计算机组成原理实验课件

计算机组织结构实验谭乐婷西华师范大学计算机学院实验项目安排（实验楼402室）序号时间实验项目名称学时要求类型09060050-17(10.20)系统认识实验4必做验证09060050-29(11.3)8位算术逻辑运算实验4必做验证09060050-311(11.17)微程序控制器实验4必做设计09060050-413(12.1)静态存储器实验4必做验证09060050-514(12.8)基本模型机设计与实现4必做综合09060050-615(12.15)复杂模型机的设计与实现4必做综合09060050-616(12.22)机动4实验一系统认识实验一．实验目的1．搭建并操作一个最基本的模型计算机。2．建立对计算机组成及其原理的基本认识。二．实验设备1．TDN-CM+教学实验系统一套。2．PC微机一台。三．实验原理1．一台简单模型计算机的结构为了更好地理解计算机的各组成部件是如何相互配合进行工作的，我们将设计一个最基本的模型计算机。将算术逻辑运算单元、控制器、寄存器、内部总线等部件搭接起来构成一个CPU，然后再加上存储器、输入设备、输出设备即构成一台完整的模型计算机。其逻辑框图如下所示。算术逻辑运算单元工作暂存器通用寄存器地址寄存器程序计数器时序发生器指令寄存器微程序控制器程序存储器输出设备输入设备2．模型计算机的程序本实验设计了四条指令，构成了此模型计算机的指令系统，即：应用该指令系统可以编写一段反映计算机操作的指令序列，它们就构成了所谓的计算机程序，并将其以二进制存放在主存储器的连续的单元中。计算机通过连续运行该段程序，就可以解决各种复杂的计算或是控制问题。3．微程序Microprogram为实现以上计算机程序的操作，控制器对应于每一条机器指令都需要进行一系列的微操作来完成该机器指令的操作。一个微操作则对应一条微指令，则一条机器指令的操作就需要一系列微指令来完成。机器指令对应的微操作四．实验步骤1．构造一台模型计算机首先，在教学实验系统中使用连接导线（排线）将模型计算机的各个部件连接在一起，构成一台完整的模型计算机。连接图中凡是标有小圆圈的连线都是需要连接导线的，而未标小圆圈的连线是系统已经连接好的。连接完成后，请仔细检查，以保证连接的正确性。具体连线方式如图所示。存储器输入设备输出设备微控器运算器2．编写一段简单的程序，来说明计算机工作的过程。这个程序要执行的功能是：1）由输入设备向CPU的通用寄存器R0中输入一个数。2）将输入的数值与程序中的一个立即数相加。3）将运算结果输出到输出设备上进行显示。4）跳转返回到执行第一条指令的状态和位置。完成以上指令操作的程序内容如下表所示。计算机操作程序3．模型机操作前的准备工作使用通讯电缆将实验系统的串行接口与PC微机的串行接口相连接，并将实验系统的电源线接到电源插座中。然后启动PC微机，进入Windows系统，安装本设备提供的应用软件CMPP。（安装方法及软件使用可见用户手册）。PC机和实验系统通过通讯电缆用串行口连接方式如图所示。4．模型计算机的运行操作1）打开实验系统的电源开关，运行CMPP软件。若联机正常后，将显示如图所示界面。指令区输出区图形区指令区：分为两部分，即机器指令区和微指令区，在指令区的下方有两个Tab按钮，可以通过按钮在两者之间来回切换。机器指令区：分为两列，第一列为下位机主存地址（00—FF，共256个单元），第二列为每一地址中所对应的数值。数据修改：可以直接修改指定单元的内容，方法是用鼠标单击要修改单元的数据，此单元格会变成一个编辑框，等待输入，该编辑框只接收两位合法的16进制数（请注意：非16进制数不认），如果输入正确，则按回车键确认，或用鼠标点击别的区域，这样就完成了修改工作。结束修改：可以按下ESC键，编辑框就会自动消失,恢复显示原来的值。一旦编辑框出现，可以通过上下键让编辑框上下移动，从而选中需要修改的地址单元。如果输入不正确，如输入少于2个字符，则不进行修改。