计算机组成原理 上机实验指导
(Ver 3.0)
张光建 黄贤英
计算机科学与工程学院
2010年12月
前言
本实验指导书根据TDN-CM++教学实验系统的操作编写，主要是为配合讲授与学习《计算机组成原理》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。
TDN-CM++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TDN-CM++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。
I
目 录
一、实验装置介绍 .....................................................................................1
(一)．实验准备和实验注意事项 ...........................................................1 (二)．实验装置各单元介绍 ...................................................................1
1．运算器单元(ALU UNIT) ..................................................................1 2．计数器与地址寄存器单元(ADDRESS UNIT) ......................................2 3．指令寄存器单元(INS UNIT) .............................................................2 4．时序电路单元(STATE UNIT) .............................................................3 5．微控器电路单元(MICRO-CONTROLLER UNIT) ......................................3 6.逻辑译码单元(LOG UNIT) ..................................................................4 7．主存贮器单元(MAIN MEM).................................................................5 8．输入设备单元(INPUT DEVICE)..........................................................5 9．输出设备单元(OUTPUT DEVICE) ........................................................5 10．总线单元(BUS UNIT) ......................................................................5 11．控制信号发生单元(W/R UNIT) ........................................................5 12．扩展总线单元(EXT BUS).................................................................5 13．外总线单元(EX UNIT) ....................................................................5 14．逻辑信号测量单元(OSC UNIT) ........................................................6 15．单片机控制单元(8051 UNIT)..........................................................6 16．开关单元(SWITCH UNIT).................................................................6 17．指示灯单元(LED UNlT) ..................................................................6 18．PLD单元 ........................................................................................6
二、实验设备的数据通路结构..............................................................6 三、上机实验 ..............................................................................................7
实验一 运算器实验：算术逻辑运算实验 .........................................8
一．实验目的 .......................................................................................8 二．实验设备 .......................................................................................8 三．实验原理 .......................................................................................8 四．实验内容 .......................................................................................9
II
五．实验步骤 ..................................................................................... 10 六．思考题 ......................................................................................... 14
实验二 运算器实验：进位控制实验 ............................................... 15
一．实验目的 ..................................................................................... 15 二．实验设备 ..................................................................................... 15 三．实验原理 ..................................................................................... 15 四．实验内容 ..................................................................................... 16 五．实验步骤 ..................................................................................... 17 六．思考题 ......................................................................................... 19
实验三 移位运算实验 ....................................................................... 20
一．实验目的 ..................................................................................... 20 二．实验设备 ..................................................................................... 20 三．实验原理 ..................................................................................... 20 四．实验内容 ..................................................................................... 21 五．实验步骤 ..................................................................................... 21 六．思考题 ......................................................................................... 22
实验四 静态随机存储器实验 ........................................................... 23
一．实验目的 ..................................................................................... 23 二．实验设备 ..................................................................................... 23 三．实验原理 ..................................................................................... 23 四．实验内容 ..................................................................................... 24 五．实验步骤 ..................................................................................... 25 六．思考题 ......................................................................................... 27 实验五 数据传送实验 ....................................................................... 28
一．实验目的 ..................................................................................... 28
二．实验设备 ..................................................................................... 28 三．实验原理 ..................................................................................... 28 四．实验内容 ..................................................................................... 28 五．实验步骤 ..................................................................................... 29 六．思考题 ......................................................................................... 30
实验六 微控制器实验 ....................................................................... 31
一．实验目的 ..................................................................................... 31 二．实验设备 ..................................................................................... 31 三．实验原理 ..................................................................................... 31 四．实验内容 ..................................................................................... 36 五．实验步骤 ..................................................................................... 36 六．思考题 ......................................................................................... 39
III
实验七 基于微控器的模型机的设计与实现 ................................... 40
一．实验目的 ..................................................................................... 40 二．实验设备 ..................................................................................... 40 三．实验原理 ..................................................................................... 40 四．实验内容 ..................................................................................... 40 五．实验步骤 ..................................................................................... 40 六．思考题 ......................................................................................... 43
实验八 简单模型机的设计与实现 ................................................... 44
一．实验目的 ..................................................................................... 44 二．实验设备 ..................................................................................... 44 三．实验原理 ..................................................................................... 44 四．实验内容 ..................................................................................... 45 五．实验步骤 ..................................................................................... 45
四、学习指南 ............................................................................................ 48
(一)．重点、难点内容 ......................................................................... 48 (二)． 重点内容 ................................................................................... 50
附录A 实用芯片介绍 ............................. 55
IV