2012計算機組成原理實驗指導(dǎo)書

1、 計算機組成原理實驗指導(dǎo)書 安陽工學(xué)院目錄第一章 TEC-XP計算機組成原理實驗系統(tǒng)概述-11.1 TEC-XP教學(xué)計算機系統(tǒng)系列和總體組成概述-11.2 TEC-XP教學(xué)計算機的指令系統(tǒng)設(shè)計-21.3 TEC-XP教學(xué)計算機的結(jié)構(gòu)和組成設(shè)計-31.4 基本實驗項目設(shè)置-31.5 其他實驗項目-5第二章 實驗指導(dǎo)-72.1 基礎(chǔ)匯編語言程序設(shè)計-72.2 脫機運算器實驗-162.3 組合邏輯控制器部件教學(xué)實驗-182.4 存儲器部件教學(xué)實驗-272.5 I/O口擴展實驗-312.6 中斷實驗-342.7 微程序控制器部件教學(xué)實驗-40 2.7.1 技術(shù)資料匯總-402.7.2 微程序控制器實驗

2、-472.8 BASIC語言程序設(shè)計-592.9 FPGA芯片實現(xiàn)非流水線的CPU系統(tǒng)-63第一章 TEC-XP計算機組成原理實驗系統(tǒng)概述1.1 TEC-XP教學(xué)計算機系統(tǒng)系列和總體組成概述TEC-XP是適用于計算機組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實驗系統(tǒng)，主要用于計算機組成原理和計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等課程的硬件教學(xué)實驗，同時還支持監(jiān)控程序、匯編語言程序設(shè)計、BASIC高級語言程序設(shè)計等軟件方面的教學(xué)實驗。它的功能設(shè)計和實現(xiàn)技術(shù)，都緊緊地圍繞著對課程教學(xué)內(nèi)容的覆蓋程度和所能完成的教學(xué)實驗項目的質(zhì)量與水平來進行安排。其突出特點有二，一是硬、軟件基本配置比較完整，能覆蓋相關(guān)課程主要教學(xué)內(nèi)容，支持的教學(xué)實驗項目多且水

3、平高，文字與圖紙資料相對齊全。二是既有用不同集成度的半導(dǎo)體器件實現(xiàn)的真實“硬件”計算機系統(tǒng)，同時還有在PC計算機上用軟件實現(xiàn)的功能完全相同的教學(xué)計算機的“軟件”模擬系統(tǒng)，其組成和實現(xiàn)的功能如下圖1.1和圖1.2所示。 軟件：解釋 BASIC 語言匯編語言支持監(jiān)控程序硬件：運算器，控制器（多種實現(xiàn)：（微程序或硬布線控制器，中小規(guī)模器件或FPGA器件實現(xiàn)）主存儲器，總線，接口輸入設(shè)備，輸出設(shè)備硬件與電路：邏輯器件和設(shè)備軟件：解釋 BASIC 語言匯編語言支持監(jiān)控程序（指令）級模擬教學(xué)機模擬：運算器、控制器模擬(微程序級或硬布線控制器級模擬)主存儲器模擬，總線、接口模擬輸入設(shè)備/ 輸出設(shè)備模擬運行環(huán)

4、境：PC機，Windows系統(tǒng)圖1.1 硬件實現(xiàn)的實際計算機系統(tǒng) 圖1.2 軟件實現(xiàn)的模擬計算機系統(tǒng)從圖1.1可以看到，該計算機硬件系統(tǒng)組成中，功能部件是完整齊備的，運算器、控制器、存儲器、計算機總線、輸入輸出接口等配備齊全，還可以接通PC機仿真終端執(zhí)行輸入輸出操作，同時實現(xiàn)了微程序方案的和硬布線方案的2種控制器。從CPU的具體設(shè)計和實現(xiàn)技術(shù)區(qū)分，既支持用中小集成度芯片實現(xiàn)CPU的方案，也支持選用高集成度的FPGA門陣列器件實現(xiàn)CPU的方案，體現(xiàn)了CPU系統(tǒng)設(shè)計的最新水平。從計算機組成原理課程教學(xué)實驗的角度看，該計算機軟件系統(tǒng)組成也是完整的，支持簡單的高級語言BASIC（包括浮點運算指令和基本

5、函數(shù)運算功能），匯編語言（支持基本偽指令功能）和二進制的機器語言，配有自己的監(jiān)控程序，以及PC機仿真終端程序等。毫無疑問，全部軟件的源程序代碼是寶貴的教學(xué)參考資料。從圖1.2可以看到，軟件實現(xiàn)的計算機指令級模擬系統(tǒng)，可以使實驗人員脫離實際的教學(xué)計算機系統(tǒng)，在PC機上執(zhí)行教學(xué)計算機軟件系統(tǒng)的全部功能；微程序和硬連線這一級別的模擬軟件，可以通過PC機屏幕查看在教學(xué)計算機內(nèi)部數(shù)據(jù)、指令的流動過程，并顯示每一步的運行結(jié)果，為設(shè)計、調(diào)試教學(xué)機新的軟件或硬件功能提供重要的輔助作用。該系統(tǒng)還有控制器（微程序或硬連線方案）輔助設(shè)計軟件，同學(xué)可以在PC機上使用該軟件直接設(shè)計該計算機的控制器，包括定義指令格式和編

