(完整版)《计算机组成原理》实验指导书
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《计算机组成原理》
实验指导书
目 录
第一部分 EL-JY-II计算机组成原理实验系统简介…………………… 1
第二部分 使用说明及要求 ……………………………………………… 5
实验一 运算器实验 ..………………………………………………… 12
实验二 移位运算实验 ….…………………………………………… 24
实验三 存储器实验和数据通路实验 ………………………………… 29
实验四 微程序控制器的组成与实现实验 …………………………… 36
实验五 微程序设计实验 ……………………………………………… 45
实验六、 简单实验计算机组成与程序运行实验 ……………………… 53
实验七、 带移位运算实验计算机组成与程序运行实验 ………………… 65
实验八、 复杂实验计算机组成与程序运行实验 ………………………… 77
实验九、 实验计算机的I/O实验 ……………………………………… 93
实验十、 总线控制实验 (选做)…………………………………………… 103
实验十一、可重构原理计算机组成实验(选做)……………………………… 105
实验十二、简单中断处理实验(选做)………………………………………… 110
实验十三、基于重叠和流水线技术的CPU结构实验(选做)……………… 116
实验十四、RISC模型机实验(选做) ……………………………………… 122
第一部分 EL-JY-Ⅱ计算机组成原理实验系统简介
EL-JY-Ⅱ型计算机组成原理实验系统是为计算机组成原理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。
一、基本特点：
1、 本系统采用了新颖开放的电路结构：
（1）、在系统的总体构造形式上，采用“基板+ CPU板”的形式，将系统的公共部分，如数据的输入、输出、显示单片机控制及与PC机通讯等电路放置在基板上，它兼容8位机和16位机，将微程序控制器、运算器、各种寄存器、译码器等电路放在CPU板上，而CPU板分为两种：8位和16位，它们都与基板兼容，同一套系统通过更换不同的CPU板即可完成8位机或16位机的实验，用户可根据需要分别选用8位的CPU板来构成8位计算机实验系统或选用16位的CPU板来构成16位计算机实验系统；也可同时选用8位和16位的CPU板，这样就可用比一套略多的费用而拥有两套计算机实验系统，且使用时仅需更换CPU板，而不需做任何其它的变动或连接，使用十分方便。
（2）、本系统提供有面包板和CPLD实验板（可选），学生能自己设计实验内容，达到开拓思维，提高创新和设计能力的目的。
2、 本系统上安装有63个拨动开关、4个按钮开关和65个发光二极管，既可在单片机的控制下进行编程和显示，完成实验，也可与PC机联机使用，可在PC机上进行编程、传送、装载程序、调试和运行等操作；还可以手动的方式完成全部的实验，并具备单步执行一条微指令、单步执行一条机器指令、连续运行程序、联机打印等功能，几种操作方式可按需要任意选择一种使用，切换方便。
3、 控制器采用微程序方案，支持动态微程序设计，微程序指令的格式及定义均可由用户自行设计并装入由EEPROM构成的控存中。
4、 在显示功能上，采用了红、黄、绿三种颜色的指示灯以及数码管多种形式的显示方法，使整个系统更加美观大方。
二、系统组成：
本系统由两大部分组成：
1、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
9）电源电路
10）CPLD实验板（选件）
11）自由实验区（面包板）
2．CPU板：
本板分为8位机和16位机两种，除数据总线和地址总线分别为8位和16位以外，都包括以下几个部分：
1） 微程序控制器电路
2） 运算器电路
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
三、参考实验：
1．运算器实验
2．移位控制实验
3．存储器实验及数据通路实验（选做）
4．微程序控制器实验
5．微程序设计实验
6．基本实验计算机组成与程序运行实验
7．带移位运算实验计算机的组成与程序运行实验
8．复杂实验计算机的组成与程序运行实验
9．实验计算机的I/O实验
10．PLD应用实验
四、系统布局：
系统布局分别见图1和图2。
第二部分 使用说明及要求
1． 本系统分为三种实验操作方式：
方式一：开关控制操作；
方式二：键盘控制操作；
方式三：PC机联机操作。
2．本系统采用正逻辑，即“1”代表高电平，“0”代表低电平；
3．指示灯亮表示相应信号为高电平，熄灭表示相应信号为低电平；
