组成原理试验指导书(16位).doc

《计算机组成原理》试验指导书郑州轻工业学院计算机学院1第一章　Dais-CMX16 +系统概述1.1　系统构成Dais-CMX16+硬件组成结构如图 1.1 所示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　系统体系结构图其硬件组成如下表所示2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 4K（0~7FF），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 4K（0~7FF），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（0~0FFFF ），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 4K（寻址范围 0~7FF），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，按字方式寻址指令译码器 由 CPLD 组成八位指令译码器，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 35 位，其中微命令段 24 位，下址段 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/5A1.2　手动实验环境的建立所谓手动控制，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3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手动控制是原理计算机的基础，我们从部件单元电路入手，围饶单元部件、关联部件及微控制器由浅入深地逐一展开，为原理模型机的设计与实现奠定基础本系统手控态提供“”与“搭接”两种实验方式， “”时按微控制器设计规范定义和命名控制信号，实验时必须遵循，不得愈越，否则有误。

在“搭接”态可忽略微控制器组成环节，自行设计和构造原理计算机部件，自由定义和搭接单元部件与关联部件电路1) 初始待令状态上电或按复位，系统无条件进入初始待令状态，LCD 显示器按原设定的摸式显示如下画面：Dais-CMX16+ ’kldKDais-CMX16+ ’mudMDais-CMX16+ ’pldP单元手动模式　　　　　　　　　　微控制器模式　　　　　　　　　　组合逻辑模式第 1 行包含了产品型号和控制字，第 2 行的光标闪动位显示提示符，表示实验系统处于初始待令状态，可以进入系统按键命令所定义的操作2) 工作摸式设置在初始待令状态下，按【减址】键，LCD 显示器显示工作模式选项：按【增址】键，将光标移到“KLD”单元手动模式，按【 减址】键确定后，询问用户是否使用搭接方式的选项：Dais-CMX16+ ’kldlst y/nDais-CMX16+ ’kldlst y/n是，选择搭接方式，须连线 否，选择方式，零连线按【增址】键，将光标移到“y”选择搭接方式、或将光标移到“n”选择方式，接【减址】键确定设置，返回待命状态Dais-CMX16+ ’kldK 设置完毕，返回待命状态41.3　手控实验提示1) 初始化操作一旦进入手控状态，首先应把实验系统左下方“二进制开关单元”的 24 位微控制开关拨至下方（即高电平信号“1” ） ，使 24 位微控制状态指示灯处“暗态”，关闭全部控制信号，完成微控制器的初始化操作。

2) 控制信号的建立⑴有效状态的特征：本系统提供的是“负逻辑”控制电路，通常情况下把低电平“0”定义为有效状态，以点亮绿色发光二极管为标志⑵有效状态的建立：结合实验项目，按实验要求把相关的二进制开关拨向上方，点亮对应的发光二极管⑶有效状态的控制①源操作：为了避免总线的冲突与竞争，保证其唯一性，系统以编码方式定义总线来源，实验时必须按照源编码表的要求选择当前总线源②目的操作：首先应把与控制目的操作部件相对应的二进制开关拨向上方，建立目的寻址的有效状态，其特征是该部件单元周边的黄色指示灯“亮”，然后按动【单拍】按钮向目的部件提供写脉冲，把数据打入黄色指示灯处“亮”旁边的部件中③源与目的编码总线源编码 目的编码M10 M9 M8 M19 M18 M17X2 X1 X0 功能 O2 O1 O0 功能1 1 1 禁止 1 1 1 禁止1 1 0 ALU 1 1 0 MAR1 0 1 SP 1 0 1 BX1 0 0 IOR 1 0 0 AX0 1 1 MRD 0 1 1 SP0 1 0 XRD 0 1 0 IOW0 0 1 RRD 0 0 1 XWR0 0 0 PC 0 0 0 RWR3）设计与连接环节提示(1) 实验方式设置规定由于“”方式下，控制器与部件之间已建立了“ 主从式” 控制关系，也就是说控制器已进入载体工作状态，此时若出现对控制器已定义部件的“实验搭接”，从控制角度称谓“重叠定义”，造成总线混乱；从电路的层面讲称谓超负荷加载，危及器件安全。