6、碼，劃分指令執(zhí)行步驟和每一步的操作功能，確定控制器需要提供的全部控制信號等全部過程，最后會自動生成能裝入教學(xué)計算機硬件系統(tǒng)中實際應(yīng)用的最終結(jié)果文件。接下來還可以選用微程序級的模擬軟件系統(tǒng)，或者硬布線控制器級的模擬軟件系統(tǒng)，對經(jīng)過輔助設(shè)計軟件得到的設(shè)計結(jié)果進行模擬運行，計算機屏幕上會詳細顯示每一步的運行結(jié)果，做到盡早地發(fā)現(xiàn)問題。由于在執(zhí)行上述的控制器設(shè)計和模擬運行的整個過程中，都是在PC機上完成的，脫離實際的教學(xué)機系統(tǒng)，工作更方便，效率更高，對節(jié)省學(xué)時、幫助同學(xué)加深對控制器組成、設(shè)計等方面的理解深度也有益處。1.2 TEC-XP教學(xué)計算機的指令系統(tǒng)設(shè)計合理地確定一臺計算機的指令系統(tǒng)，無論對計算機

7、廠家還是對最終用戶來說都是十分重要的事情，它密切關(guān)系到計算機設(shè)計與實現(xiàn)的復(fù)雜程度和生產(chǎn)成本，計算機使用的難易程度和運行效率。對主要用于教學(xué)和教學(xué)實驗?zāi)康牡挠嬎銠C，特別是對于一臺16位字長的教學(xué)計算機來說，確定其指令系統(tǒng)，更多地應(yīng)關(guān)注它在教學(xué)過程中的作用和使用方法，至少應(yīng)解決好以下幾個問題。（1）指令格式和功能的典型性，即選擇DLX指令集結(jié)構(gòu)，適當(dāng)靠攏RISC機的指令格式，做到盡可能小的指令集，簡化的尋址方式。這樣做不僅使教學(xué)計算機的結(jié)構(gòu)簡化，實現(xiàn)簡單，易于實現(xiàn)指令流水。做到指令格式和功能有良好的典型性，同學(xué)更容易接受，講課時更容易完整地講解清楚這套指令系統(tǒng)和控制器設(shè)計，也有利于教學(xué)內(nèi)容的整體安

8、排。（2）指令系統(tǒng)要有一定的完備程度，給出的指令格式適當(dāng)規(guī)范，指令分類合理，指令執(zhí)行步驟容易理解，符合人們通常的編程使用習(xí)慣?？傊休^好的易學(xué)易用性。確保選用這套指令系統(tǒng)，能方便地設(shè)計教學(xué)計算機的配套軟件。 （3）更高的可擴充性，即為學(xué)生添加各種新的指令留下比較充足的余地，為此可以把完整的系統(tǒng)中指令劃分為必備的（約30條）基本指令（設(shè)計者已經(jīng)實現(xiàn)）和待擴展的（約20條）保留指令（留給學(xué)生設(shè)計實現(xiàn)）2大類；在擴展新的指令時，實現(xiàn)手段要適當(dāng)簡單，但要有比較多的設(shè)計內(nèi)容和選擇余地，以便更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和開創(chuàng)能力，有利于深化教學(xué)內(nèi)容。（4）符合教學(xué)計算機的特定要求。對16位字長的計算機，指令

9、的操作碼部分可以選擇為固定長度；再結(jié)合我們所選用的運算器器件Am2901芯片內(nèi)含16個通用寄存器的特點，寄存器尋址方式需要使用4位的形式地址。如果需要，還可以指定16個累加器中的幾個為專用的寄存器，以便最大程度地簡化教學(xué)機硬件組成，簡化指令執(zhí)行流程設(shè)計。遵照上述思路，最終確定了教學(xué)計算機的指令系統(tǒng)的具體組成和指令格式。指令格式如圖1.3所示。從圖中可以看到，指令中包括單字指令和雙字指令，第一個指令字的高8位是指令操作碼字段，低8位和雙字指令的第二個指令字是操作數(shù)地址字段，分別有3種用法。8位 4位 4位操作碼DRSRIO端口地址 / 相對偏移量立即數(shù) / 直接內(nèi)存地址 / 變址偏移量圖1.3

10、教學(xué)機的指令格式8位指令操作碼（記作“IR15IR8”），各位的含義如下：IR15、IR14 用于區(qū)分指令組： 0表示A組，10表示B組，11表示C、D組；IR13 用于區(qū)分基本指令和擴展指令：0表示基本指令，1表示擴展指令；IR12 用于簡化控制器的實現(xiàn)，暫定該位的值為0；IR11IR8 用于區(qū)分同一指令組中的不同指令（最多16條）；IR11 還用于區(qū)分C、D組指令（每組最多8條）：0表示C組，1表示D組。第一個指令字中的操作數(shù)地址字段可以給出：4位的通用寄存器編號（DR代表目的寄存器，SR代表源寄存器），8位的IO端口地址，8位的相對變址偏移量。第二個指令字用于給出16位的立即數(shù)，16位的

11、直接內(nèi)存地址，或者16位的變址偏移量。1.3 TEC-XP教學(xué)計算機的結(jié)構(gòu)和組成設(shè)計作為教學(xué)和教學(xué)實驗使用的計算機，其結(jié)構(gòu)和組成設(shè)計要比較好地體現(xiàn)出盡可能多的主要教學(xué)內(nèi)容，包括功能部件劃分清晰，設(shè)計合理，它們之間連接關(guān)系適當(dāng)規(guī)范等。在選用中小規(guī)模集成度器件實現(xiàn)的CPU系統(tǒng)中，運算器部件設(shè)計選用了位片結(jié)構(gòu)的4位長度的運算器芯片，內(nèi)含功能比較合理的ALU，雙端口控制讀出、單端口控制寫入的16個累加器，和完成乘除法運算的乘商寄存器等功能部件，從功能和組成兩個方面都比較好地體現(xiàn)了運算器部件的教學(xué)內(nèi)容。在控制器部件設(shè)計中，同時實現(xiàn)了微程序的和硬布線的兩種控制器，通過一個開關(guān)簡單地完成兩種控制器之間的切換

