计算机组成原理实验讲义.doc

计算机组成原理实验指导书 适用于计算机科学与技术专业 广东药学院医药信息工程学院 控制与仿真教研室 前 言 计算机体系结构是计算机专业的核心课程之一，属必修的主干专业基础课。本课程主要讲述单机系统各大部件的组成及工作原理；讲述各大部件级成整机的工作机制，建立计算机工作的整机概念。本课程还设置实验和课程设计的环节，通过实践教学，达到以下目标： 1．进一步融会贯通教材内容，更好掌握计算机各功能模块的组成及工作原理，掌握各模块的相互联系，完整地从时间上和空间上建立计算机的整机概念。 2．在实践中培养学生的独立工作能力，严谨的工作态度和科研作风，掌握计算机硬件系统的分析、设计、组装和调试的基本技能。为今后开展科研工作打下基础。 2010年3月 目 录 实验一、TEC-4计算机组成原理实验系统认识实验 实验二、运算器组成实验（1） 实验三、运算器组成实验（2） 实验四、双端口存储器原理实验（1） 实验五、双端口存储器原理实验（2） 实验六、数据通路组成实验（1） 实验七、数据通路组成实验（2） 实验八、常规型微程序控制器组成实验 实验九、CPU组成与机器指令执行实验 实验十、中断原理实验 实验一 TEC-4计算机组成实验系统 TEC-4计算机组成实验系统由清华大学教学仪器厂研制。它是一个典型的计算机模型实验仪器，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。该仪器将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，提高学生对计算机系统的综合设计能力。 TEC-4计算机组成实验系统特点（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、硬联线控制器两种类型，每种类型又有流水和顺序两种方案。 （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片在系统编程芯片ispLSI1032，学生可用它实现硬联线控制器等多种设计。 （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组成与指令执行等六个基本教学实验。 （7）该系统能完成流水微程序控制器、硬联线控制器、流水硬联线控制器等三个大型课程设计实验。 （8）电源部分采用模块电源，重量轻，具有抗电源对地短路能力。 （9）器件外部采用自锁紧累接接线方式，可靠性和接线速度比面包板提高5倍和8倍。 （10）实验仪器体现了当代CPU设计的先进思想和并行技术。TEC-4计算机组成实验系统的组成TEC-4计算机组成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。1.3 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3A，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220V市电，插座内装有保险丝。电源开关用于接通或者断开交流220V市电。当电源模块输出＋5V时，点亮＋5V红色指示灯。1.4 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、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个节拍脉冲T1，T2，T3，T4，执行一条指令通常需要取指、送操作数、运算、写结果四个节拍电位W1，W2，W3，W4，因此本机的基本时序如下： 图3 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节拍脉冲信号，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，也供硬联线控制器使用。W1，W2，W3，W4只供硬联线控制器作节拍电位信号使用。1.5 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。它还使用了大规模在系统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的中部。 图4是数据通路总体图，下面介绍图中各主要部件的作用。 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、