tec-8计算机组成实验及习题.ppt

TEC-8计算机硬件综合实验系统介绍,2017.11,TEC-8计算机综合实验系统,一、TEC-8实验系统的特点 它适用于《计算机组成原理》、《计算机组织和结构》和《数字逻辑和数字系统》三门课程的实验教学，是一种多用途仪器该仪器为提高学生的动手能力、提高学生对计算机整体和各组成部分的理解、培养学生的创新精神提供了一个良好的舞台TEC-8实验系统的特点,⑴ 模型计算机采用8位字长、简单而实用，有利于学生掌握模型计算机整机的工作原理通过8位数据开关用手动方式输入二进制测试程序，有利于学生从最底层开始了解计算机工作原理 ⑵ 指令系统采用4位操作码，可容纳16条指令已实现加、减、与、加1、存数、取数、条件转移、无条件转移、输出、中断返回、开中断、关中断和停机等14条指令，指令功能非常典型TEC-8实验系统的特点,⑶ 采用双端口存储器作为主存，实现数据总线和指令总线双总线体制，实现指令流水功能，体现出现代CPU设计思想 ⑷ 控制器采用微程序控制器、硬连线控制器和独立控制3种类型，体现了当代计算机控制器技术的完备性 ⑸ 微程序控制器、硬连线控制器和独立控制之间的转换采用独创的一次全切换方式，切换不用关掉电源，切换简单、安全可靠。

TEC-8实验系统的特点,⑹ 控制存储器中的微代码可用PC计算机下载，省去了E2PROM器件的专用编程器和对器件的插、拔 ⑺ 运算器中ALU采用2片74LS181实现，4个8位寄存器组用1片EPM7064实现，设计新颖 ⑻ 每一条机器指令的时序采用不定长机器周期方式，符合现代计算机设计思想TEC-8实验系统的特点,⑼ 扩展小板的通用区提供了15个双列直插的器件插座，用于《数字逻辑和数字系统》课程的基本实验 ⑽ 1片在系统可编程器件CPLD可用于作为硬连线控制器使用，又可用于《数字逻辑与数字系统》课程的大型设计实验为了安排大型设计实验，提供了用发光二极管代表的按东、西、南、北方向的安排的12个交通灯，6个数码管，1个喇叭和1个VGA接口TEC-8实验系统的特点,⑾ 设计《计算机组织与体系结构》课程实验考虑了与前导课程《数字逻辑与数字系统》实验的衔接由于在《数字逻辑与数字系统》实验中已经进行了大量的接、插线实践，因此在TEC-8上进行《计算机组成与体系结构》课程实验接线较少，让学生把精力集中在实验现象的观察、思考和实验原理的理解上二、TEC-8实验系统的组成,整个TEC-8计算机硬件综合实验系统由下列部分构成：电源、试验台、下载电缆、通讯线。

下面分别对各个组成部分予以介绍： ⑴电源 安装在实验箱的下部，输出+5V，最大电流为3A220V交流电源开关安装在实验箱的右侧220V交流电源插座安装在实验箱的背面实验台上有一个+5V电源指示灯TEC-8实验系统的组成,⑵实验台 实验台安装在实验箱的上部，由一块印制电路板构成TEC-8模型计算机安装在这块印制电路板上学生在实验台上进行实验 ⑶下载电缆 用于将新设计的硬连线控制器或者其他电路下载到CPLD器件中下载前必须将下载电缆的一端和PC机的并行口连接，另一端和实验台上的下载插座连接TEC-8实验系统的组成,⑷通讯线 通讯线分为两种一种是COM转COM的，另外一种是USB转COM的两种通讯线COM转COM的和USB转COM通讯线都是用于在PC机上修改控制存储器中的微代码COM转COM两端，一端直接连PC机器的COM口，另一端连试验台上的的COM口USB通讯线一端接PC机的USB口，另一端接实验台上的COM口两种转换线在配件中二选一原则上标配COM转COM).,TEC-8实验系统,三、模型计算机组成（数据通路） TEC-8的数据通路采用了数据总线和指令总线双总线形式它还使用了大规模在系统编程器件作为寄存器堆，使得设计简单明了，可修改性强。