12、。講課過程中，以一種控制器方案為主，對控制器的組成與設(shè)計技術(shù)講明講透，再用少量學(xué)時順便介紹另外一種控制器方案，有利于比較兩種控制器的異同之處和各自的優(yōu)缺點，可以取得事半功倍的教學(xué)效果。設(shè)計指令執(zhí)行步驟時，對選用中小規(guī)模集成電路實現(xiàn)的控制器，為了突出基本原理和減少器件數(shù)量，指令被設(shè)計為串行執(zhí)行，即下一條指令必須在當(dāng)前指令完全結(jié)束后才能開始；在選用高集成度的現(xiàn)場可編程器件FPGA實現(xiàn)的CPU系統(tǒng)中，繼承了原來的指令系統(tǒng)，既支持指令的串行執(zhí)行，也可以選用指令流水線技術(shù)實現(xiàn)指令的并行執(zhí)行，以支持真實的指令流水線的教學(xué)實驗功能。在教學(xué)計算機存儲器部件設(shè)計中，出于簡化和容易實現(xiàn)的目的，選用靜態(tài)存儲器芯片實

13、現(xiàn)內(nèi)存儲器系統(tǒng)，包括了唯讀存儲區(qū)（ROM，存放監(jiān)控程序等）和隨讀寫存儲區(qū)（RAM）兩部分，也可以實現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)分開的兩個存儲體（只用于FPGA實現(xiàn)的帶指令流水線的CPU系統(tǒng)）。適當(dāng)改進后，可以支持存儲器的多體交叉編址技術(shù)。在教學(xué)計算機總線部件設(shè)計中，實現(xiàn)了單總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線比較簡單，保證教學(xué)機的正常運行并體現(xiàn)出總線設(shè)計的基本原理。關(guān)于計算機中的接口線路，教學(xué)計算機提供了2路串行接口（INTEL 8251），可以接入PC機作為教學(xué)計算機的仿真終端完成輸入輸出操作；作為擴展實驗內(nèi)容，也可以通過在一個40芯的器件插座上插上其他標(biāo)準(zhǔn)接口線路（例如INTEL的8255、8253等）

14、并適當(dāng)接線，完成常用接口線路的輸入輸出操作。關(guān)于中斷處理，支持3級的中斷并允許中斷嵌套，可以完成常規(guī)的中斷處理能力，對中斷優(yōu)先級編碼與排隊，中斷響應(yīng)和現(xiàn)場切換等處理上特色很強。1.4 基本實驗項目設(shè)置在本節(jié)提到的實驗項目，多數(shù)是在TH-union系統(tǒng)中選用中小規(guī)模集成度器件實現(xiàn)的教學(xué)計算機上可以開設(shè)的實驗，把選用FPGA芯片實現(xiàn)的CPU構(gòu)建的教學(xué)機系統(tǒng)中支持的教學(xué)實驗項目放在第3章介紹。基本實驗是指學(xué)習(xí)計算機組成原理通?？傄瓿傻膶嶒烅椖?，解決的是學(xué)習(xí)基本原理和培養(yǎng)基本能力的問題。1. 基礎(chǔ)匯編程序設(shè)計學(xué)習(xí)使用系統(tǒng)已實現(xiàn)的29條指令和監(jiān)控程序、交叉匯編程序軟件，設(shè)計與調(diào)試由教師布置的或自己設(shè)想

15、的各種匯編程序。如有可能，可以參照系統(tǒng)提供的交叉匯編程序的源碼，學(xué)習(xí)系統(tǒng)匯編程序(Assembler)的實現(xiàn)原理與設(shè)計技術(shù)。2. 運算器部件實驗可以在運算器完全脫開主機控制的方式下，用主板上的微型開關(guān)直接控制運算器的方式來使用運算器并觀察運算結(jié)果；也可以在實驗計算機正常運行方式下，用控制器給出實驗者所設(shè)計的對運算器的控制信號來使用運算器并觀察運算結(jié)果（此時并不需要懂得控制器的運行原理）?？梢杂^察并量測運算器在串行進位方式下的進位信號的波形和延遲時間，也可以測出該運算器所允許的最高工作頻率。3. 主存儲器部件的實驗可以進行存儲器工作波形的觀察與量測，可進行靜態(tài)存儲器的容量擴展實驗，通過監(jiān)控命令或

16、自己設(shè)計的小程序向存儲器寫入數(shù)據(jù)并檢查讀寫的正確性。4. 控制器部件實驗可以做微程序方案或硬布線方案的控制器實驗。首先是通過聽課和操作實驗機，學(xué)懂已實現(xiàn)的控制器的設(shè)計原理與實現(xiàn)技術(shù)，以單指令方式、單步驟執(zhí)行方式觀察指令的運行結(jié)果和信息在計算機內(nèi)產(chǎn)生和傳送的時間、空間關(guān)系，這是更重要的實驗內(nèi)容；然后才是設(shè)計與實現(xiàn)多條自己定義的新指令，并把新老指令放在同一程序中運行，檢查結(jié)果的正確性。在微程序方案下實現(xiàn)新指令更容易，不用改動任何硬件，按規(guī)定辦法把有關(guān)新指令用到的微程序裝入控制存儲器即可。在硬連線控制器方案中，則要把新指令用到的控制邏輯與原有的基本指令的控制邏輯合并一起，經(jīng)過編譯之后再重新下載到可編

