实验指导书(王潇编)

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1、计算机组成原理实验指导书王潇编写仲恺农业工程学院计算机科学与工程学院二00八年十月第一章TEC-XP16实验计算机系统原理1§1.1TEC-XP16计算机组成原理实验系统概述1§1.2TEC-XP16机指令系统8§1.3TEC-XP16机运算器部件12§1.4TEC-XP16机内存储器部件15§1.5TEC-XP16机的控制器部件18§1.6TEC-XP16机的输入输出及中断22第二章TEC-XP16实验计算机系统实验内容24实验一基础汇编语言程序设计24实验二脱机运算器实验29实验三存储器部件教学实验32实

2、验四组合逻辑控制器部件教学实验37实验五微程序控制器部件教学实验51实验六输入/输出接口扩展实验59实验七中断实验63实验八8位模型机的设计与实现（综合实验）71M寸录74附录1联机通讯指南74附录2TEC-XP16计算机组成原理实验系统简明操作卡78附录3微程序入口地址映射表79附录4指令流程框图81附录5指令流程表83附录6书写实验报告的一般格式87参考文献88第一章TEC-XP16实验计算机系统原理§1.1TEC-XP16计算机组成原理实验系统概述一、教学计算机系统的实现方案和硬软件资源概述TEC-XP

3、是由清华大学计算机系和清华大学科教仪器厂联合研制的适用于计算机组成原理课程的实验系统，主要用于计算机组成原理和数字电路等的硬件教学实验，同时还支持监控程序、汇编语言程序设计、BASIC高级语言程序设计等软件方面的教学实验。它的功能设计和实现技术，都紧紧地围绕着对课程教学内容的覆盖程度和所能完成的教学实验项冃的质量与水平來进行安排。其突出特点是硬、软件基本配置比较完整，能覆盖相关课程主要教学内容，支持的教学实验项日多且水平高。其组成和实现的功能如图1.1.1所示。软件：解释BASIC语言汇编语言支持监控程序硬件

4、：运算器，控制器（多种实现）（微程序或硬布线控制器）主存储器，总线，接口输入设备，输出设备硬件与电路：逻辑器件和设备图1.1.1硬件实现的实际计算机系统图从图1.1」可以看到，该计算机硬件系统组成中，功能部件是完整齐备的，运算器、控制器、存储器、输入输出接口、计算机总线等配备齐全，还可以接通PC机仿真终端执行输入输出操作，同吋实现了微程序方案的和硬连线方案的2种控制器。从计算机组成原理课程教学需求的角度看，该计算机软件系统的组成也是完整的，支持简单的高级语言（包括浮点运算指令和基本函数运算功能），汇编语言（支

5、持基本伪指令功能）和二进制的机器语言，配有自己的监控程序，以及PC机仿真终端程序等。二、教学计算机指令系统的设计目标和指令格式合理地确定一台计算机的指令系统，无论对计算机厂家还是对最终用户来说都是十分重要的事情，它密切关系到计算机设计与实现的复杂程度和生产成本，计算机使用的难易程度和运行效率。对主要用于教学和教学实验目的的计算机，特别是对于一台16位字长的教学计算机来说，确定其指令系统，更多地应关注它在教学过程中的作用和使用方法，至少应解决好以下儿个问题：1、指令格式和功能的典型性，即选择DLX指令集结构，适

6、当靠拢RISC机的指令格式，包括尽可能小的指令集，简化的寻址方式。这样做不仅可以简化教学计算机的结构，实现简单，易于实现指令流水，重要的是选用有良好典型性的指令格式和功能，讲课时更容易完整地讲解清楚这套指令系统和控制器设计，有利于教学内容的整体安排。2、指令系统要有一定的完备程度，给出的指令格式适当规范，指令分类合理，指令执行步骤容易理解，符合人们通常的编程使用习惯，有较好的易学易用性，确保选用这套指令系统，能方便地设计教学计算机的配套软件。3、更高的可扩充性，即为学生添加各种新的指令留下比较充足的余地，为此

7、可以把完整系统中的指令划分为必备的基本指令（由设计者实现）和待扩展的保留指令（由学生设计实现）2大类；在扩展新的指令时，实现手段要适当简单，但要有比较多的设计内容和选择余地，以便更好地培养学生的创新意识和开创能力，有利于深化教学内容。4、符合教学计算机的特定要求。对16位字长的计算机，指令的操作码部分可以选择为固定长度；再结合我们所选用的运算器器件Am2901芯片内含16个通用寄存器的特点，寄存器寻址方式需要使用4位的形式地址。如果需要，还可以指定16个累加器中的几个为专用的寄存器，以便最大程度地简化教学机硬

8、件组成，简化指令执行流程设计。遵照上述思路，最终确定了教学计算机的指令格式，如图1.1.2所示。这套指令系统支持单字指令和双字指令，第一个指令字的高8位是指令操作码字段，低8位和双字指令的第二个指令字是操作数地址字段，分别有3种用法。8位4位4位操作码DRSRIO端口地址/相对偏移量立即数/直接内存地址/变址偏移量图1.1.2教学机的指令格式8位指令操作码（记作“IR15〜IR8”），各位的含义如下