计算机组成原理
实验指导书
计算机科学系 2013、3、20
前 言
计算机组成原理是计算机专业一门重要的主干课程，课程的任务是使学生掌握计算机组成部件的工作原理、逻辑实现、设计方法及各部件连接成整机的方法，建立CPU级和硬件系统级的整机概念，培养学生对计算机硬件系统的分析、开发与设计能力。计算机组成原理实践课是配合理论教学中计算机硬件系统的组成、各部件的结构和工作原理而设置的，是掌握计算机组成原理课程的重要环节，通过本课程的实践课，使同学们进一步掌握计算机各部件的基本原理和结构，掌握计算机各部件的基本设计方法和实验方法，帮助同学建立计算机时间-空间的整体概念，巩固课堂知识，初步培养学生的实验操作能力和分析解决问题能力。
实践内容主要通过教师讲解，同学们自己动手实验以及学生的课外学习，本课程实验要求学生在学习计算机组成原理课的同时，再课外阅读一些有关实验的资料和参考书籍，作好预习；实践课时独立或合作完成实验内容，并在实验后，按要求完成实验报告。
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目 录
实验一 TDN-CM+实验箱介绍 ................................................................................. 1 实验二 算术逻辑运算实验 ..................................................................................... 13 实验三 实验四 实验五 实验六 实验七 进位控制实验 ............................................................................................. 17 移位运算实验 ............................................................................................. 20 存储器实验 ................................................................................................. 22 微控制器实验 ............................................................................................. 25 总线控制器实验 ......................................................................................... 33
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实验一 TDN-CM+实验箱介绍
一、实验目的
全面了解西安唐都科教仪器公司TDN-CM+计算机组成原理实验箱的系统硬件构成、配置、功能特点和实验单元电路功能及原理。
二、实验要求
1、根据本文提供的TDN-CM+布局图（见附件1）对照实验箱熟悉各部件； 2、熟悉和了解西安唐都科教仪器公司TDN-CM+实验箱的原理和结构； 3、掌握实验箱的连线操作方法. 三、实验环境
西安唐都科教仪器公司TDN-CM+计算机组成原理实验箱。 四、实验内容
1、试验箱简介
TDN-CM+计算机组成原理教学实验系统是西安唐都科教仪器公司精心设计、研制的新型实验装置，是TDN-CM的增强型产品。它可以通过多种“原理计算机”的设计和实现方法灵活全面地支持“计算机组成原理”课程的实验教学，满足不同层次和不同教学环节的要求，是完全符合教学规律及开放式实验教学方法的高档次实验设备。
TDN-CM+系统采用内、外总线结构，并按开放式结构要求设计了各关联的单元电路，除进一步规范了可组成的原理计算机结构外，也为实验教学提供了充足的硬件可设计空间和软件可设计空间，在实验电路构造方面，系统提供了多种手段，可按部件层次组合方式逐次构造不同结构和复杂程度的部件实验电路及模型计算机。在操作界面上，系统提供本机使用、OE联机使用，PC联机使用多种操作方式，且彼此间可随意切换，具有极佳的示教效果。 2、系统功能及特点 1）、开放式的实验电路结构
系统支持三种实验电路构造方式，实验元件零连线方式、单元电路跨接方式和实验电路“软连线”方式。对于实验元件零接线方式（须选配CME扩展实验板），可采用单股导线从零开始在面包板上逐一搭起一个实验田电路；对于各单元电路，只需使用排线做简单的跨接，就可构造出（即使是较复杂的）实验电路；同时，也可使用可编程逻辑器件通过在系统可编程设计实验电路，实现电路“软接线”。
用户可以根据实验教学的需要，自由选择、灵活组态，单独使用一种方式或几种方式结合使用，从而做到“搭接过的实验线路不再重搭”，彻底改变传统的实验教学模式，使教学双方可把实验的重点放在实验的设计、调试和分析上，并且由于减少了硬件接线时间而不减少接线内容而获得极佳的实验效果。
2）、灵活多变样的实验操作方式 系统提供灵活多样的操作方式，独立使用，通过拨动开关及发光二极管以二进制数码形式进行编程、显示、调试；配合OE操作器，使用小键盘和数码块作为输入、显示设备，以二六进制数码形式进行编程、显示、调试，并具备单步一条微指令、单步一条机器指令、连续运行程序、联机打印等高级调试功能；通过RS-232C通讯接口控制操作。用户可以根据需要选择，并在各种操作方式之间随意切换。
3）、PC联机图形操作界面
系统提供图形方式的联机操作软件，可显示用户设计的实验的模型的逻辑示意图。在调试过程中可动态显示数据流向及数据、地址、控制总线的各种信息，使调试过程极为生动形象。
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4）、EPROM存贮器
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系统采用EPROM作为存贮器，从而对程序具有断电保护功能。 5）、可重用定义的运算结构及微程序指令格式 系统中运算器结构、微程序指令及定义均可由用户根据自身教学需要来作灵活改变或重新设计。
6）、逻辑信号测试功能
系统具有两路逻辑信号示波器功能，通过运行联机软件，可在PC机的屏幕上同时观测两路逻辑信号。
7）、高效开关稳压电源
系统采用了性能优异，具有抗短路、过流的高性能稳压开关电源，从而可以避免学生实验过程中因接线失误而导致的芯片或整机损坏的情况。
8）、可支持其它课程的实验教学
除组成原理实验之外，选配CME扩展实验板还可以支持“数字逻辑”课程的实验教学，满足不同学科的需要。
3系统构成
TDN-CM+实验系统硬件内容如表1-1，系统硬件结构如图1-1：
表1-1 TDN-CM+系统硬件内容 电路名称 运算器单元 （ALU UNIT） 计数器与地址寄存器单元 （ADDRESS UNIT） 微控制器 （MICRO CONTROLLER UNIT） 主存单元 （MAIN MEM） 输入设备、输出设备 （INPUT DEVICE&OUTPT DEVICE） PLD单元 接口实验板（系统附件） 逻辑信号测量单元 单片机控制单元（PC UNIT） 电源 主要电路内容 运算器、进位控制器、移位寄存器、寄存器堆、内部总线 地址寄存器、程序地址计数器 指令寄存器、指令译码器、微代码控制寄存器及其编程器、逻辑译码单元、时序电路 SRAM6116 开关、显示灯、控制台（读写、启动、停机） 2片Isplsi1016 PLD芯片 8253、8255、8259接口芯片各一片 两路逻辑信号PC示波器 控制单片机、RS-232C串口等 采用高效开关电源、输出为5V/2A 2
系统另外配有OE小操作器（选件）和CME扩展实验板：
OE系统操作器：24键盘和8位LED显示、打印接口；
CME扩展实验板：通用实验单元、信号源单元、开关及显示灯单元、数码块显示及发声单元。
3、 TDN-CM+系统主要实验项目 （1）、运算器组成实验 （6）、带移位运算的模型机的设计与实现
1）、算术逻辑运算实验 （7）、复杂模型机的设计与实现 2）、进位控制实验 （8）、可重构原理计算机的组成设计实验 3）、移位运算实验 （9）、扩展8255并行口实验 （2）、存贮器实验 （10）、扩展8253定时器/计数器实验 （3）、微控制器实验 （11）、PLD应用实验 （4）、总线控制实验 （12）、基于RISC处理器构成的模型机的设计与实现
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