17、程的MACH器件中，略顯得復(fù)雜一點，可能要多次地改正錯誤才能得到最終的正確結(jié)果。5. 串行口輸入/輸出實驗由于本機上已給出了兩路串行接口，其中的一路的接線完全連接好，系統(tǒng)也已經(jīng)執(zhí)行了對接口芯片的初始化，可以直接用于輸入輸出操作；另外的一路的接線并未全部連通，要求實驗人員看懂圖紙并完成必要的連線操作和串行口的初始化操作后，方能用程序控制方式完成該串行接口的正常輸入/輸出操作，例如用兩臺實驗機的這一路串行口完成雙機雙向通信等實驗。作為更高要求，還可以增加少量硬件線路，實現(xiàn)在中斷方式下完成輸入/輸出操作(需在講過中斷之后進行)。還可以觀察與量測串行數(shù)據(jù)的波形，起始位、停止位、串行數(shù)據(jù)采樣時間的配合關(guān)

18、系等。6. 并行口與并行口打印機驅(qū)動的實驗可以在教學(xué)機的主板上設(shè)計并搭建諸如Intel 8255并行接口與配套邏輯電路，并用程序控制方式和中斷方式驅(qū)動并行口打印機完成打印操作。在無打印機的情況下，可用并行口在程序控制方式下或中斷方式下實現(xiàn)兩臺實驗機的雙機單向或雙機雙向通信，或在同一臺實驗機上實現(xiàn)內(nèi)存內(nèi)容搬移等實驗。這涉及硬件與軟件兩個方面知識的綜合應(yīng)用。7. 中斷及DMA實驗串行口、并行口輸入/輸出操作中，都可以有中斷方式下的輸入輸出方式，這需要適當(dāng)?shù)匦薷谋O(jiān)控程序。這里也可以專門做多級中斷、優(yōu)先級排隊及中斷嵌套的實驗。此時可用按鈕等作為中斷請求信號來源，拋開相應(yīng)設(shè)備入/出以強化中斷處理本身的份

19、量。DMA的工作方式，最簡單的實驗是在程序正常運行的同時，用DMA方式同時完成內(nèi)存內(nèi)容的搬移操作，結(jié)果的正確性便于檢查。這個實驗需用到擴展的通用接口芯片的插座，完成必要的連線，設(shè)計實驗小程序軟件等。8. 整機故障定位與排除實驗實驗機上有一些跳線夾，是用來人為設(shè)置機器故障的。教師可以通過移走一或幾個跳線，或換上有故障的器件，要求學(xué)生發(fā)現(xiàn)故障，查清故障原因并設(shè)法排除。該實驗有一定難度，但也是綜合應(yīng)用所學(xué)全部知識、完成能力訓(xùn)練的非常有效的手段，對提高分析問題與解決問題的能力會有很大幫助。此時需要確保設(shè)置的故障不會損壞教學(xué)計算機系統(tǒng)的硬件。1.5 其他實驗項目是指那些不一定是學(xué)習(xí)計算機組成原理課程必做

20、的實驗，或難度更大的實驗項目。1. 故障診斷軟件的設(shè)計與實現(xiàn)這可以在機器指令級或微體系結(jié)構(gòu)級進行。機器指令級的診斷程序用以疹斷指令與監(jiān)控程序運行的正確性，是機器出廠前例行實驗的一部分，也是實驗指導(dǎo)教師把實驗機交付學(xué)生使用之前判斷機器好壞的簡便手段?？梢宰寣W(xué)生試著設(shè)計。微體系結(jié)構(gòu)級的診斷，設(shè)計得好的話，可用來實現(xiàn)實驗機的故障診斷，非常有用，對于透徹掌握實驗機的組成與運行機制幫助巨大，但在教學(xué)機中實現(xiàn)起來有相當(dāng)?shù)碾y度。2. 用一臺正確運行的實驗機輔助調(diào)試另一臺實驗機在本實驗機的實現(xiàn)過程中，已考慮到這類實驗的需求?？梢园淹粫r鐘同時提供給兩臺實驗機，使其完全同步運行，并比較檢查兩臺實驗機內(nèi)部主要信號

21、、運行狀態(tài)及結(jié)果的一致性，并依此結(jié)果判斷是否繼續(xù)給出后續(xù)時鐘，則很容易找到待調(diào)試計算機的出錯位置。與此類似的是雙機同步運行，是檢查機器可靠性的一條捷徑。3. 實驗機的監(jiān)控程序、交叉匯編程序的修改與擴充功能的實驗。4. 擴充輸入/輸出接口、設(shè)備與驅(qū)動程序的實驗。5. 設(shè)計與實現(xiàn)一套全新指令系統(tǒng)的CPU。指令格式可以突破現(xiàn)在規(guī)定，尋址方式也可變化，以16位字長的一字或多字指令為宜。微指令格式可變，但字長在56位以下最方便。運算器也可適當(dāng)變動，用Am2901實現(xiàn)其他型號的運算器功能，或用可編程器件設(shè)計一個新的運算器均可行。例如，在這個硬件主板上設(shè)計并實現(xiàn)一個全新的8位字長的計算機系統(tǒng)，指令格式、尋址

22、方式、監(jiān)控程序等全部軟件有關(guān)的內(nèi)容完全重新設(shè)計，運算器、控制器、存儲器、總線和接口等硬件也完全重新設(shè)計，這是完全可行的，工作量是大一些，但可學(xué)內(nèi)容更豐富。對大部分院校來說，這作為學(xué)習(xí)過計算機組成原理課程之后的一個大的課程設(shè)計、甚至于是畢業(yè)設(shè)計的題目可能更合適一些。6. 軟盤驅(qū)動器的接口與驅(qū)動線路實驗設(shè)計與實現(xiàn)軟盤驅(qū)動器的接口與驅(qū)動線路，是綜合應(yīng)用有關(guān)軟件與硬件知識的途經(jīng)之一，可以在教學(xué)實驗計算機現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上，增加新的設(shè)備和操作功能，在更大程度上拓展其實驗性能。7. 使用現(xiàn)場可編程器件（GAL20V8和MACH）完成組合邏輯的或者時序邏輯的線路實驗，對于在學(xué)習(xí)本課程之前尚未學(xué)習(xí)過數(shù)字電路與邏

