计算机组成与设计实验讲义

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1、《计算机组成与设计》实验指导书姜立秋肖大薇夏越编著2012年10月前言43《计算机组成与设计》课程主要讲述计算机系统各部件的组成以及设计原理，包括CPU组成、ALU运算器原理、存储器与控制器原理等，最终达到从系统的、整机的角度，完整的、准确的理解和掌握计算机系统的理论和原理的目的，为计算机专业技术的学习打下良好的基础。《计算机组成与设计》是计算机科学与技术专业的一门专业基础课。本课程实践性强，因此，该实验课程必须有相应的实践开发平台支持，这里选用的是EL-JY-Ⅱ计算机组成原理实验系统。该系统是一个1

2、6位的计算机模型实验系统，简单实用，且运算器、数据通路、控制器、控制台各部分划分清晰。通过实验旨在提高学生的实践能力、提高学生对计算机整体和各组成部分的深入理解、提高学生对计算机系统的综合分析与设计能力、增强学生理论联系实际的能力、增强学生的工程观念和创新意识，从而培养高素质的应用型人才。本课程主要讲授内容如下：u运算器实验u存储器读写实验u总线控制实验u微程序设计实验u简单模型机组成原理实验u复杂模型机组成原理实验43计算机组成原理实验系统介绍EL-JY-Ⅱ型计算机组成原理实验系统是为计算机组成原理

3、课的教学实验而研制的，涵盖了目前流行教材的主要内容，能完成主要的基本部件实验和整机实验，可供大学本科、专科、成人高校以及各类中等专业学校学习《计算机组成原理》、《微机原理》和《计算机组成和结构》等课程提供基本的实验条件，同时也可供计算机其它课程的教学和培训使用。1、系统组成本系统由两大部分组成：A、基板：本部分是8位机和16位机的公共部分，包括以下几个部分：1）数据输入和输出电路2）显示及监控电路3）脉冲源及时序电路4）数据和地址总线5）8255扩展实验电路6）单片机控制电路和键盘操作部分7）与PC机

4、通讯的接口电路8）主存储器电路9）微代码输入及显示电路10）电源电路11）CPLD实验板（选件）12）自由实验区（面包板）B、CPU板：本CPU板为16位机，其数据总线为16位，地址总线为8位，包括以下几个部分：1）运算器电路2）微程序控制器电路3）寄存器堆电路4）程序计数器电路5）指令寄存器电路6）指令译码电路7）地址寄存器电路8）数据和控制总线电路其中，运算器电路中的累加器电路由74LS181及其外围电路组成，此外所有的其它电路都由ALTERA公司的FPGA—EP1K10实现。板上的JTAG口、芯

5、片EPC2LC20、跳线J1—J6用于配置EP1K10。当跳线J1—J6均跳至EPC2OFF时，可通过JTAG口直接配置EP1K10，但断电后需重新配置。当跳线J1—J6均跳至EPC243ON时，通过EPC2LC20来配置EP1K10。系统出厂时，已将配置文件烧录进EPC2LC20。由于EPC2LC20为非易失性器件，故每次上电时可自动配置EP1K10，无需重新烧录。C、底板使用说明：底板的系统布局如下图所示：1）控制开关电路用于开关方式下各种控制信号的输入，每个开关对应一个LED指示灯。当LED点亮

6、时，表示相对应的开关输出为高电平，反之则为低电平。2）键盘及监控显示灯用于键盘方式下的实验，其用法见各实验说明（注：当开关K4为“ON”时键盘被封锁）。3）24位微代码输入及显示电路用于读写微程序，其原理如下图所示（仅以MD17-MD24为例，MD1-MD16电路与此相同）。43当K4为“OFF”（VCC）时，24位开关无效，24个数码管的显示由2816的数据口决定，用于键盘方式读写微代码和开关方式读微代码。当K4为“ON”（GND）时，24位开关有效，24个数码管显示每一位开关的状态（“0”或“1”

7、），用于开关方式写微代码。2）脉冲源及时序电路用于开关方式下产生时序信号；F、F/2、F/4、F/8分别为固定时钟频率输出端，其频率分别为1M、500K、250K、125K。Fin为时钟输入，可接至F、F/2、F/4、F/8中的任何一个输出；按下“单脉冲”键时，T+、T-端分别产生一个正脉冲、一个负脉冲；按下“单步”键时，T1、T2、T3、T4端依次产生一个正脉冲，用于程序的单步运行；按下“启动”键时，T1、T2、T3、T4端依次产生连续的正脉冲，用于程序的全速运行；按下“停止”键时，T1、T2、T3

8、、T4端不产生脉冲，用于中止程序运行。3）16位数据输入电路如下图所示：DIJ2为高8位数据，DIJ1为低8数据，当DIJ—G为低电平时，DIJ2、DIJ1输出16位开关量数据，否则为高阻态。4316位输出显示电路由四个数码管和四片可编程逻辑芯片GAL16V8组成。GAL16V8为显示提供译码和驱动，当W/R、D-G均为低电平时，将D15—D0的数据送至数码管显示。2）I/O控制电路由一片74LS139构成，用于为外部器件提供选通信号。其原理和逻辑关系如