因此“”方式下对于控制器已定义部件的“实验电路连接”是不允许的，属非法操作在实验方式选择与相互转换中，切记：①由“搭接”方式转向“”方式时，首先卸去所有的实验连接，然后才能进入方5式的设置操作②在进入“实验电路连接”操作之前，必须判断当前的实验环境是否处“搭接”状态，若否首先设置搭接实验方式，然后才能进入“实验电路的搭接”2) 实验连接环节的注意事项实验连接环节的失误轻者影响实验结果导致实验失败，重者危及设备受损延误实验进程，为了确保实验设备的安全，对于实验过程中的连接更改及实验完成后的连接卸除均以掉电环境下进行为宜第二章　手动实验2.1　运算器实验一、实验目的1. 掌握十六位机字与字节运算的数据传输格式2. 验证运算功能发生器的组合功能二、实验要求完成算术、逻辑、移位运算实验，熟悉 ALU 运算控制位的运用三、实验原理实验中所用的运算器数据通路如图 2-1 所示ALU 运算器由 CPLD 描述运算器的输出经过 2 片 74LS245 三态门与数据总线相连， 2 个运算寄存器 AX、BX 的数据输入端分别由 4个 74LS574 锁存器锁存，锁存器的输入端与数据总线相连，准双向 I/O 输入输出端口用来给出参与运算的数据，经 2 片 74LS245 三态门与数据总线相连。

6图 2-1　运算器数据通路四、运算器功能编码算术运算 逻辑运算M15 M13 M12 M11 M15 M13 M12 M11M S2 S1 S0 功能 M S2 S1 S0 功能0 0 0 0 A 加 B 加 CY 1 0 0 0 B0 0 0 1 A 减 B 减 CY 1 0 0 1 /A0 0 1 0 RLC 1 0 1 0 A 减 10 0 1 1 RRC 1 0 1 1 A=00 1 0 0 A 加 B 1 1 0 0 A+B0 1 0 1 A 减 B 1 1 0 1 A·B0 1 1 0 RL 1 1 1 0 A 加 10 1 1 1 RR 1 1 1 1 A五、实验内容把系统工作状态设置为“手动／”模式，K23~K0 置“1” ，灭 M23~M0 指示灯71. 算术逻辑运算实验(1) 字写操作（置数操作）拨动“I/O 输入输出单元”开关向寄存器 AX 和 BX 置数，具体操作步骤如下：置数I/O=1122h数据来源I/O 单元寄存器 AX(1122h)X2 X1 X0=100W XP OP=000o2 o1 o0=100按【单拍】按钮置数I/O=3344h寄存器 BX(3344h)o2 o1 o0=101按【单拍】按钮(2) 字算术运算（不带进位加）算术加：运算控制位设为算术加（M S2 S1 S0=0100） ，数据总线单元应显示 AX 加 BX 的累加和。

算术减：运算控制位设为算术加（M S2 S1 S0=0101） ，数据总线单元应显示 AX 加 BX 的累加和3) 字逻辑运算逻辑与：运算控制位设为逻辑与（M S2 S1 S0=1101） ，此时数据总线单元应显示 AX 逻辑与 BX 的结果逻辑或：运算控制位设为逻辑或（M S2 S1 S0=1100） ，此时数据总线单元应显示 AX 逻辑或 BX 的结果思考：如何将 AX 和 BX 寄存器的内容读出？2. 移位运算实验运算器的寄存器 AX 通常含有移位的功能，为了规范运算器的设计， Dais-CMX16+在移位运算时把寄存器 AX 视为移位的源寄存器，也就是说移位是通过寄存器 AX 实现的1) 移位执行过程① 循环左移（RL）② 循环右移(RR)③ 带进位循环左移(RLC)CY④ 带进位循环右移(RRC)CY所谓循环移位，就是指移位时数据的首尾相连进行移位，即最高（最低）位的移出位又移入数据的最低（最高）位根据循环移位时进位位是否一起参加循环，可将循环移位分为不带8进位循环和带进位循环两类其中不带进位循环是指进位“CY”的内容不与数据部分一起循环移位，也称小循环带进位循环是指进位 “CY”中的内容与数据部分一起循环移位，也称大循环。

◆不带进位循环左移：各位按位左移，最高位移入最低位◆不带进位循环右移：各位按位右移，最低位移入最高位◆带进位循环左移：各位按位左移，最高位移入 C 中，C 中内容移入最低位◆带进位循环右：各位按位右移，最低位移入 C 中，C 中内容移入最高位循环移位一般用于实现循环式控制、高低字节的互换，还可以用于实现多倍字长数据的算术移位或逻辑移位2) 移位控制编码参见运算器功能编码表(3) AX 寄存器置数拨动“I/O 输入输出单元”开关向运算寄存器 AX 置数，具体操作步骤如下：置数I/O=0080h数据来源I/O 单元寄存器 AX(0080h)X2 X1 X0=100W XP OP=000o2 o1 o0=100按【 单拍】按钮数据来源关闭X2 X1。