23、輯設(shè)計課程的學(xué)生是必要的。8. 通過使用第2路串行接口和修改監(jiān)控程序，實現(xiàn)2個用戶同時操作同一臺教學(xué)計算機的多用戶系統(tǒng)的功能。以上提出的只是教學(xué)計算機系統(tǒng)可以支持（能夠?qū)崿F(xiàn)）的、可以開設(shè)的實驗項目的思路與可行性，至于更具體地安排哪一些教學(xué)實驗項目，實驗的具體目標(biāo)、內(nèi)容、要求等將在下一節(jié)中分別詳細說明，最終還是應(yīng)該依據(jù)各個單位的教學(xué)安排和總體目標(biāo)由任課教師來具體選擇落實。 第二章 實驗指導(dǎo)2.1 基礎(chǔ)匯編語言程序設(shè)計實驗?zāi)康模? 學(xué)習(xí)和了解TEC-XP教學(xué)實驗系統(tǒng)監(jiān)控命令的用法；2 學(xué)習(xí)和了解TEC-XP教學(xué)實驗系統(tǒng)的指令系統(tǒng)；3 學(xué)習(xí)簡單的TEC-XP教學(xué)實驗系統(tǒng)匯編程序設(shè)計；實驗內(nèi)容：1 學(xué)

24、習(xí)聯(lián)機使用TEC-XP教學(xué)實驗系統(tǒng)和仿真終端軟件PCEC.2 使用監(jiān)控程序的R命令顯示/修改寄存器內(nèi)容、D命令顯示存儲器內(nèi)容、E命令修改存儲器內(nèi)容；3 使用A命令寫一小段匯編程序，U命令反匯編剛輸入的程序，用G命令連續(xù)運行該程序，用T、P命令單步運行并觀察程序單步執(zhí)行情況；實驗要求在使用該教學(xué)機之前，應(yīng)先熟悉教學(xué)機的各個組成部分，及其使用方法。實驗步驟 一實驗具體操作步驟：1 準(zhǔn)備一臺串口工作良好的PC機；2 將TEC-XP放在實驗臺上，打開實驗箱的蓋子，確定電源處于斷開狀態(tài)；3 將黑色的電源線一端接220V交流電源，另一端插在TEC-XP實驗箱的電源插座里；4 取出通訊線，將通訊線的9芯插頭

25、接在TEC-XP實驗箱上的串口“COM1”或“COM2”上，另一端接到PC機的串口上；5 將TEC-XP實驗系統(tǒng)左下方的五個黑色的控制機器運行狀態(tài)的開關(guān)置于正確的位置，在找個實驗中開關(guān)應(yīng)置為00110（連續(xù)、內(nèi)存讀指令、組合邏輯、聯(lián)機、16位），控制開關(guān)的功能在開關(guān)上、下方有標(biāo)識；開關(guān)撥向上方表示“1”，撥向下方表示“0”，“X”表示任意，其它實驗相同；6 打開電源，船形開關(guān)和5V電源指示燈亮。7 在PC機上運行PCEC16.EXE文件，根據(jù)連接的PC機的串口設(shè)置所用PC機的串口為“1”或“2”, 其它的設(shè)置一般不用改動,直接回車即可。(具體步驟附后)8 按一下“RESET”按鍵,再按一下“S

26、TART”按鍵，主機上顯示： TEC-2000 CRT MONITOR Version 1.0 April 2001 Computer Architectur Lab.， Tsinghua University Programmed by He Jia 二、實驗注意事項：1. 連接電源線和通訊線前TEC-XP實驗系統(tǒng)的電源開關(guān)一定要處于斷開狀態(tài)，否則可能會對TEC-XP實驗系統(tǒng)上的芯片和PC機的串口造成損害；2. 五個黑色控制開關(guān)的功能示意圖如下： 單步 手動置指令 組合邏輯 聯(lián)機 8位 上面 下面連續(xù) 從內(nèi)存讀指令 微程序 脫機 16位3.幾種常用的工作方式（開關(guān)撥到上方表示為1，撥到下方為

27、0；）工作方式5個撥動開關(guān)連續(xù)運行程序、組合邏輯控制器、聯(lián)機、16位機00110連續(xù)運行程序、微程序控制器、聯(lián)機、16位機00010單步、手動置指令、組合邏輯控制器、聯(lián)機、16位機11110單步、手動置指令、微程序控制器、聯(lián)機、16位機1101016位機、脫機運算器實驗1XX00三、仿真終端軟件的操作步驟：1. 在PC機上建一個文件夾TEC-XP；2. 取出配套的用戶盤，將應(yīng)用程序PCEC16拷貝到用戶機器硬盤上該文件夾里；3. 雙擊PCEC16圖標(biāo)，出現(xiàn)如圖所示的界面：4. 系統(tǒng)默認選擇串口1，用戶可根據(jù)實際情況選擇串口1或是串口2（這里的串口指的是和 TEC-XP教學(xué)實驗系統(tǒng)相連的PC機的

