计算机组成原理实验 指导书.doc

TEC-4计算机组成原理实验系统 TEC-4计算机组成原理实验系统由北京邮电大学计算机学院、清华大学同方教学仪器设备公司、深圳拓普威电子技术有限公司联合研制。它是一个8位的计算机模型实验仪器，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。 一、TEC-4计算机组成原理实验系统特点 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，能够实现指令级流水控制。 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非流水两种方案。 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，可靠性比面包板提高5倍。 图1 TEC-4计算机组成原理实验系统 二、TEC-4计算机组成原理实验系统的组成 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。 三、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。 四、时序发生器 时序发生器产生计算机模型所需的时序。时序电路由一个1MHz晶体震荡器、2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2 基本时序图 图中，MF是晶体震荡器产生的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既供微程序控制器使用，也供硬联线控制器使用。W1，W2，W3，W4只供硬联线控制器作节拍电位信号使用。 五、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3是数据通路总体图，下面介绍图中各主要部件的作用。 ALU ALU DR1 DR2 MUX1 MUX2 RF ER M1 M2 S2 S1 S0 T4 RS1、RS0 WR1、WR0 RD1、RD0 WRD(T2) SW_BUS# LDER(T4) AR2 MUX3 AR1 RAM 数据端口 指令端口 CER CEL# LRW(T3) LDAR2(T2) M3 LDAR1(T4) AR1_INC IAR IAR_BUS# LDIAR PC ALU2 R4 MUX4 LDR4(T2) M4 IR LDIR(T4) C、INTQ RS1、RS0 控制器 INS DBUS C 控 制 信 号 LDPC(T4) RD1、RD0 WR1、WR0 . . . LDDR2(T3) DBUS DBUS LDDR1(T3) RS_BUS# ALU_BUS SW0— SW7 图3 数据通路总体图 B端口 A端口 PC_ADD A端口 B端口 PC_INC 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 S2 S1 S0 0 0 0 A B 0 0 1 A A(直通) 0 1 0 A+B 0 1 1 A-B 1 0 0 A（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寄存器保存。与、乘、直通操作不影