孙老师-组成原理实验书
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孙老师-组成原理实验书
计算机组成与结构实验指导书
Experimental Guide for Computer Organization and Architecture
TEC—4计算机组成原理实验系统
TEC—4计算机组成原理实验系统由北京邮电大学计算机学院、清华同方教
学仪器设备公司、深圳拓普威电子技术有限公司联合研制。它是一个8位计算机模型实验系统,可用于大专、本科、硕士研究生计算机组成原理课程、计算机系统结构课程的教学实验,对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、提高学生的计算机系统综合设计能力都会有很大帮助。
一、TEC—4计算机组成原理实验系统特点
1.计算机模型简单、实用,运算器数据通路、控制器、控制台各部分划分
清晰。
2.计算机模型采用了数据总线和指令总线双总线体制,能够实现流水控制。
3.控制器有微程序控制器或者硬布线控制器两种类型,每种类型又有流水
和非流水两种方案。
4.寄存器堆由1片ispLSI1016组成,运算器由1片ispLSI1024组成,设
计新颖。
5.实验台上包括了1片系统编程芯片ispLSI1032,学生可用它实现硬布线
控制器。
6.该系统能做运算器组成、双端口存储器、数据通路、微程序控制器、中
断、CPU组成与机器指令执行、流水微程序控制器、硬布线控制器、流水硬布线控制器等多种实验。
7.电源部分采用模块电源,重量轻,具有抗电源对地短路能力。
8.采用自锁紧累接接线方式,接线可靠。
二、TEC—4计算机组成原理实验系统的组成
TEC—4计算机组成原理实验系统由下述六部分组成:
1.控制台
2.数据通路
3.控制器
4.用户自选器件试验区
5.时序电路
6.电源部分
下面分别对各组成部分予以介绍。
三、电源
电源部分由一个模块电源、一个电源插座、一个电源开关和一个红色指示灯
组成。电源模块通过四个螺栓安装在实验台下面。它输出+5V电压,最大负载电
流3安培,内置自恢复保险功能,具有抗+5V对地短路能力。电源插座用于接交
流220伏市电,插座内装有保险丝。电源开关用于接通或者断开交流220伏市电。
当电源模块输出+5V时,点亮+5V红色指示灯。
四、时序发生器
时序发生器产生计算机模型所需的时序。时序电路由一个1MHz 晶体振荡
器、2片GAL22V10(U6和U7)组成,位于控制存储器的右边。根据本机设计,
执行一条微指令需要4个时钟周期T1、T2 、T3、T4,执行一条指令通常需要
取指、送操作数、运算、写结果四个节拍,因此本机的基本时序如下:
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图1 基本时序图
图中,MF是晶体振荡器产生的1MHz基本时钟,T1、T2、T3、T4是数据
通路和控制器中各寄存器的时钟脉冲,印制板上已将它们和有关的寄存器连接。
T1、T2、T3、T4既供微程序控制器时使用,也供硬布线控制器使用。W1、W2、
W3、W4只供硬布线控制器作指令节拍信号使用。
五、数据通路
数据通路的设计是TEC—4计算机组成原理实验系统最有特色的部分。首先
它采用了数据总线和指令总线双总线形式,使得流水实验能够实现。它还使用了
大规模可编程器件作为运算器和寄存器堆,使得设计简单明了,可修改性强。数
据通路位于实验系统中部。
下图是数据通路总体图,下面介绍图中各主要部件的作用。
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图2 数据通路总体图
1.运算器ALU
运算器ALU由一片ispLSI1024(U47)组成,在选择端S2、S1、S0控制下,
对数据A和B进行加、减、与、直通、乘五种运算,功能如下:
表1 运算器功能表
进位C只在加法运算和减法运算时产生。加运算中,C表示进位;减运算中,
C代表借位。加、减运算产生的进位(借位)在T4的上升沿送入C寄存器保存。
与、乘、直通操作不影响进位C的状态,即进位C保持不变。
当ALU_BUS = 1时,运算结果送往数据总线DBUS。加、减运算产生的进位
(借位)C与控制台的C指示灯相连。
2.DR1和DR2
DR1和DR2是运算操作数寄存器,DR1和ALU的B数据口相连,DR2和ALU
的A数据口相连。DR1 和DR2各由2片74HC298(U23、U24、U21、U22)组成。
U23是DR1 的低4位,U24是DR1的高4位;U21是DR2的低4位,U22是DR2
的高4位。当M1=0且LDDR1=1时,在T3的下降沿,DR1接收来自寄存器堆B端
口的数据;当M1=1且LDDR1=1时,在T3的下降沿,DR1 接收来自数据总线DBUS
的数据。当M2=0且LDDR2=1时,在T3的下降沿,DR2接收来自寄存器堆A端口
的数据;当M2=1且LDDR2=1时,在T3的下降沿,DR2接收来自数据总线DBUS
的数据。
3.多端口通用寄存器堆RF
多端口通用寄存器堆RF由1片ispLSI1016(U32)组成,它的功能和MC14580
类似。寄存器堆中包含4个8位寄存器(R0、R1、R2、R3),有三个控制端口。
其中两个端口控制读操作,一个端口控制写操作,三个端口可同时操作。RD1、
RD0选择从A端口读出的寄存器,RS1、RS0 选择从B端口读出的寄存器,WR1
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