28、串口），按回車后出現(xiàn)如圖界面： 5. 圖中是系統(tǒng)設(shè)定的一些傳輸參數(shù)，建議用戶不要改動，直接回車。按一下“RESET”按鈕放開后再按一下“START”按鈕，出現(xiàn)界面如圖所示：6. 此時表明TEC-XP機器聯(lián)機通訊正常。四軟件操作注意事項：1 用戶在選擇串口時，選定的是PC機的串口1或串口2，而不是TEC-XP實驗系統(tǒng)上的串口。即選定的是用戶實驗時通訊線接的PC機的端口；2 如果在運行到第五步時沒有出現(xiàn)應(yīng)該出現(xiàn)的界面，用戶需要檢查是不是打開了兩個軟件界面，若是，關(guān)掉其中一個再試；3 有時若TEC-XP實驗系統(tǒng)不通訊，也可以重新啟動軟件或是重新啟動PC再試；4 在打開該應(yīng)用軟件時，其它的同樣會用到該

29、串口的應(yīng)用軟件要先關(guān)掉。五聯(lián)機通訊失敗自檢：如果上述的硬件和軟件的操作都正確，聯(lián)機卻依舊失敗，用戶可以進行如下測試：1 測試PC機的串口是否能正常工作，或是換一臺PC或換同一臺PC的另一個串口再試，在換串口時要將TEC-XP實驗系統(tǒng)斷電，換完后重新啟動實驗系統(tǒng)和軟件；2 檢查機器上的元器件插接是否正確（建議用戶對照能夠正常通訊的實驗系統(tǒng)進行詳細檢查），有沒有被學(xué)生動過，尤其是擴展內(nèi)存和擴展I/O接口時，芯片方向是否插對，片選信號有沒有連接；3 檢查相應(yīng)的短路子是否連接正確； 4 建議教師預(yù)留一臺運行正常的TEC-XP實驗系統(tǒng)備用，機器出問題后可以對照檢查。六實驗示例：1 用R命令查看寄存器內(nèi)容

30、或修改寄存器的內(nèi)容1） 在命令行提示符狀態(tài)下輸入：R ；顯示寄存器的內(nèi)容注：寄存器的內(nèi)容在運行程序或執(zhí)行命令后會發(fā)生變化。2） 在命令行提示符狀態(tài)下輸入：R R0 ；修改寄存器R0的內(nèi)容，被修改的寄存器與所賦值之間可以無空格,也可有一個或數(shù)個空格主機顯示:寄存器原值:_在該提示符下輸入新的值0036再用R命令顯示寄存器內(nèi)容，則R0的內(nèi)容變?yōu)?036。2 用D命令顯示存儲器內(nèi)容在命令行提示符狀態(tài)下輸入：D 2000 會顯示從2000H地址開始的連續(xù)128個字的內(nèi)容；連續(xù)使用不帶參數(shù)的D命令，起始地址會自動加128（即80H）。 3. 用E命令修改存儲器內(nèi)容在命令行提示符狀態(tài)下輸入：E 2000屏

31、幕顯示:2000 地址單元的原有內(nèi)容:光標(biāo)閃爍等待輸入輸入 0000依次改變地址單元20012005的內(nèi)容為:1111 2222 3333 4444 5555注意：用E命令連續(xù)修改內(nèi)存單元的值時，每修改完一個，按一下空格鍵，系統(tǒng)會自動給出下一個內(nèi)存單元的值，等待修改；按回車鍵則退出E命令。 4 用D命令顯示這幾個單元的內(nèi)容D 2000可以看到這六個地址單元的內(nèi)容變?yōu)?000 1111 2222 3333 4444 5555。 5. 用A命令鍵入一段匯編源程序，主要是向累加器送入數(shù)據(jù)和進行運算，執(zhí)行程序并觀察運行結(jié)果。1） 在命令行提示符狀態(tài)下輸入：A 2000；表示該程序從2000H（內(nèi)存RA

32、M區(qū)的起始地址）地址開始屏幕將顯示：2000：輸入如下形式的程序：2000: MVRD R0，AAAA ；MVRD與R0之間有且只有一個空格，其他指令相同2002: MVRD R1，55552004: ADD R0，R12005: AND R0，R12006: RET；程序的最后一個語句，必須為RET指令2007:（直接敲回車鍵，結(jié)束A命令輸入程序的操作過程）若輸入有誤，系統(tǒng)會給出提示并顯示出錯地址，用戶只需在該地址重新輸入正確的指令即可。2） 用U命令反匯編剛輸入的程序在命令行提示符狀態(tài)下輸入：U 2000在相應(yīng)的地址會得到輸入的指令及其操作碼注：連續(xù)使用不帶參數(shù)的U命令時，將從上一次反匯編

33、的最后一條語句之后接著繼續(xù)反匯編。3） 用G命令運行前面鍵入的源程序G 2000程序運行結(jié)束后，可以看到程序的運行結(jié)果，屏幕顯示各寄存器的值，其中R0和R1的值均為5555H，說明程序運行正確。4） 用P或T命令，單步執(zhí)行這段程序，觀察指令執(zhí)行結(jié)果在命令行提示符狀態(tài)下輸入：T 2000寄存器R0被賦值為AAAAHT寄存器R1被賦值為5555HT做加法運算，和放在R0，R0的值變?yōu)镕FFFHT做與運算，結(jié)果放在R0，R0的值變?yōu)?555H用P命令執(zhí)行過程同上。注：T總是執(zhí)行單條指令，但執(zhí)行P命令時，則把每一個CALL語句連同被調(diào)用的子程序一次執(zhí)行完成。T、P命令每次執(zhí)行后均顯示所有通用寄存器及狀