微指令区：分为两列，第一列为下位机微控器地址（00—3F，共64个单元），第二列为每一地址中所对应的微指令，共6字节，对应微控器的微指令24位。微指令修改：可以直接修改指定单元的内容，方法是用鼠标单击要修改单元的数据，此单元格会变成一个编辑框，等待输入，该编辑框只接收6位合法的16进制数（请注意：非16进制数不认），如果输入正确，可以按回车键确认，或用鼠标点击别的区域，这样就完成了修改工作。结束修改：可以按下ESC键，编辑框就会自动消失。一旦编辑框出现，可以通过上下键让编辑框上下移动，从而选中需要修改的地址单元。如果输入不正确，如输入少于6个字符，则不进行修改。输出区：分为三页：输出页、测试页和结果页。输出页：在打开复杂模型机数据通路图或重叠模型机数据通路图，并运行程序时用来显示下条将要执行的24位微码及其微地址，这是和下位机一起实时变动的。测试页：在进行复杂模型机系统测试时提供信息。显示当前下位机正在测试的单元及测试结果。结果页：基本上是一个公共区域，用来显示一些提示信息或一些错误信息，如RISC模型机中，如果上位机检测到下位机运行有误，就会在这一区域加以显示，保存或装载程序时也会在这一区域提供一些提示信息。图形区：这一区域是您操作的主要区域，可以在此区域编辑相应的指令，可以显示各个模型机的数据通路图，可以打开示波器界面等。CPMM软件简介文件菜单项：文件菜单提供了以下命令：新建：建立一个新文档。打开：打开一个现存文档。关闭：关闭一个打开的文档。保存：用同样的文件名保存一个打开的文档。另存为：用指定的文件名保存一个打开的文档。打印：打印一个文档。打印预览：在屏幕上按被打印出的格式显示文档。打印设置：选择一个打印机以及打印机连接。退出：退出CMPP。辑菜单项：编辑菜单提供了以下命令：撤消：撤消先前的编辑操作。剪切：从文档中删除数据并将其移到剪贴板上。复制：从文档中将数据复制到剪贴板上。粘贴：从剪贴板上将数据粘贴到文档中。查看菜单项：查看菜单提供了以下命令：工具栏显示或隐藏工具栏。状态栏显示或隐藏状态栏。端口菜单项：端口菜单提供了以下命令：端口1：选择1号串口进行联机。端口2：选择2号串口进行联机。端口测试：对当前选择的串口进行联机测试。端口选择：对串口进行初始化操作，并进行联机测试，报告测试结果，如果联机成功，则会将指令区初始化。端口测试：对当前选择的串口进行联机通讯测试，并报告测试结果，只测一次，如果联机成功，则会将指令区初始化。5．转储菜单项：转储菜单提供了以下命令：保存：将下位机中指令数据保存到上位机。装载：将上位机中指令数据装载到下位机。①．保存（S）：此命令将下位机中（主存，微控器）的数据保存到上位机中，您选择该命令会弹出一个保存对话框，如右图所示：机器指令格式为：$P00FF,“$”为标记号，“P”代表机器指令，“00”为机器指令的地址，“FF”为该地址中的数据。微指令格式为：$M00AA77FF,“$”为标记号，“M”代表微指令，“00”为机器指令的地址，“AA77FF”为该地址中的数据。②．装载（L）：此命令将上位机指定文件中的数据装载到下位机中，您选择该命令会弹出一个打开文件对话框，如下图：6．运行菜单项：运行菜单提供了以下命令：通路图：选择适当的数据通路图。单节拍：单节拍调试。单周期：单周期调试。单步微指令：单步微指令调试。单步机器指令：单步机器指令调试。连续：连续运行。停止：停止运行。退出单节拍：退出单节拍运行模式。流动速度：对数据通路图中数据的流动速度进行调节。7．波形菜单项：波形菜单提供了以下命令：启动：启动示波器。放大：放大波形。缩小：缩小波形。暂停：暂停波形数据采集。继续：继续采集波形数据。左移：使游标左移一个单位。右移：使游标右移一个单位。快速左移：使游标左移五个单位。快速右移：使游标右移五个单位。8．测试菜单项：测试菜单提供了以下命令。开始：开始启动系统测试。如果启动的是复杂模型机的数据通路图，此命令可以启动系统测试，系统测试将会逐单元地测试复杂模型机系统，并报告测试结果。