计算机组成原理 实验指导书
2010年9月
目录
系统概述 .................................................................... 2 实验一 寄存器实验 ........................................................................................................................ 6
实验1：A、W 寄存器实验 ........................................................................................... 6 实验2：R0，R1，R2，R3 寄存器实验 ....................................................................... 9 实验3：MAR 地址寄存器，ST 堆栈寄存器，OUT输出寄存器 ........................... 12
实验二 运算器实验 ...................................................................................................................... 16 实验三 PC实验 ............................................................................................................................. 19
实验1：PC +1实验 ....................................................................................................... 21 实验2：PC 打入实验 ................................................................................................... 21
实验四 存储器EM实验 ................................................................................................................ 23
实验1：PC/MAR 输出地址选择 ................................................................................. 24 实验2：存储器EM 写实验 ......................................................................................... 24 实验3：存储器EM 读实验 ......................................................................................... 25 实验4：存储器打入IR指令寄存器/uPC实验 ........................................................... 26 实验5：使用实验仪小键盘输入EM ........................................................................... 28
实验五 微程序存储器uM实验 .................................................................................................... 29
实验1：微程序存储器uM 读出 ................................................................................. 30 实验2：使用实验仪小键盘输入uM ........................................................................... 30
实验六 微程序计数器uPC 实验 ................................................................................................. 31
实验1：uPC 加一实验 ................................................................................................. 32 实验2：uPC 打入实验 ................................................................................................. 32
实验七 模型机综合实验（微程序控制器） ............................................................................... 34
实验1：数据传送实验/输入输出实验 ......................................................................... 34 实验2：数据运算实验（加/减/与/或） ....................................................................... 36 实验3：指令流水实验 .................................................................................................. 38
