计算机组成原理实验指导书

TEC-XP16计算机组成原理系统教师实验指导书清华大学科教仪器厂清华大学计算机系2007年4月I目录第一章TEC-XP16计算机组成原理实验系统概述---------------------11．TEC-XP16教学计算机系统概述-----------------------------------------------------------11．1TEC-XP16教学计算机系统系列和总体组成概述--------------------------------------11．2TEC-XP16教学计算机的指令系统设计-------------------------------------------------21．3TEC-XP16教学计算机的结构和组成设计-----------------------------------31．4教学计算机的硬件实现技术----------------------------------------------31．5软件模拟实现的教学计算机系统------------------------------------------41．6教学计算机在教学过程中的作用------------------------------------------51．7基本实验项目设置---------------------------------------------------------------------------------71．8其他实验项目---------------------------------------------------------------------------------------8第二章实验指导----------------------------------------------------------102.1基础汇编语言程序设计-----------------------------------------------------------102.2数字电路实验-----------------------------------------------------------------------222.3脱机运算器实验--------------------------------------------------------------------232.4组合逻辑控制器部件教学实验--------------------------------------------------252.5存储器部件教学实验--------------------------------------------------------------362.6I/O口扩展实验---------------------------------------------------------------------402.7中断实验-----------------------------------------------------------------------------432.8微程序控制器部件教学实验-----------------------------------------------------502.7.1技术资料汇总--------------------------------------------------------------------502.7.2微程序控制器实验-----------------------------------------------------------------572.9BASIC语言程序设计--------------------------------------------------------------681第一章TEC-XP16计算机组成原理实验系统概述1．TEC-XP16教学计算机系统概述1.1TEC-XP16教学计算机系统系列和总体组成概述TEC-XP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目的质量与水平来进行安排。其突出特点有二，一是硬、软件基本配置比较完整，能覆盖相关课程主要教学内容，支持的教学实验项目多且水平高，文字与图纸资料相对齐全。二是既有用不同集成度的半导体器件实现的真实“硬件”计算机系统，同时还有在PC计算机上用软件实现的功能完全相同的教学计算机的“软件”模拟系统，其组成和实现的功能如下图所示。软件：解释BASIC语言汇编语言支持监控程序硬件：运算器，控制器（多种实现：（微程序或硬布线控制器，中小规模器件或FPGA器件实现）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硬件实现的实际计算机系统图1.2软件实现的模拟计算机系统从图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、计算机总线、输入输出接口等配备齐全，还可以接通PC机仿真终端执行输入输出操作，同时实现了微程序方案的和硬布线方案的2种控制器。另外设置了扩展实验区，可以完成系列数字电路的实验，包括组合逻辑电路实验和时序电路实验。