图1.2是数据通路总体图，下面介绍图中各个主要部件的作用TEC-8实验系统,1、时序发生器 时序发生器产生计算机模型所需的时序和数字逻辑实验所需的时钟时序电路由一个1MHz晶振、2片GAL22V10(U64、U66)、一片74LS390(U65)组成根据本机设计，执行一条微指令需要3个节拍脉冲T1、T2、T3执行一条机器指令需要三个节拍电位W1、W2、W3，因此本机的基本时序如下：,TEC-8实验系统,,,,,TEC-8实验系统,2．运算器ALU 算术逻辑单元由2片74LS181加1片74LS74、1片74LS244、1片74LS245、1片74LS30组成，进行算术逻辑运算74LS181是一个4位的算术逻辑器件，2个74LS181级联构成一个8位的算术逻辑单元在TEC-8模型计算机中，算术逻辑单元ALU对A端口的8位数和B端口的8位数进行加、减、与、或和数据传送5种运算，产生8位数据结果、进位标志C和结果为0标志Z当信号ABUS为1时，将运算的数据结果送数据总线DBUSTEC-8实验系统,3．双端口寄存器组 双端口寄存器组由ALTERA 公司的1片可编程器件EPM7064组成，向ALU提供两个运算操作数A和B，保存运算结果。

EPM7064里面包含4个8位寄存器R0、R1、R2、R3，4选1选择器A，4选1选择器B，2-4译码器在图1.2中，用虚线围起来的部分全部放在一个EPM7064中4个寄存器通过4选1选择器向ALU的A端口提供A操作数，通过4选1选择器B向ALU的B端口提供B操作数，2-4译码器产生信号LR0、LR1、LR2和LR3，选择保存运算数据结果的寄存器TEC-8实验系统,4．数据开关SD7~SD0 8位数据开关SD7~SD0是双位开关，拨到朝上位置时表示“1”，拨到朝下位置时表示“0”用于编制程序并把程序放入存储器，设置寄存器R3~R0的值通过拨动数据开关SD7~SD0得到的程序或者数据通过SWD送往数据总线DBUSSWD是1片74LS244TEC-8实验系统,5．双端口RAM 双端口RAM 由1片IDT7132及少许附加电路组成，存放程序和数据双端口RAM是一种2个端口可同时进行读、写的存储器，2个端口各有独立的存储器地址、数据总线和读、写控制信号在TEC-8中，双端口存储器的左端口是个真正的读、写端口，用于程序的初始装入操作，从存储器中取数到数据总线DBUS，将数据总线DBUS上的数写入存储器；右端口设置成只读方式，从右端口读出的指令INS7~INS0被送往指令寄存器IR。

TEC-8实验系统,6．程序计数器PC、地址寄存器AR和中断地址寄存器IAR 程序计数器PC由2片GAL22V10和1片74LS244组成向双端口RAM的左端口提供存储器地址PC7~PC0，程序计数器PC具有PC复位功能，从数据总线DBUS上装入初始PC功能，PC加1功能，PC和转移偏量相加功能 地址寄存器AR由1片GAL22V10组成，向双端口RAM的左端口提供存储器地址AR7~AR0它具有从数据总线DBUS上装入初始AR功能和AR加1功能 中断地址寄存器IAR是1片74LS374，它保存中断时的程序地址PCTEC-8实验系统,7．指令寄存器IR 指令寄存器是1片74LS273，用于保存从双端口RAM中读出的指令它的输出IR7~IR4送往硬连线控制器、微程序控制器，IR3~IR0送往2选1选择器TEC-8实验系统,8、微程序控制器 微程序控制器产生TEC-8模型计算机所需的各种控制信号它由5片HN58C65、1片74LS174、3片74LS32和3片74LS06组成5片HN58C65组成控制存储器，存放微程序代码；1片74LS174是微地址寄存器3片74LS32和3片74LS08组成微地址转移逻辑。

