计算机组成和设计实验讲义.doc

《计算机组成与设计》 实 验 指 导 书 姜立秋 肖大薇 夏越 编著 2012年10月 前 言 《计算机组成与设计》课程主要讲述计算机系统各部件的组成以及设计原理，包括CPU组成、ALU运算器原理、存储器与控制器原理等，最终达到从系统的、整机的角度，完整的、准确的理解和掌握计算机系统的理论和原理的目的，为计算机专业技术的学习打下良好的基础。 《计算机组成与设计》是计算机科学与技术专业的一门专业基础课。本课程实践性强，因此，该实验课程必须有相应的实践开发平台支持，这里选用的是EL-JY-Ⅱ计算机组成原理实验系统。该系统是一个16位的计算机模型实验系统，简单实用，且运算器、数据通路、控制器、控制台各部分划分清晰。通过实验旨在提高学生的能力、提高学生对计算机整体和各组成部分的理解、提高学生计算机系统综合设计能力计算机组成原理实验系统介绍 EL-JY-Ⅱ型计算机组成原理实验系统是为计算机组成原理课的教学实验而研制的，涵盖了目前流行教材的主要内容，能完成主要的基本部件实验和整机实验，可供大学本科、专科、成人高校以及各类中等专业学校学习《计算机组成原理》、《微机原理》和《计算机组成和结构》等课程提供基本的实验条件，同时也可供计算机其它课程的教学和培训使用。 1、系统组成 本系统由两大部分组成： A、基板： 本部分是8位机和16位机的公共部分，包括以下几个部分： 1）数据输入和输出电路 2）显示及监控电路 3）脉冲源及时序电路 4）数据和地址总线 5）8255扩展实验电路 6）单片机控制电路和键盘操作部分 7）与PC机通讯的接口电路 8）主存储器电路 9）微代码输入及显示电路 10）电源电路 11）CPLD实验板（选件） 12）自由实验区（面包板） B、CPU板： 本CPU板为16位机，其数据总线为16位，地址总线为8位，包括以下几个部分： 1） 运算器电路 2） 微程序控制器电路 3） 寄存器堆电路 4） 程序计数器电路 5） 指令寄存器电路 6） 指令译码电路 7） 地址寄存器电路 8） 数据和控制总线电路 其中，运算器电路中的累加器电路由74LS181及其外围电路组成，此外所有的其它电路都由ALTERA公司的FPGA— EP1K10实现。板上的JTAG口、芯片EPC2LC20、跳线J1—J6用于配置EP1K10。当跳线J1—J6均跳至EPC2 OFF时，可通过JTAG口直接配置EP1K10，但断电后需重新配置。当跳线J1—J6均跳至EPC2 ON时，通过EPC2LC20来配置EP1K10。系统出厂时，已将配置文件烧录进EPC2LC20。由于EPC2LC20为非易失性器件，故每次上电时可自动配置EP1K10，无需重新烧录。 C、底板使用说明： 底板的系统布局如下图所示： 1） 控制开关电路用于开关方式下各种控制信号的输入，每个开关对应一个LED指示灯。当LED点亮时，表示相对应的开关输出为高电平，反之则为低电平。 键盘及监控显示灯用于键盘方式下的实验，其用法见各实验说明（注：当开关K4为“ON”时 键盘被封锁）。 24位微代码输入及显示电路用于读写微程序，其原理如下图所示（仅以MD17-MD24为例，MD1-MD16电路与此相同）。 当K4为“OFF”（VCC）时，24位开关无效，24个数码管的显示由2816的数据口决定，用于键盘方式读写微代码和开关方式读微代码。当K4为“ON”（GND）时，24位开关有效，24个数码管显示每一位开关的状态（“0”或“1”），用于开关方式写微代码。 脉冲源及时序电路用于开关方式下产生时序信号；F、F/2、F/4、F/8分别为固定时钟频率输出端，其频率分别为1M、500K、250K、125K。Fin为时钟输入，可接至F、F/2、F/4、F/8中的任何一个输出；按下“单脉冲”键时，T+、T-端分别产生一个正脉冲、一个负脉冲；按下“单步”键时，T1、T2、T3、T4端依次产生一个正脉冲，用于程序的单步运行；按下“启动”键时，T1、T2、T3、T4端依次产生连续的正脉冲，用于程序的全速运行；按下“停止”键时，T1、T2、T3、T4端不产生脉冲，用于中止程序运行。 16位数据输入电路如下图所示：DIJ2为高8位数据，DIJ1为低8数据，当DIJ—G为低