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计算机组成原理实验指导书 v4.1
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2013-01-01
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计算机组成原理实验指导书
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计算机组成原理
实验指导书
(Ver 4.0)
重理工大学 计算机科学与工程学院
2012 年 10 月
前 言
本实验指导书根据 TD-CMA 实验教学系统的操作编写,主要是为配合讲授与学习《计
算机组成原理实验》课程而写,本实验指导书提供几个基本的实验操作指导,提供一个具
有几条基本指令的简单模型机的设计。
TD-CMA 系统是一台硬件组成相对完备的计算机系统,包括运算器、控制器、主存、I
/O 接口及总线等都有一定的典型性。本实验指导书选定的实验,主要目的是要解决实验
内容与授课内容的吻合,方便学生理论联系实际,保证课程各主要章节教学内容的理论深
度和较高的实用性,更好地掌握计算机设计和工作的基本原理,实验内容要求构建一个完
整的模型机,旨在帮助同学们建立一个整机的概念。
本系统提供计算机组成原理课程所要求的教学实验功能,能保证学生可深入到计算机
和 CPU 内部,查看、测试各主要信号与部件工作状态,有利于提高学生学习兴趣,培养学
生设计与动手实践的基本技能,有利于增强学生的创新意识。
本实验指导书的结构是:首先介绍使用 TD-CMA 完成本课程实验的注意事项,接下来
对实验设备进行了简单的介绍,并将模型机的数据通路结构展示给大家,这样有利于从整
体上把握整个系统,然后是对每个实验的介绍。每个实验都分为如下几部分:实验的目的
需要使用的实验设备、实验涉及到的实验原理、对本实验的内容作了简明的概括、完成本
实验的步骤,最后给出了一些关于本实验的思考题,这些思考题可在实验做完时要求学生
回答。
实验之前应由学生预习,理解基本的实验原理和实验内容,在实验课上由实验指导老
师以提问的方式来讲解、复习各实验的原理、实验设备、实验内容等,并着重强调一些注
意事项,尽量避免盲目做实验。
本书最后给出学习本课程应该熟练掌握和理解的主要内容和复习要点,帮助大家更好
地学习本门课程,并给出了部分复习题。
目 录
第一章 实验装置简介............................................................................................................. 1
1.1 实验准备和实验注意事项.............................................................................................1
1.2 系统硬件布局图.............................................................................................................1
1.3 系统实验单元电路......................................................................................................... 2
1.ALU® 单元............................................................................................................2
2.程序计数器与地址寄存器单元(PC&AR 单元).....................................................4
3.指令寄存器单元(IR 单元).....................................................................................4
4.微程序控制器电路单元(MC 单元).......................................................................6
5.CPU 内总线单元.........................................................................................................8
6.时序与操作台单元.....................................................................................................8
7.输入设备单元(IN 单元)......................................................................................11
8.输出设备单元(OUT 单元)...................................................................................11
9.控制总线单元.......................................................................................................... 12
10.数据总线单元.........................................................................................................12
11.地址总线单元.........................................................................................................12
12.存储器单元(MEM 单元)...................................................................................13
13.8253 单元...............................................................................................................13
14.8259 单元...............................................................................................................14
15.8237 单元...............................................................................................................14
16.控制台开关单元(CON 单元).............................................................................14
17.扩展单元................................................................................................................ 15
18.CPLD 扩展板...........................................................................................................15
19.逻辑测量单元.........................................................................................................17
20.系统单元(SYS 单元)..........................................................................................17
第二章 上机实验...................................................................................................................18
实验一 基本运算器实验...................................................................................................18
一、实验目的...........................................................................................................18
二、实验设备...........................................................................................................18
三、实验原理...........................................................................................................18
四、 实验内容..........................................................................................................22
五、实验步骤...........................................................................................................22
六、思考题...............................................................................................................25
实验二 静态随机存储器实验............................................................................................26
一、实验目的...........................................................................................................26
二、实验设备...........................................................................................................26
三、实验原理...........................................................................................................26
四、实验内容...........................................................................................................28
五、实验步骤...........................................................................................................29
六、思考题...............................................................................................................32
实验三 系统总线与总线接口............................................................................................33
一、实验目的...........................................................................................................33
二、实验设备...........................................................................................................33
三、实验原理...........................................................................................................33
四、实验内容...........................................................................................................35
五、实验步骤...........................................................................................................35
六、思考题...............................................................................................................38
实验四 微程序控制器实验................................................................................................39
一、实验目的...........................................................................................................39
二、实验设备...........................................................................................................39
三、实验原理...........................................................................................................39
四、实验内容...........................................................................................................46
五、实验步骤...........................................................................................................46
六、思考题...............................................................................................................51
实验五 简单模型机设计实验............................................................................................52
一、实验目的...........................................................................................................52
二、实验设备...........................................................................................................52
三、实验原理...........................................................................................................52
四、实验内容...........................................................................................................55
五、实验步骤...........................................................................................................55
六、思考题...............................................................................................................61
实验六 复杂模型机设计实验............................................................................................62
一、实验目的...........................................................................................................62
二、实验设备...........................................................................................................62
三、实验原理...........................................................................................................62
四、实验内容.............................................................................................................3
五、实验步骤.............................................................................................................3
六、思考题...............................................................................................................10
第一章 实验装置简介
1.1 实验准备和实验注意事项
1.本课程实验使用专门的 TD-CMA 计算机组成原理教学实验设备,使用前后均应仔细
检查主机板,防止导线、元件等物品落入装置内导致线路短路、元件损坏。
2.完成本实验的方法是先找到实验板上相应的丝印字及其对应的引出排针,将排针用
电缆线连接起来,连接时要注意电缆线的方向,不能反向连接;如果实验装置中引出排针
上已表明两针相连,表明两根引出线内部已经连接起来,此时可以只使用一根线连接。
3 . 为了 弄清 计算 机各部件的工 作 原 理, 前 面 几 个 实验的控制信 号 由 开关 单 元
“SWITCH UNIT”模拟输入;只有在模型机实验中才真正由控制器对指令译码产生控制信号。
在每个实验开始时需将所有的开关置为初始状态“0”。
4.本实验装置的发光二极管的指示灯亮时表示信号为“1”,灯灭时表示信号为“0”。
5.实验接线图中带有圆圈的连线为实验中要接的线。
6.电源关闭后,不能立即重新开启,关闭与重启之间至少应有 30 秒间隔。
7.电源线应放置在机内专用线盒中。
8.保证设备的整洁。
1.2 系统硬件布局图
系统硬件的电路布局是按照计算机组成结构来设计的,如图 1-1 所示,最上面一部分
是 SYS 单元,这个单元是非操作区,其余单元均为操作区,在 SYS 单元之上架有 CPLD
扩展板,逻辑测量单元位于 SYS 单元的左侧,时序与操作台单元位于 SYS 单元的右侧。
所有构成 CPU 的单元放在中间区域的左边,并标注有‘CPU’,CPU 对外表现的是三总线:
控制总线、数据总线和地址总线,三总线并排位于 CPU 右侧。与三总线挂接的主存和各种
IO 设备,都集中放在系统总线的右侧。在实验箱中上部对 CPU、系统总线、主存及外设分
别有清晰的丝印标注,通过这三部分的模块可以方便地构造各种不同复杂程度的模型计算
机。
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- hscaoyangyang2013-09-08还可以,可以作为参考资料
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