附录1：CPTH 集成开发环境使用 ............................................................................................... 41 附录2：实验仪键盘使用 ............................................................................................................. 46
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系统概述
DJ-CPTH简介
DJ-CPTH型计算机组成原理实验系统采用单片机管理和EDA控制技术，自带键盘和液晶显示器，支持脱机和联PC机两种工作模式，运用系统监控和数码管等实时监视，全面动态管理模型机的运行和内部资源。模型机软硬件配置完整，支持8位字长的多种寻址方式，指令丰富，系统支持RS-232C串行通讯，并配有以win98/2000/XP为操作平台的动态跟踪集成调试软件，特别适用于计算机组成原理课程的教学与实验。
DJ-CPTH特点
1、采用总线结构
总线结构的计算机具有结构清晰，扩展方便等优点。DJ-CPTH实验系统使用三组总线即地址总线ABUS、数据总线DBUS、指令总线IBUS和控制信号，CPU、主存、外设和管理单片机等部件之间通过外部数据总线传输， CPU内部则通过内部数据总线传输信息。各部件之间，通过三态缓冲器作接口连接，这样一方面增强总线驱动能力，另一方面在模型机停机时，三态门输出浮空，能保证不管模型机的CPU工作是否正常，管理单片机总能读/写主存或控存。
2、计算机功能模块化设计
DJ-CPTH为实验者提供运算器模块ALU，众多寄存器模块（A，W，IA ，ST，MAR，R0?R3等），程序计数器模块PC，指令部件模块IR，主存模块EM，微程序控制模块〈控存〉uM，微地址计数器模块UPC，组合逻辑控制模块及I/O等控制模块。各模块间的电源线、地线、地址总线和数据总线等已分别连通，模块内各芯片间数据通路也已连好，各模块的控制信号及必要的输出信号已被引出到主板插孔，供实验者按自己的设计进行连接。
3、智能化控制
系统在单片机监控下，管理模型机运行和读写，当模型机停机时，实验者可通过系统键盘，读写主存或控存指定单元的内容，使模型机实现在线开发。模型机运行时，系统提供单步一条微指令（微单步）、单步一条机器指令（程单步），连续运行程序及无限止暂停等调试手段，能动态跟踪数据，流向、捕捉各种控制信息，实时反映模型机现场，使实验者及时了解程序和微程序设计的正确性，便以修改。
4、提供两种实验模式
①手动运行“Hand??”：即通过拨动开关和观察发光二极管二进制电平显示，支持最底层的手动操作方式的输入/输出和机器调试。
②自动运行：通过系统键盘及液晶显示器或PC机，直接输入或编译装载用户程序（机器码程序和微程序），实现微程序控制运行，运用多种调试手段运行用户程序，使实验者对计算机组成原理一目了然。 5、开放性设计
运算器采用了EDA技术设计，随机出厂时，已提供一套已装载的方案，能进行加、减、与、或、带进位加、带进位减、取反、直通八种运算方式，若用户不满意该套方案，可自行
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重新设计并通过JTAG 口下载。逻辑控制器由CPLD实现，也可进行重新设计并通过JTAG 口下载。用户还可以设计自己的指令/微指令系统。系统中已带三套指令/微程序系统，用户可参照来设计新的指令/微程序系统。
系统的数据线、地址线、控制线均在总线接口区引出，并设计了40 芯锁进插座，供用户进行RAM、8251、8255、8253、8259等接口器件的扩展实验。 6、支持中断实验
采用最底层的器件设计，让学生可以从微程序层面上学习中断请求、中断响应、中断处理、中断入口地址的产生、中断服务程序及中断返回（RETI）整个过程。 7、支持两种控制器实验
系统提供两种控制器方式：微程序控制器和组合逻辑控制器。在微程序控制器中，系统能提供在线编程，实时修改程序，显示程序并进行调试的操作环境。组合逻辑控制器，已下载有一套完整的实验方案，用户也可使用CPLD工具在PC机上进行自动化设计。
8、支持子程序调用、返回、指令流水线和RISC精简指令系统实验。 9、配备以Win98/2000/XP为操作平台的集成调试软件包
系统支持RS-232C串行通讯，借助PC资源形成了强大的在线文档与图形的动态管理系统，自带编译器，支持汇编语言的编辑、编译、调试，一次点击即可完成程序和与其对应微程序的链接装载并自动弹出调试窗口，在主界面中开辟了程序和与其对应微程序的调试、模型机结构示意图（点击各模块即可修改双向模块参数）、微程序等跟踪显示窗口供用户选择，可动态显示数据流向、实时捕捉数据、地址、控制总线的各种信息，使调试过程极为生动形象。
实验系统组成
CPTH计算机组成原理实验系统由实验平台、开关电源、软件三大部分组成。 实验平台如图1.1所示。
图1.1
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实验平台上有寄存器组R0-R3、运算单元、累加器A、暂存器W、直通/左移/右移单元、地址寄存器、程序计数器、堆栈、中断源、输入/输出单元、存储器单元、微地址寄存器、指令寄存器、微程序控制器、组合逻辑控制器、扩展单元、总线接口区、微动开关/指示灯、逻辑笔、脉冲源、管理单片机、24个按键、字符式LCD、RS232。具体结构分布如图1.2所示，学生在进行实验之前应熟练掌握实验平台上的的各组成部分的位置和基本功能，以方便后续使用。
DBUS中断源堆栈寄存器数据/STIA地址总线接口输入IN输出OUT程序计数器PCABUS存储器EMIBUS微程序计数器uPC指令寄存器IRJ2J3J1累加器ADBUS组合逻辑单元扩展单元微程序存储器uEMIsp1016CK字符式LCD暂存器W寄存器R3运算器ALU寄存器R2地址寄存器MAR左移门L直通门D右移门RCOM寄存器R0寄存器R1显示单元微动开关指示灯微动开关指示灯小键盘（24个按键）逻辑笔
图1.2
开关电源位于实验平台的右侧，实验时，请将连线接好以后再打开电源。
软件主要是指模型机的CPTH 集成调试软件，其界面如图1.3所示，具体使用方法参看附录。学生在进行实验之前应熟练掌握集成调试软件基本使用方法，以方便后续使用。
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