前微逻辑，在外设扩展实验中亦可定义为外设的I/O口外设扩展区提供IC-40芯通用型锁紧式扩展插座，用于外设扩展逻辑笔内置逻辑笔，提供一路高低电平及脉冲测试中央控制单元由时序发生器、逻辑合成器、中断逻辑、目态管理器、LCD显示窗及USB、RS232等组成电源内置高性能带短路保护、具过流、过压、静电隔离等功能的开关电源，输出电压为DC+5V/5A1.5　系统控制实验装置以STC89C58RD+单片机为核心组成系统的操作与控制平台，内置3×8键盘、2×16LCD显示，RS232串行口及USB接口，配备强大的集成开发软件，拥有前后台两个操作环境在它的管理下形成以下两种工作状态1. 系统待令状态（也称为系统管理状态）在待令态，原理计算机组件实际上就是单片机外设，管理CPU对它们拥有100%的操控权，预置初始化信息，注入机器指令代码和微操作代码，访问指令部件，查寻和修改通用寄存器、I/O、SP指针，收集运算器及外设信息，根据用户诉求定义和存储当前控制模式与连接方式，按操作命令控制模型机的启停。

2. 目标机运行态（也称为实验工作状态）在目标机运行状态，管理CPU实时跟踪模型机运行轨迹，动态捕捉模型机现场信息，受理中断请求，随机变更微控制模式，监视和控制模型机的实时运行遇暂停命令冻结模型机现场，向上位机及LCD显示器传递模型机现场信息，返管理态待令3. 模式字与连接字设置警告实验装置把用户设置的模式字与连接字存储在STC89C58RD+单片机内部FLASH空间，永久性保留用户操作信息，即使“掉电”也不会丢失和失忆上电时管理CPU在初始化操作中总是按原始模式进入系统的待令状态，为实验的衔接与延续提供了方便模式字与连接字的存储是以FLASH扇区擦除为前提的，从延缓FLASH寿命的角度出发，我们提倡根据实验进程正确设定模式字与连接字，不要随意变更当前工作模式，我们的实验指导书中所描述的方式设置，仅用于说明当前适用的实验环境，在实际操作中若遇系统存在环境与实验所需环境不符的情况下，才进入模式字与连接字的设置在使用中同一课时应选择一种方式进行切记在方式设置中要坚持先判断后设置，避免盲目设置，杜绝频繁设置STC89C58RD+内部FLASH擦写可靠次数为100,000次，因此实验中正常的模式设置是系统默认和许可的，一旦出现方式失忆，也可上电随机。