TEC-8实验系统,9．硬连线控制器 硬连线控制器由1片可编程器件CPLD组成，产生TEC-8模型计算机所需的各种控制信号TEC-8实验系统,10．控制信号切换电路 控制信号切换器由7片74LS244和1个三刀转换开关组成拨动一次转换开关，就能够实现一次控制信号的切换当转换开关拨到朝上位置时，硬连线控制器灯亮，TEC-8模型计算机使用硬连线控制器产生的控制信号；当转换开关拨到中间位置时，TEC-8模型计算机各个部件独立，控制信号需要通过开关来控制；当转换开关拨到朝下位置时，TEC-8模型计算机使用微程序控制器产生的控制信号TEC-8实验系统,11．2选1选择器 2选1选择器由1片74LS244组成，用于在指令中的操作数IR3~IR0和控制信号SEL3~SEL0之间进行选择，产生目的寄存器编码RD1、RD0，产生源寄存器编码RS1、RS0TEC-8实验系统,四、模型计算机指令系统 TEC-8模型计算机是个8位机，字长是8位多数指令是单字指令，少数指令是双字指令指令使用4位操作码，最多容纳16条指令 已实现加法、减法、逻辑与、加1、存数、取数、Z条件转移、C条件转移、无条件转移、输出、中断返回、开中断、关中断和停机14条指令。

指令系统如表12.2所示TEC-5实验系统,,TEC-8实验系统,表1.2中，XX代表随意值Rs代表源寄存器号，Rd代表目的寄存器号在条件转移指令中，@代表当前PC的值，offset是一个4位的有符号数，第3位是符号位，0代表正数，1代表负数注意：@不是当前指令的PC值，是当前指令的PC值加1 指令系统中，指令操作码0000B没有对应的指令，实际上指令操作码0000B对应着一条nop指令，即什么也不做的指令当复位信号为0时，对指令寄存器IR复位，使IR的值为00000000B，对应一条nop指令这样设计的目的是适应指令流水的初始状态要求五、开关、按钮、指示灯,为了在实验过程中观察各种数据，TEC-8实验系统设置了大量的指示灯TEC-8实验系统,实验一 运算器组成实验 实验二 双端口存储器实验 实验三 数据通路实验 实验四 微程序控制器实验 见实验指导书,,操作模式开关： SWC/SWB/SWA 单微指令/连续运行 方式开关 DP(=1,朝上：单微指令),为指令格式,,,,,,,表1.2 控制信号表 控制信号 功能 S3，S2，S1，S0 : 选择运算器的运算类型。

M :选择运算器的运算模式： M＝0，算术运算；M＝1，逻辑运算 Cn# :运算器最低位的 +1信号为0时，运算器最低位有进位 LR/W# :当LR/W#＝1且CEL#＝0时，对双端口存储器左端口进行读操 作；当LR/W#＝0且CEL#＝0时，在T2节拍对左端口进行写操作 CEL#:双端口存储器左端口使能信号为0时允许对左端口读、写 CER#:双端口存储器右端口使能信号为0时将指令送往指令总线IBUS RAM_BUS#:存储器数据送数据总线DBUS信号，为0时将双端口存储器左端 口数据送DBUS ALU_BUS#:ALU输出三态门使能信号，为0时将ALU运算结果送DBUS RS_BUS#:通用寄存器右端口三态门使能信号，为0时将RF的B端口数据送 DBUS控制信号 功能 SW_BUS#:控制台输出三态门使能信号，为0时将控制台开关SW7-SW0数据 送DBUS LDRi:双端口寄存器堆写入信号，为1时将数据总线上的数据在T3的上升 沿写入由WR1、WR0指定的个寄存器 LDDR2:对操作数寄存器DR2进行加载的控制信号，为1时在T2的上升沿将 由RS1、RS0指定的寄存器中的数据打入DR2。

LDDR1:对操作数寄存器DR1进行加载的控制信号，为1时在T2的上升沿将 由RD1、RD0指定的寄存器中的数据打入DR1 LDAR#:对地址寄存器AR进行加载的控制信号为0时在T2的上升沿将数 据总线上的数据打入地址寄存器AR AR+1:对AR进行加1操作的电位控制信号为1时在T2的上升沿使AR的值 加1控制信号 功能 LDPC#:对程序计数器PC进行加载的控制信号为0时在T2的。