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TEC-XP16技术说明和实验指导书.pdf
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I
TEC-XP16
计算机组成原理教学实验系统
技术说明与实验指导
清华大学科教仪器厂
清华大学计算机系
2007 年 4 月
II
TEC-XP16 ...........................................................................................................................................I
计算机组成原理教 学 实 验 系 统 ...................................................................................................I
技 术 说 明 与 实 验 指 导 .................................................................................................................I
清华大学科教仪器厂........................................................................................................................I
清华大学计算机系............................................................................................................................I
第一章 教学计算机系统概述和教学实验项目.............................................................................1
§1.1 教学计算机系统概述....................................................................................................1
§1.1.1 教学计算机系统的实现方案和硬软件资源概述 .............................................1
§1.1.2 教学计算机指令系统的设计目标和指令格式 .................................................1
§1.1.3 教学计算机的硬件组成和设计概述.................................................................2
§1.1.4 软件模拟实现的教学计算机系统.....................................................................8
§1.1.5 教学计算机在教学过程中的作用.....................................................................9
§1.1.6 基本实验项目...................................................................................................10
§1.1.7 其他实验项目...................................................................................................11
§1.2 教学实验项目.................................................................................................................12
§1.2.1 教学机中的关键逻辑线路实验.........................................................................12
§1.2.1.2 使用 GAL20V8 芯片完成的教学实验....................................................13
§1.2.1.3 用 CPLD 器件 MACH 芯片实现的线路实验.........................................17
§1.2.2 监控程序与汇编语言程序设计实验...............................................................23
§1.2.3 运算器部件实验..................................................................................................25
§1.2.4 内存储器部件实验.........................................................................................31
§1.2.5 两种类型的控制器部件实验...........................................................................34
§1.2.5.1 实验环境、设备与必要知识、技术说明 ..............................................34
§1.2.5.2 实验目的与实验内容.........................................................................51
§1.2.5.3 实验操作选择..........................................................................................53
§1.2.5.4 实验要求与实验报告内容......................................................................53
§1.2.6 串行接口输入输出实验.....................................................................................67
§1.2.7 多级嵌套的中断实验.........................................................................................70
§1.2.8 其他接口电路输入输出实验..............................................................................71
§1.2.9 监控程序功能扩展实验.....................................................................................72
§1.2.10 系统汇编程序(汇编器)的设计或者功能扩展实验 ...................................73
§1.2.11 在教学机上设计实现一台新计算机的工程项目 ............................................73
