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TEC—4计算机组成原理实验系统包括基本实验: 1.运算器组成实验 2.双端口存储器原理实验 3.数据通路组成实验 4.微程序控制器组成实验 5.CPU组成和机器指令执行实验 6.中断原理实验 它是TEC—4计算机组成原理实验系统的配套资料。本书提供了9个实验,其中6个基本实验,3个课程设计。对每个实验提供了接线图、实验步骤及实验结果。 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片在系统编程芯片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
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TEC—4 计算机组成原理实验系统
教师实验指导书
清华大学科教仪器厂
2004 年 11 月
1
目 录
前言���������������������������2
TEC—4 计算机组成原理实验系统�������������� 3
基本实验
运算器组成实验����������������������13
双端口存储器原理实验�������������������18
数据通路组成实验���������������������22
微程序控制器组成实验�������������������28
CPU 组成和机器指令执行实验����������������40
中断原理实验�����������������������45
课程设计
硬布线控制器的设计与调试�����������������50
流水微程序控制器的设计与调试���������������61
流水硬布线控制器的设计与调试���������������70
附录���������������������������78
2
前 言
计算机组成原理是大学计算机专业的一门专业基础课程。清华同方股份有限公司和北京邮电大
学白中英教授合作,开发出 TEC—4 计算机组成原理实验系统。在这个实验设备上,既能够做计算机
组成原理课程的实验,又能够进行计算机系统结构课程的流水实验。该实验设备计算机模型简单、
实用,运算器数据通路、控制器、控制台各部分划分清晰,为学生提供了很多的动手条件,有利于
提高学生学习的主动性和创造性。
为了更好地使用 TEC—4 计算机组成原理实验系统,我们编写了这本《教师用实验指导书》。它
是 TEC—4 计算机组成原理实验系统的配套资料。本书提供了 9 个实验,其中 6 个基本实验,3 个课
程设计。对每个实验提供了接线图、实验步骤及实验结果;对 3 个课程设计提供了参考方案。当然,
每个实验的接线方法或者源程序绝不是唯一的,实验结果也会有所不同。本书提供的接线图和源程
序只是许多接线方法、源程序中的一种,只能作为参考。这些接线图、源程序和实验结果都经过实
际实验验证。本书的目的是希望减少教师设计、准备、调试实验的劳动,让教师把主要精力集中在
提高教学质量上。各位老师在使用中如果发现错误和不妥之处,欢迎提出宝贵意见,以便将来改进。
除了本书外,TEC—4 计算机组成原理实验系统还有另一本配套资料《计算机组成原理题解、题
库和实验》,这是一本科学出版社出版的学生用书。该书由北京邮电大学的白中英教授和我们共同编
写,可作为 TEC—4 计算机组成原理实验系统的使用说明书。两本资料配合使用,效果更好。
敬请读者提出宝贵意见。
清华同方股份有限公司
教学仪器设备公司
2001 年 1 月
3
第一节 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 片在系统编程芯片 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:
4
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,下面介绍图中个主要部件的作用。
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
选 择
S2
S1
S0
操 作
0
0
0
A & B
0
0
1
A & A(直通)
0
1
0
A + B
0
1
1
A - B
1
0
0
A(低 4 位) X B(低 4 位)
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
MF
T1
T2
T3
T4
W1
W2
W3
W4
图3 基本时序图
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