34、態(tài)寄存器的內(nèi)容，并反匯編出下一條將要執(zhí)行的指令。6 舉例編寫匯編程序, 用“A”命令輸入,運行并觀察結(jié)果1） 例1：設(shè)計一個小程序, 從鍵盤上接收一個字符并在屏幕上輸出顯示該字符。 在命令行提示符狀態(tài)下輸入：A 2000 ； 屏幕將顯示：2000：輸入如下形式的程序： 2000: IN 81 ；判鍵盤上是否按了一個鍵2001：SHR R0 ；即串行口是否有了輸入的字符2002：SHR R02003：JRNC 2000 ；未輸入完則循環(huán)測試2004：IN 80 ；接收該字符2005: OUT 80；在屏幕上輸出顯示字符62006: RET；每個用戶程序都必須用RET指令結(jié)束2007：；（按回車鍵

35、即結(jié)束輸入過程）注：在十六位機中，基本I/O接口的地址是確定的，數(shù)據(jù)口的地址為80，狀態(tài)口的地址為81。 用“G”命令運行程序在命令行提示符狀態(tài)下輸入：G 2000執(zhí)行上面輸入的程序光標(biāo)閃爍等待輸入，用戶從鍵盤鍵入字符后，屏幕會顯示該字符。該例建立了一個從主存2000H地址開始的小程序。在這種方式下, 所有的數(shù)字都約定使用16進制數(shù),故數(shù)字后不用跟字符H。每個用戶程序的最后一個語句一定為RET匯編語句。因為監(jiān)控程序是選用類似子程序調(diào)用方式使實驗者的程序投入運行的,用戶程序只有用RET語句結(jié)束, 才能保證程序運行結(jié)束時能正確返回到監(jiān)控程序的斷點, 保證監(jiān)控程序能繼續(xù)控制教學(xué)機的運行過程。2） 例

36、2:設(shè)計一個小程序, 用次數(shù)控制在終端屏幕上輸出0到9十個數(shù)字符。 在命令行提示符狀態(tài)下輸入：A 2020 屏幕將顯示：2020：從地址2020H開始輸入下列程序:2020:MVRD R2,00OA；送入輸出字符個數(shù)2022:MVRD R0,0030；“0”字符的ASCII碼送寄存器R02024:OUT 80；輸出保存在R0低位字節(jié)的字符2025:DEC R2；輸出字符個數(shù)減12026:JRZ 202E；判10個字符輸出完否,已完，則轉(zhuǎn)到程序結(jié)束處2027:PUSH R0；未完，保存R0的值到堆棧中2028:IN 81；查詢接口狀態(tài)，判字符串行輸出完成否,2029:SHR R0；202A:JR

37、NC 2028；未完成, 則循環(huán)等待 202B:POP R0；已完成, 準(zhǔn)備輸出下一字符并從堆?；謴?fù)R0的值202C:INC R0；得到下一個要輸出的字符202D:JR 2024；轉(zhuǎn)去輸出字符202E:RET202F：該程序的執(zhí)行碼放在2020H起始的連續(xù)內(nèi)存區(qū)中。若送入源碼的過程中有錯, 系統(tǒng)會進行提示, 等待重新輸入正確匯編語句。在輸入過程中, 在應(yīng)輸入語句的位置直接打回車則結(jié)束輸入過程。 用“G”命令運行程序在命令行提示符狀態(tài)下輸入：G 2020執(zhí)行結(jié)果為：思考題: 若把IN 81, SHR R0, JRNC 2028三個語句換成4個MVRR R0，R0語句, 該程序執(zhí)行過程會出現(xiàn)什么現(xiàn)

38、象? 試分析并實際執(zhí)行一次。提示：該程序改變這三條語句后，若用T命令單條執(zhí)行，會依次顯示09十個數(shù)字。若用G命令運行程序，程序執(zhí)行速度快，端口輸出速度慢，這樣就會跳躍輸出。在命令行提示符狀態(tài)下輸G 2020，屏幕顯示09。類似的, 若要求在終端屏幕上輸出A到Z共26個英文字母，應(yīng)如何修改例1中給出的程序? 請驗證之。參考答案：在命令行提示符狀態(tài)下輸入：A 2100屏幕將顯示：2100：從地址2100H開始輸入下列程序：(2100) MVRD R2，001A ；循環(huán)次數(shù)為26MVRD R0，0041 ；字符“A”的值(2104) OUT 80 ；輸出保存在R0低位字節(jié)的字符DEC R2 ；輸出字

39、符個數(shù)減1JRZ 210E ；判26個字符輸出完否,已完，則轉(zhuǎn)移到程序結(jié)束處PUSH R0 ；未完，保存R0的值到堆棧中（2108）IN 81 ；查詢接口狀態(tài)，判字符串行輸出完成否SHR R0JRNC 2108；未完成, 則循環(huán)等待 POP R0；已完成, 準(zhǔn)備輸出下一字符，從堆棧恢復(fù)R0的值 INC R0；得到下一個要輸出的字符JR 2104；轉(zhuǎn)去輸出字符（210E）RET 用G命令執(zhí)行該程序，屏幕上顯示“A”“Z”26個英文字母. 例3: 從鍵盤上連續(xù)打入多個屬于0到9的數(shù)字符并在屏幕上顯示, 遇到非數(shù)字字 符結(jié)束輸入過程。 在命令行提示符狀態(tài)下輸入：A 2040屏幕將顯示：2040：從地