4．实验连线时应按如下方法：对于横排座，应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上；对于竖排座，应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上；
5．为保证实验的成功，每次实验之前均应认真阅读实验指导书，接线要按要求，确保正确无误且接触良好；
6．应严格按照实验指导书的实验步骤和先后顺序进行实验，否则有可能造成实验不成功甚至损坏芯片。
方式一：开关控制操作方式：
1．在各种控制信号中，有的是低电平有效，有的是高电平有效，请注意区别，具体可参见实验指导。
2．总线是计算机信息传输的公共通路。为保证总线信息的正确无误，总线上每次只能有一个控制信号有效，如果同时有两个或两个以上信号同时有效，会产生总线竞争而造成冲突甚至损坏芯片。故每次开始实验操作时均要先置相应控制开关电路的控制信号为“1”，高电平，对应的指示灯亮。
方式二：键盘控制操作方式：
系统通电，K4开关拨到OFF，监控指示灯（数码管，以下数码管均指监控指示灯）上滚动显示【CLASS SELECt】，在该状态下，整个键盘可用键分别为：
系统检测键：按下该键，数码管显示【CHESYS】，（即CHECK SYSTEM的缩写），进入系统自检程序，具体说明见后述说明。
实验选择键：按下该键，数码管显示【ES--__】，进入实验课题选择，具体说明见后述说明。
联机键：按下该键，系统进入与上位机通讯状态，当与计算机联机成功，数码管显示【Pc-Con】，最后显示【8】，表示联机通讯成功。
除了上述三个键有效外，其余按键系统均不响应。
1. 【系统检测】键具体操作说明：
1）. 当在监控指示灯显示【CLASS SELECt】时按下该键，显示变为【CHESYS】（CHECK SYSTEM），进入系统自检，此时，只要按下键盘上任意一键，数码管后两位就显示该键所对应的键盘编码，前四位显示对应电路的名称——8255。例如：我们按下2号键，对应的显示为【825502】，然后返回显示【CHESYS】；按下F号键，对应的显示为【82550F】，然后返回显示【CHESYS】。
2). 在系统检测状态，按下【取消】键，则退出系统检测程序。
3). 对于键盘上的【0】 号键和【1】键，除了显示其键盘编码外，还有第二功能：
【0】 键的第二功能说明：
检测所有总线（数据总线、控制总线、微控制总线）的输出功能。按下【0】号键后，监控指示灯显示【825500】后，约过0.5S，系统首先显示【UCDC00】，自动送“0“到所有总线，24位微代码显示数码管显示全0（如果其他两条总线连接有监视灯，也显示全0）；此时，系统等待按【确认】键。当按下【确认】键后，数码管显示变为【UCDCFF】，系统自动送所有总线FF，24位微代码显示数码管显示全1（如果其他两条总线连接有监视灯，也显示全1），此时系统等待按【取消】键退出该项功能检测。
在总线输出【00】和【FF】的时候，通过观察总线上的状态显示灯即可知道哪一组总线上的哪一位出错。
【1】 键的第二功能说明：
检测所有总线（数据总线、控制总线、微控制总线）的输入功能。按下【1】号键后，显示【825501】后，系统等待按【确认】键，按下【确认】键后，系统显示【UC0PPP】，此时需把K4从“OFF”状态拨向“ON”状态，把开关MS1~MS24拨为全0，再次按下“确认”键，系统读入微控总线的第0组（第一个8位）的全0，如果总线出错，读入哪一个为1，在数码管上就位显示对应的错误位号（如果第一个（低）8位的第0位出错，则显示【UC00Er】，表示微控总线的第0组的第0位出错，UC后的第1个0表示第0组微控总线，第2个0表示第0位），如果完全正确，显示【UC0Cor】，约过1S，显示变为【UC1PPP】，按下【确认】键，系统检测微控总线的第1组（第二个8位）的全0，如果完全正确，显示【UC1Cor】，若有哪一位有错误，错误信息的显示与第一组显示相同；在显示【UC1Cor】后约1S，显示为【UC2PPP】，按下【确认】键，系统检测微控总线的第2组（第二个8位）的全0，如果完全正确，显示【UC2Cor】，若有哪一位有错误，错误信息显示的与第一组显示相同；当三组全检测完毕，显示变为【CHEEND】（CHECK END），约1S后，显示【OFF】，此时把K4开关拨回到OFF，则又回到系统检测最开始部分。
2. 【实验选择】键具体操作说明：
当显示【CLASS SELECt】时按下该键，数码管显示变为【ES--__】，系统打开键盘，等待通过数字键盘输入实验课题代码，输入相应的课题代码后，按【确认】键进入该实验，在输入的过程中，可通过按【取消】键修改输入，在显示【ES--__】状态