停止：停止系统测试。9．窗口菜单项：窗口菜单提供了以下命令。这些命令使您能在应用程序窗口中安排多个文档的多个视图：新建窗口：建立一个查看同样文档的新窗口。层叠：按重叠方式安排窗口。平铺：按互不重叠平铺方式安排窗口。安排图标：安排已关闭窗口的图标。10．帮助菜单项：帮助菜单提供以下的命令，为您提供使用这个应用程序的帮助：帮助主题：提供可从其得到帮助的主题索引。关于：显示这个应用程序的版本号。11．关于自定义功能介绍系统为您提供了方便的快捷键设置方式，可以通过自定义的方法定做自己的操作界面。自定义设置是一个对话框，此对话框上有几个属性页，分别为：命令、工具栏、键盘、菜单、选项等。2）未联机正常，也可以进入软件界面，但是所有的菜单里的功能全是灰色不可用（除“文件”及“端口”菜单），且指令区窗口中的数据也全以星号显示。本软件的默认串口为1号串口，若通讯电缆连接到2号串口上，可进入“【端口】”菜单，选择2号串口，然后进行“【端口】-【端口测试】”，若还不正常，请确保打开系统电源及检查通讯电缆的连接。具体排除故障见《使用手册》。EX.TXT：计算机系统认识实验机器指令及微指令EX1.TXT：简单模型机实验机器指令及微指令EX2.TXT：带进位移位模型机实验机器指令及微指令EX3.TXT：复杂模型机实验机器指令及微指令8255.TXT：扩展8255实验机器指令及微指令8253.TXT：扩展8253实验机器指令及微指令8259.TXT：具有中断处理功能模型机实验机器指令及微指令RISC.TXT：基于RISC处理器构成的模型机机器指令CHD.TXT：基于重叠技术构成的模型机实验机器指令及微指令LSH.TXT：基于流水技术构成的模型机实验机器指令实验程序清单：在安装程序后，系统会将实验指导书中的实验程序对应的存盘文件拷贝到安装目录下\CMPP\Sample目录中，其对应文件分别为：3）进入“【转储】--【转载】”，选择系统软件安装时在\CMPP\SAMPLE目录下的一个例程EX.TXT,点击“打开”后即进行装载。此文件包含有上述设计的模型机要执行的机器指令程序及定义该机器指令系统的微程序。可从“【文件】—【打开】”来打开此文件，可查看模型计算机操作的程序及其微程序。其内容为：机器指令：$P0000$P0110$P0208$P0320$P0430$P0500微指令：$M00018001$M0101ED82$M0200C048$M0300B004$M0401A205$M05959A01$M0600D181$M08001001$M0901ED83$M0A070201$M0B01ED864）装载完成后，选择“【运行】-【通路图】-【复杂模型机】”可打开一个对应的数据通路图，如图所示：5）在执行指令之前，要将实验系统右下角的CLR清零开关向上拨到0位再拨回1位，以将程序计数器和微地址寄存器清为零，使得程序可从零地址开始运行。选择“【运行】－【单步微指令】”功能，每按动一次，系统运行一条微指令并在界面中显示动态数据流及微地址等的变化，仔细观察运行过程，则可了解并掌握计算机的工作过程。6）每按动一次“【运行】—【单步机器指令】”，则单步执行一条机器指令。一条机器指令对应一段微程序，每执行一条微指令时，计算机同时显示数据流，执行完这条机器指令对应的所有微指令后则自动停止。此时可以再继续单步执行下一条机器指令。当模型计算机执行完一条指令后，PC微机则根据指令的执行过程，在屏幕上显示出其数据流，图中各部件的有效控制信号则用高亮显示，并将下一条微指令代码显示在下方。这样就可以形象地看到一条指令的执行过程。“【运行】—【单步微指令】”的功能是单步执行一条微指令，同时显示其数据流。“【运行】—【连续运行】”，则连续运行全部程序，同时连续显示整个数据流。当按动“【运行】—【停止】”时才会停止执行，但不是立即停止，只有当一条机器指令运行完后才会停止。7）单步执行机器指令，并对照计算机操作程序表，观察对应一条机器指令的一系列微