第二章 教学计算机软件系统技术说明.......................................................................................76
§2.1 教学计算机的指令系统................................................................................................76
§2.1.1 基本指令汇总表.................................................................................................78
§2.1.2 扩展指令汇总表.................................................................................................79
§2.2 教学计算机的监控程序.................................................................................................79
§2.2.1 监控程序的功能..................................................................................................79
§2.2.2 监控程序的总体结构.......................................................................................82
§2.2.2.1 重要的子程序分析及其程序框图 ...........................................................84
§2.2.2.2 一些功能较强的常用子程序...................................................................94
§2.2.2.3 串行接口输入输出操作的原理说明 .......................................................99
§2.3 教学机的 PC 机仿真终端程序....................................................................................102
§2.4 教学计算机的汇编程序的功能、使用与实现概述..................................................103
III
§2.4.1 教学计算机的交叉汇编程序的演变过程 .....................................................103
§2.4.2 交叉汇编程序使用说明.................................................................................104
§2.5 教学计算机的高级语言支持.......................................................................................107
§2.5.1 BASIC 语言解释程序功能和程序设计 ...........................................................108
§2.5.2 BASIC 语言的几个程序例子 ...........................................................................109
§2.5.3 软件实现的浮点数据运算............................................................................... 111
§2.5.3.1 浮点数据比较......................................................................................... 111
§2.5.3.2 浮点数据加、减运算.............................................................................112
§2.5.3.3 浮点数据乘法运算.................................................................................114
§2.5.3.4 浮点数据除法运算.................................................................................114
第三章 教学计算机的软件模拟系统.......................................................................................117
3.1 教学计算机的指令与系统级的模拟............................................................................ 117
3.1.1 指令模拟的概念和在教学中的作用.............................................................117
3.1.2 .教学计算机程序设计实验(仿真).................................................................120
3.2 教学计算机微体系结构级组合逻辑控制器模拟系统 .................................................123
§3.2.1 计算机微体系结构级模拟的概念和在教学中的作用 ...................................123
§3.2.2 教学计算机组合逻辑控制器软件模拟系统使用说明 ...............................124
§3.2.2.1 组合逻辑控制器软件模拟系统的程序操作三界面 .............................124
§3.2.2.2 运行程序的操作步骤..........................................................................126
§3.2.3 使用模拟程序完成组合逻辑控制器实验 ...................................................129
§3.3 教学计算机微体系结构级微程序控制器模拟系统 ..................................................131
§3.3.1 启动与运行微程序控制器模拟程序.............................................................131
§3.3.2 使用模拟程序完成微程序控制器实验.......................................................135
附录...............................................................................................................................................138
附录一 GAL 器件的逻辑设计与编程操作 ...............................................................138