从计算机组成原理课程教学实验的角度看，该计算机软件系统组成也是完整的，支持简单的高级语言BASIC（包括浮点运算指令和基本函数运算功能），汇编语言（支持基本伪指令功能）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。毫无疑问，全部软件的源程序代码是宝贵的教学参考资料。从图1.2可以看到，软件实现的计算机指令级模拟系统，可以使实验人员脱离实际的教学计算机系统，在PC机上执行教学计算机软件系统的全部功能；微程序和硬连线这一级别的模拟软件，可以通过PC机屏幕查看在教学计算机内部数据、指令的流动过程，并显示每一步的运行结果，为设计、调试教学机新的软件或硬件功能提供重要的辅助作用。软件：解释BASIC语言汇编语言支持监控程序（指令）级模拟教学机模拟：运算器、控制器模拟(微程序级或硬布线控制器级模拟)主存储器模拟，总线、接口模拟输入设备/输出设备模拟运行环境：PC机，Windows系统2值得一提的还研制了控制器（微程序或硬连线方案）辅助设计软件，同学可以在PC机上使用该软件直接设计该计算机的控制器，包括定义指令格式和编码，划分指令执行步骤和每一步的操作功能，确定控制器需要提供的全部控制信号等全部过程，最后会自动生成能装入教学计算机硬件系统中实际应用的最终结果文件。接下来还可以选用微程序级的模拟软件系统，或者硬布线控制器级的模拟软件系统，对经过辅助设计软件得到的设计结果进行模拟运行，计算机屏幕上会详细显示每一步的运行结果，做到尽早地发现问题。由于在执行上述的控制器设计和模拟运行的整个过程中，都是在PC机上完成的，脱离实际的教学机系统，工作更方便，效率更高，对节省学时、帮助同学加深对控制器组成、设计等方面的理解深度也有益处。1.2TEC-XP16教学计算机的指令系统设计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，至少应解决好以下几个问题。（1）指令格式和功能的典型性，即选择DLX指令集结构，适当靠拢RISC机的指令格式，做到尽可能小的指令集，简化的寻址方式。这样做不仅使教学计算机的结构简化，实现简单，易于实现指令流水。做到指令格式和功能有良好的典型性，同学更容易接受，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，也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。总之，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，为此可以把完整的系统中指令划分为必备的（约30条）基本指令（设计者已经实现）和待扩展的（约20条）保留指令（留给学生设计实现）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系统的具体组成和指令格式。指令格式如图1.3所示。从图中可以看到，指令中包括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DRSR操作码IO端口地址/相对偏移量立即数/直接内存地址/变址偏移量图1.3教学机的指令格式38位指令操作码（记作“IR15~IR8”），各位的含义如下：IR15、IR14用于区分指令组：0×表示A组，10表示B组，11表示C、D组；IR13用于区分基本指令和扩展指令：0表示基本指令，1表示扩展指令；IR12用于简化控制器的实现，暂定该位的值为0；IR11~IR8用于区分同一指令组中的不同指令（最多16条）；IR11还用于区分C、D组指令（每组最多8条）：0表示C组，1表示D组。第一个指令字中的操作数地址字段可以给出：4位的通用寄存器编号（DR代表目的寄存器，SR代表源寄存器），8位的IO端口地址，8位的相对变址偏移量。第二个指令字用于给出16位的立即数，16位的直接内存地址，或者16位的变址偏移量。1.3TEC-XP16教学计算机的结构和组成设计作为教学和教学实验使用的计算机，其结构和组成设计要比较好地体现出尽可能多的主要教学内容，包括功能部件划分清晰，设计合理，它们之间连接关系适当规范等。在选用中小规模集成度器件实现的CPU系统中，运算器部件设计选用了位片结构的4位长度的运算器芯片，内含功能比较合理的ALU，双端口控制读出、单端口控制写入的16个累加器，和完成乘除法运算的乘商寄存器等功能部件，从功能和组成两个方面都比较好地体现了运算器部件的教学内容。在控制器部件设计中，同时实现了微程序的和硬布线的两种控制器，通过一个开关简单地完成两种控制器之间的切换。讲课过程中，以一种控制器方案为主，对控制器的组成与设计技术讲明讲透，再用少量学时顺便介绍另外一种控制器方案，有利于比较两种控制器的异同之处和各自的优缺点，可以取得事半功倍的教学效果。设计指令执行步骤时，为了突出基本原理和减少器件数量，指令被设计为串行执行，即下一条指令必须在当前指令完全结束后才能开始。在教学计算机存储器部件设计中，出于简化和容易实现的目的，选用静态存储器芯片实现内存储器系统，包括了唯读存储区（ROM，存放监控程序等）和随读写存储区（RAM）两部分。在教学计算机总线部件设计中，实现了单总线结构，数据总线、地址总线和控制总线比较简单，保证教学机的正常运行并体现出总线设计的基本原理。关于计算机中的接口线路，教学计算机提供了2路串行接口（INTEL8251），可以接入PC机作为教学计算机的仿真终端完成输入输出操作；作为扩展实验内容，也可以通过在一个40芯的器件插座上插上其他