计算机组成原理实验指导
一、实验装置介绍
(一)．实验准备和实验注意事项
1．本课程实验使用专门的TDN-CM++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“1”。
4．本实验装置的发光二极管的指示灯亮时表示信号为“0”，灯灭时表示信号为“1”。
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。
(二)．实验装置各单元介绍
整个实验装置由若干个相互独立的、又有一定联系的逻辑电路单元组成。利用本实验装置开展实验的基本方法就是根据某个具体实验目的和要求将相应单元用电缆线连接起来，通过输入装置输入数据和模拟控制信号，通过输出装置的显示检查结果。这些单元包括： 1．运算器单元(ALU UNIT)
运算器单元位于实验线路板左部，它包括运算器单元和寄存器堆单元。 (1) 运算器单元(ALU UNIT)
运算器单元由以下部分构成：两片74LSl81构成8位ALU；两个8位寄存器DRl和DR2作为暂存工作寄存器，保存参数或中间运算结果。ALU的输出由三态门74LS245通过排针连到数据总线上；一片8位的移位寄存器74LS299可通过排针连到数据总线上，由GAL和74LS74锁存器组成进位标志控制电路和为零标志控制电
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路，进位标志和为零标志指示灯。
图0-1 运算器单元电路
(2)寄存器堆单元(REG UNIT)
寄存器堆单元由三片8位寄存器(都是74LS374)R0、R1、R2组成，它们用来保存操作数及中间运算结果等，三个寄存器的输入已经和总线连接，而三个寄存器的输出共用一个引出排针RJ1，等待用排线连至总线。
2．计数器与地址寄存器单元(ADDRESS UNIT)
此单元位于实验线路板的中部，由地址寄存器AR(74LS273)、程序计数器PC(74LS161)及8位地址显示灯构成。单元中程序计数器及地址寄存器的输入已接至总线，而程序计数器的输出以排针形式引出(ADJ6)，地址寄存器的输出已连接到外总线单元“EXT BUS”中的AD7--AD0，以排针形式引出。 3．指令寄存器单元(INS UNIT)
指令寄存器单元中指令寄存器的输出以排针形式引出，构成模型机时用它作为
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指令译码电路的输入，实现程序跳转控制。 4．时序电路单元(STATE UNIT)
时序电路单元位于装置的左上部，其电路由四部分构成：消抖电路(KK2)、时序控制(TSl、TS2、TS3、TS4)、时钟信号源(Ф)、拨动二进制开关组(STOP、STEP)。
用户只需将Ф信号与信号源的输出插孔相连，然后按动START微动开关，根据STOP及STEP的状态，T1--T4将输出有规则的方波信号。各部分电路详细介绍如下：
(1)单拍脉冲及消抖电路
在实验中KK2一般用作为单脉冲信号发生器；START已将其输出接入时序电路中的START处，作为时序电路的启动开关。所以，START一般用作启动时序电路。
(2)时序控制电路、拨动开关组 STEP(单步)、STOP(停机)分别是来自实验台上部的两个二进制开关STEP、STOP的模拟信号。启动是来自微动开关START的按键信号。
当STEP=O(EXEC)时，按下START微动开关，运行触发器Cr一直处于“1”状态，因而时序信号TSl--TS4将周而复始的发送出去。
若STEP=1时，按下START微动开关，机器处于单步运行状态，即此时只发送一个CPU周期的时序信号就停机。利用单步方式，每次只产生一条微指令，因而可以观察微指令的代码与当前微指令的执行结果。
另外，当机器连续运行时，如果使STOP开关置“1”(STOP)也会使机器停机。此电路经译码逻辑产生不受控制的间隔时序信号TSl、TS2、TS3、TS。
(3)信号源
此单元位于\左侧，标有\，调节W可以使H24端输出用户期望的某一频率的方波信号，调节W2可使H23端输出特定占空比的信号。 5．微控器电路单元(MICRO-CONTROLLER UNIT)
本系统的微控器单元主要由编程部分和核心微控器部分组成。
编程部分是通过编程开关MJ20的相应状态选择及由CLK、CLKO引入的节拍脉冲的控制来完成将预先定义好的机器指令对应的微代码程序写入到2816 E2PROM控制存储器中，也具有现场直接编程能力，将自编的微程序写入2816中，还可以对控制存贮器中的微代码进行校验。本系统使用2816 E2PROM具备掉电保护功能。
核心微控器主要完成接收机器指令译码器送来的代码，使控制转向相应机器指令对应的首条微代码程序，对该条机器指令的功能进行解释或执行的工作。更具体讲，就是通过接收CPU指令译码器发来的信号，找到本条机器指令对应的首条微代码的微地址入口，再通过由CLK引入的时序节拍脉冲的控制，逐条读出微代码。