附录二 MACH 器件编程方法(LC4256V) ................................................................138
附录三 浮点运算子程序源代码.................................................................................138
附录四 教学机监控程序清单.....................................................................................138
附录五 16 位机带有详细注释的监控程序列表文件................................................138
附录六 完成浮点数据比较和运算的子程序清单文件.............................................138
附录七 教学课件.........................................................................................................138
附录八 动画演示以及教学课件...............................................................................138
附录九 两份模拟试题及参考答案.............................................................................138
附录十 计算机发展历史中的著名人物和重大发明.................................................138
1
第一章 教学计算机系统概述和教学实验项目
§1.1 教学计算机系统概述
§1.1.1 教学计算机系统的实现方案和硬软件资源概述
TEC-XP16 计算机组成原理实验系统是 TEC-XP 系列教学机的一个型号,是 TEC-2000A
的更新换代产品,由清华大学计算机系研制,并且通过了教育部主持的成果鉴定,重点用于
计算机组成原理和计算机系统结构等课程的教学实验。它的功能与组成、设计和实现技术,
覆盖了课程主要的教学内容,支持的教学实验项目多,水平高,文字与图纸资料相对齐全。
这台教学计算机系统的硬、软件配置比较完整,覆盖了计算机系统完整 6 个层次的基本内容,
还用 PC 计算机设计实现了功能完全相同的软件模拟系统。
硬件实现的和软件模拟实现的两个教学机系统的组成如图 1.1 和 图 1.2 所示。
软件:解释 BASIC 语言
汇编语言支持
监控程序
硬件:运算器,控制器(多种实现)
(微程序或硬布线控制器)
主存储器,总线,接口
输入设备,输出设备
硬件与电路:逻辑器件和设备
图 1.1 硬件实现的实际计算机系统 图 1.2 软件实现的模拟计算机系统
从图 1.1 可以看到,该计算机硬件系统组成中,功能部件是完整齐备的,运算器、控制
器、存储器、输入输出接口、计算机总线等配备齐全,还可以接通 PC 机仿真终端执行输入
输出操作,同时实现了微程序方案的和硬连线方案的 2 种控制器。
从计算机组成原理课程教学需求的角度看,该计算机软件系统的组成也是完整的,支持
简单的高级语言(包括浮点运算指令和基本函数运算功能),汇编语言(支持基本伪指令功
能)和二进制的机器语言,配有自己的监控程序,以及 PC 机仿真终端程序等。毫无疑问,
全部软件的源程序代码是宝贵的教学参考资料。
从图 1.2 可以看到,软件实现的计算机系统级和指令级模拟系统,可以脱离硬件教学计
算机系统,直接在 PC 机的 Windows 平台上运行教学机的程序,可以在 PC 机上运行教学机的
监控程序,其运行效果和在真正的教学计算机上运行监控程序是相同的。微程序和硬连线这
一级别的模拟软件,可以查看计算机内部数据、指令流动的过程和全部控制信号的运行状态,
可以辅助同学完成两种类型的控制器设计,设计结果可以直接在 PC 机上模拟运行,模拟正
确的设计结果会生成用于教学机硬件系统中各现场可编程器件的下载文件,为同学修改、调
试教学机已有的软件功能或完成自己新的硬件设计有着重要的辅助作用。硬件实现的实际计
算机系统和软件实现的模拟计算机系统各有所长,并且可以很好地做到优势互补。
§1.1.2 教学计算机指令系统的设计目标和指令格式
合理地确定一台计算机的指令系统,无论对计算机厂家还是对最终用户来说都是十分重
软件:解释 BASIC 语言
汇编语言支持
监控程序(指令)级模拟
教学机模拟:运算器、控制器模拟
(微程序级或硬连线控制器级模拟)
主存储器模拟,总线,接口模拟
输入设备/ 输出设备模拟
运行环境:PC 机,Windows 系统
2
要的事情,它密切关系到计算机设计与实现的复杂程度和生产成本,计算机使用的难易程度
和运行效率。对主要用于教学和教学实验目的的计算机,特别是对于一台 16 位字长的教学
计算机来说,确定其指令系统,更多地应关注它在教学过程中的作用和使用方法,至少应解
决好以下几个问题。
(1)指令格式和功能的典型性,即选择 DLX 指令集结构,适当靠拢 RISC 机的指令格式,
包括尽可能小的指令集,简化的寻址方式。这样做不仅可以简化教学计算机的结构,实现简
单,易于实现指令流水,重要的是选用有良好典型性的指令格式和功能,讲课时更容易完整
地讲解清楚这套指令系统和控制器设计,有利于教学内容的整体安排。
(2)指令系统要有一定的完备程度,给出的指令格式适当规范,指令分类合理,指令
执行步骤容易理解,符合人们通常的编程使用习惯,有较好的易学易用性,确保选用这套指
令系统,能方便地设计教学计算机的配套软件。
(3)更高的可扩充性,即为学生添加各种新的指令留下比较充足的余地,为此可以把
完整系统中的指令划分为必备的基本指令(由设计者实现)和待扩展的保留指令(由学生设
计实现)2 大类;在扩展新的指令时,实现手段要适当简单,但要有比较多的设计内容和选
择余地,以便更好地培养学生的创新意识和开创能力,有利于深化教学内容。
(4)符合教学计算机的特定要求。对 16 位字长的计算机,指令的操作码部分可以选择
为固定长度;再结合我们所选用的运算器器件 Am2901 芯片内含 16 个通用寄存器的特点,寄
存器寻址方式需要使用 4 位的形式地址。如果需要,还可以指定 16 个累加器中的几个为专
用的寄存器,以便最大程度地简化教学机硬件组成,简化指令执行流程设计。
遵照上述思路,最终确定了教学计算机的指令格式,如图 1.3 所示。这套指令系统支持
单字指令和双字指令,第一个指令字的高 8 位是指令操作码字段,低 8 位和双字指令的第二
个指令字是操作数地址字段,分别有 3 种用法。
8 位 4 位 4 位
DR SR
操作码
IO 端口地址 / 相对偏移量
立即数 / 直接内存地址 / 变址偏移量
图 1.3 教学机的指令格式
8 位指令操作码(记作“IR15~IR8”),各位的含义如下:
IR15、IR14 用于区分指令组: 0×表示 A 组,10 表示 B 组,11 表示 C、D 组;
IR13 用于区分基本和扩展指令:0 表示基本指令,1 表示扩展指令;
IR12 用于简化控制器的实现, 暂定该位的值为 0;
IR11~IR8 用于区分同一指令组中的不同指令(最多 16 条);
IR11 还用于区分 C、D 组指令(每组最多 8 条):0 表示 C 组,1 表示 D 组。
第一个指令字中的操作数地址字段可以给出:4 位的通用寄存器编号(DR 代表目的寄存
器,SR 代表源寄存器),8 位的 IO 端口地址,8 位的相对变址偏移量。第二个指令字中的操
作数地址字段用于给出 16 位的立即数,16 位的直接内存地址,或者 16 位的变址偏移量。
指令系统中包括的全部指令放到第 2 章介绍。
§1.1.3 教学计算机的硬件组成和设计概述
作为教学和教学实验使用的计算机,其硬件结构和组成设计,要比较好地体现出尽可能
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