计算机组成原理实验指导书

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1、计算机组成原理实验指导书适用于计算机科学与技术专业广东药学院医药信息工程学院控制与仿真教研室前言计算机体系结构是计算机专业的核心课程之一，属必修的主干专业基础课。本课程主要讲述单机系统各大部件的组成及工作原理；讲述各大部件级成整机的工作机制，建立计算机工作的整机概念。本课程还设置实验和课程设计的环节，通过实践教学，达到以下目标：1．进一步融会贯通教材内容，更好掌握计算机各功能模块的组成及工作原理，掌握各模块的相互联系，完整地从时间上和空间上建立计算机的整机概念。2．在实践中培养学生的独立工作能力，严谨的工作态度和科研作风，掌握计算机硬件

2、系统的分析、设计、组装和调试的基本技能。为今后开展科研工作打下基础。2010年3月目录实验一、TEC-4计算机组成原理实验系统认识实验实验二、运算器组成实验（1）实验三、运算器组成实验（2）实验四、双端口存储器原理实验（1）实验五、双端口存储器原理实验（2）实验六、数据通路组成实验（1）实验七、数据通路组成实验（2）实验八、常规型微程序控制器组成实验实验九、CPU组成与机器指令执行实验实验十、中断原理实验实验一TEC-4计算机组成原理实验系统认识实验TEC-4计算机组成原理实验系统由清华大学教学仪器厂研制。它是一个典型的计算机模型实验仪

3、器，可用于大专、本科、硕士研究生计算机组成原理课程、计算机系统结构课程的教学实验。该仪器将提高学生的动手能力，提高学生对计算机整体和各组成部分的理解，提高学生对计算机系统的综合设计能力。1.1TEC-4计算机组成原理实验系统的特点（1）计算机模型简单、实用，运算器数据通路、控制器、控制台各部分划分清晰。（2）计算机模型采用了数据总线和指令总线双总线体制，能够实现流水控制。（3）控制器有微程序控制器、硬联线控制器两种类型，每种类型又有流水和顺序两种方案。（4）寄存器堆由1片ispLSI1016组成，运算器由1片ispLSI1024组成，设

4、计新颖。（5）实验台上包括了1片在系统编程芯片ispLSI1032，学生可用它实现硬联线控制器等多种设计。（6）该系统能做运算器组成、双端口存储器、数据通路、微程序控制器、中断、CPU组成与指令执行等六个基本教学实验。（7）该系统能完成流水微程序控制器、硬联线控制器、流水硬联线控制器等三个大型课程设计实验。（8）电源部分采用模块电源，重量轻，具有抗电源对地短路能力。（9）器件外部采用自锁紧累接接线方式，可靠性和接线速度比面包板提高5倍和8倍。（10）实验仪器体现了当代CPU设计的先进思想和并行技术。1.2TEC-4计算机组成原理实验系统

5、的组成TEC-4计算机组成原理实验系统由下述六部分组成：（1）控制台（2）数据通路（3）控制器（4）用户自选器件试验区（5）时序电路（6）电源部分下面分别对各组成部分予以介绍。1.3电源电源部分由一个模块电源、一个电源插座、一个电源开关和一个红色指示灯组成。电源模块通过四个螺栓安装在实验台下面，它输出＋5V电压，最大负载电流3A，内置自恢复保险功能，具有抗＋5V对地短路能力。电源插座用于接交流220V市电，插座内装有保险丝。电源开关用于接通或者断开交流220V市电。当电源模块输出＋5V时，点亮＋5V红色指示灯。1.4时序发生器时序发生器

6、产生计算机模型所需的时序。时序电路由一个1MHz晶体振荡器、两片GAL22V10（U6和U7）组成，位于控制存储器的右边。根据本机设计，执行一条微指令需要4个节拍脉冲T1，T2，T3，T4，执行一条指令通常需要取指、送操作数、运算、写结果四个节拍电位W1，W2，W3，W4，因此本机的基本时序如下：图3基本时序图图中，MF是晶体振荡器产生的1MHz基本时钟，T1，T2，T3，T4是数据通路和控制器中各寄存器的节拍脉冲信号，印制板上已将它们和有关的寄存器连接。T1，T2，T3，T4既供微程序控制器时使用，也供硬联线控制器使用。W1，W2，W

7、3，W4只供硬联线控制器作节拍电位信号使用。1.5数据通路数据通路的设计是TEC-4计算机组成原理实验系统最有特色的部分。首先它采用了数据总线和指令总线双总线形式，使得流水实验能够实现。它还使用了大规模在系统可编程器件作为运算器和寄存器堆，使得设计简单明了，可修改性强。数据通路位于实验系统的中部。图4是数据通路总体图，下面介绍图中各主要部件的作用。1．运算器ALU运算器ALU由一片ispLSI1024（U47）组成，在选择端S2，S1，S0控制下，对数据A和B进行加、减、与、直通、乘五种运算，功能如下：表1运算器功能表选择操作S2S1S

8、0000A&B001A&A（直通）010A＋B011A－B100A（低4位）×B（低4位）进位C只在加法运算和减法运算时产生。加运算中，C表示进位；减运算中，C代表借位。加、减运算在T4的上升沿送入C寄存器