实验板上的微控器单元(Micro-Controller UNIT)中的24位显示灯(MDl--MD24)显示的状态即为读出的微指令。其中的几位经过译码产生实验板所需的相应控制信号，将它们加到数据通路中相应的控制位，就可对该条机器指令的功能进行解释和
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执行。当一条微指令解释完毕，再继续接收下一条微代码对应的微地址入口，这样周而复始，即可实现机器指令程序的运行。
核心微控器同样是根据24位显示灯所显示的相应控制位，经部分译码后产生的二进制信号来实现机器指令程序的顺序、分支、循环。所以，有效地定义24位微代码对系统的设计至关重要。
(1)核心微控器单元
通过编程开关(MJ20)的不同状态，可进行微代码的编程、校验、运行。在实验台上：
·微地址显示灯显示后续微地址，24位微代码显示灯显示后续微地址的二进制控制位。
·CLKO为微地址锁存器的时钟信号，实验台中已接到“W/R UNIT”的T1中。 ·三片2816单元的片选信号在手动状态下一直为“0”。 ·MKl---MK24为微控器的微代码输入二进制开关。
·MJ19为微地址输入端，微控器实验中在编程和校验状态时，可通过它人为确定微地址单元并完成读、写操作。
CLK为微代码输出锁存器及后续的微地址输出锁存器的信号引出端。实验板中已将CLK接至“W／R UNIT”单元中的T2。CLR为清零信号的引出端，实验板中已接至“SWITCH UNIT”中最右边的CLR开关上，所以此二进制开关为CLR专用。SEl—SE6端挂接到CPU的指令译码器的输出端，通过译码器确定相应机器指令的微代码入口，也可人为手动模拟CPU的指令译码器的输出，达到同一目的。
(2)编程器单元
在该实验电路中设有编程开关MJ20，它具有三种状态：PROM(编程)、READ(校验)、RUN(运行)。
·处于编程状态PROM时，微地址锁存器读有效：微代码输入三态门打开，后续微地址三态门关闭，同时2816写有效，读无效。此时若启动时序电路，即可将微代码写入到相应的微地址中，并在相应的显示灯上显示。
·处于校验状态READ时，微地址锁存器读有效，微代码输入三态门关闭，后续微地址三态门关闭，同时2816读有效，写无效。此时若启动时序电路，即可将相应的微地址中的微代码读出，并在显示灯上显示。
· 处于运行状态RUN时，微地址锁存器关闭，微代码输入三态门关闭，后续微地址三态门打开，同时2816读有效，写无效。此时若启动时序电路，即从微地址显示灯显示的地址开始继续运行。 6.逻辑译码单元(LOG UNIT)
本单元主要功能是根据机器指令及相应的微代码进行译码使微程序转入相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行，同时实现三个工作寄存器R0、R1、R2的选通译码。
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7．主存贮器单元(MAIN MEM)
此单元位于实验装置左下方,由SRAM 6116构成，用于存贮实验中的机器指令和数据。
8．输入设备单元(INPUT DEVICE)
此单元位于实验装置左下角，使用8个拨动开关作为输入设备，输入数据经过一个三态门74LS245，连接到排针上，等待连接到总线上。 9．输出设备单元(OUTPUT DEVICE)
此单元位于实验装置左下方，作为输出外设，输出数据从总线通过排针连接到锁存器后，由两个数码管显示其值。 10．总线单元(BUS UNIT)
本单元位于实验装置中部，包括6组排针，它们是横向对应连通的。排针下方是和总线对应的8位数据显示灯，以显示总线上的二进制数值，将引出的排针与总线单元用8孔排线连好，就可构成相应的实验电路的数据通路。 11．控制信号发生单元(W/R UNIT)
此单元位于线路板左中部，用来转接产生各单元电路所需的时序信号，以及外总线(EXT BUS)所需的读／写控制信号W／R。该单元电路由2部分组成:
(1) 4个排针引出端T1、T2、T3、T4为时序信号输入端，它们和实验单元中相应的时序信号控制端全部相连．在做部件实验时，须将相应线接至KK2来产生单脉冲；做模型机实验时，T1、T2、T3、T4接至“STATE UNIT”相应的TSl、TS2、TS3、TS4即可。
(2) 在实验中只需适当定义24位微代码信号的含义，并将读／写控制位接入到WE上，就可为系统外总线提供W/R信号。 12．扩展总线单元(EXT BUS)
此单元位于实验装置中下角，其中AD7—AD0排针为“ADDRESS UNIT”的地址总线输出：D7--DO排针为“BUS UNIT”的数据总线输出；W/R作为“W/R UNIT”的输出读／写控制线；A8、A9为转接插座，可接至\UNIT\的24位控制位中的任意两位，作为外设选择信号。 13．外总线单元(EX UNIT)
此单元位于实验装置的左下角，单元两侧的8线排针为两组独立的总线扩展转
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