40、址2040H開始輸入程序: 在命令行提示符狀態(tài)下輸入：G 2040 光標(biāo)閃爍等待鍵盤輸入，若輸入0-9十個數(shù)字符，則在屏幕上回顯；若輸入非數(shù)字符，則屏幕不再顯示該字符，出現(xiàn)命令提示符，等待新命令。 思考題, 本程序中為什么不必判別串行口輸出完成否? 設(shè)計打入AZ和09的程序, 遇到其它字符結(jié)束輸入過程。例子4: 計算1到10的累加和。 在命令行提示符狀態(tài)下輸入：A 2060屏幕將顯示：2060：從地址2060H開始輸入程序： 在命令行提示符狀態(tài)下輸入：G 2060運行過后, 可以用R命令觀察累加器的內(nèi)容。R1的內(nèi)容為累加和。結(jié)果為：R1= R2= R3= 例子5:設(shè)計一個有讀寫內(nèi)存和子程序調(diào)用

41、指令的程序,功能是讀出內(nèi)存中的 字符，將其顯示到顯示器的屏幕上，轉(zhuǎn)換為小寫字母后再寫回存儲器原存儲區(qū)域。 將被顯示的6個字符AF送入到內(nèi)存20F0H開始的存儲區(qū)域中。在命令行提示符狀態(tài)下輸入：E 20F0屏幕將顯示：20F0 內(nèi)存單元原值：按下列格式輸入：20F0 內(nèi)存原值：0041 內(nèi)存原值：0042 內(nèi)存原值：0043 內(nèi)存原值：0044 內(nèi)存原值：0045 內(nèi)存原值：0046 在命令行提示符狀態(tài)下輸入：從地址2080H開始輸入下列程序：（2080）MVRD R3,0006 ；指定被讀數(shù)據(jù)的個數(shù)MVRD R2,20F0 ；指定被讀、寫數(shù)據(jù)內(nèi)存區(qū)首地址（2084）LDRR R0,R2 ；讀內(nèi)

42、存中的一個字符到R0寄存器CALA 2100 ；指定子程序地址為2100,調(diào)用子程序，完成顯示、轉(zhuǎn)換并寫回的功能DEC R3 ；檢查輸出的字符個數(shù) JRZ 208B ；完成輸出則結(jié)束程序的執(zhí)行過程INC R2 ；未完成，修改內(nèi)存地址JR 2084 ；轉(zhuǎn)移到程序的2086處，循環(huán)執(zhí)行規(guī)定的處理（208B）RET從地址2100H開始輸入下列程序： （2100）OUT 80；輸出保存在R0寄存器中的字符MVRD R1，0020ADD R0，R1 ；將保存在R0中的大寫字母轉(zhuǎn)換為小寫字母STRR R2,R0；寫R0中的字符到內(nèi)存，地址同LOD所用的地址 （2105）IN 81；測試串行接口是否完成輸出

43、過程SHR R0JRNC 2105；未完成輸出過程則循環(huán)測試RET；結(jié)束子程序執(zhí)行過程，返回主程序 在命令行提示符狀態(tài)下輸入：G 2080 屏幕顯示運行結(jié)果為：ABCDEF 在命令行提示符狀態(tài)下輸入：D 20F0 20F0H20F5H內(nèi)存單元的內(nèi)容為：0061 0062 0063 0064 0065 0066 例子6：設(shè)計一個程序在顯示器屏幕上循環(huán)顯示95個（包括空格字符）可打印字符。在命令行提示符狀態(tài)下輸入：A 20A0屏幕將顯示：20A0：從地址20A0H開始輸入下列程序：A 20A0 ；從內(nèi)存的20A0單元開始建立用戶的第一個程序20A0: MVRD R1,7E ；向寄存器傳送立即數(shù)20

44、A2: MVRD R0,20 ；20A4: OUT 80 ；通過串行接口輸出R0低位字節(jié)內(nèi)容到顯示器屏幕20A5: PUSH R0 ；保存R0寄存器的內(nèi)容到堆棧中20A6: IN 81 ；讀串行接口的狀態(tài)寄存器的內(nèi)容20A7: SHR R0 ；R0寄存器的內(nèi)容右移一位，最低位的值移入標(biāo)志位C20A8: JRNC 20A6 ；條件轉(zhuǎn)移指令，當(dāng)標(biāo)志位C不是1時就轉(zhuǎn)到20A6地址20A9: POP R0 ；從堆棧中恢復(fù)R0寄存器的原內(nèi)容20AA: CMP R0,R1 ；比較兩個寄存器的內(nèi)容是否相同，相同則標(biāo)志位Z=120AB: JRZ 20A0 ；條件轉(zhuǎn)移指令，當(dāng)標(biāo)志位Z為1時轉(zhuǎn)到200A0地址20

45、AC: INC R0 ；把R0寄存器的內(nèi)容增加120AE: JR 20A4 ；無條件轉(zhuǎn)移指令，一定轉(zhuǎn)移到20A4地址20AF: RET ；子程序返回指令,程序結(jié)束 在命令行提示符狀態(tài)下輸入：G 20A0運行過后, 可以觀察到顯示器上會顯示出所有可打印的字符。 上述例子, 都是用監(jiān)控程序的A命令完成輸入源匯編程序的。在涉及到匯編語句標(biāo)號的地方, 不能用符號表示, 只能在指令中使用絕對地址。使用內(nèi)存中的數(shù)據(jù), 也由程序員給出數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的絕對地址。顯而易見, 對這樣的極短小程序矛盾并不突出, 但很容易想到，對很大的程序, 一定會有較大的困難。在用A命令輸入?yún)R編源語句的過程中, 有一定用機經(jīng)驗的人,

46、 常常抱怨A命令中未提供適當(dāng)?shù)木庉嫻δ? 這并不是設(shè)計者的疏漏, 因為我們并不準(zhǔn)備在這種操作方式下支持設(shè)計較長的程序, 這種工作應(yīng)轉(zhuǎn)到提供了交叉匯編程序的PC機上去完成。相反的情況是, 輸入上述一些小程序, 用監(jiān)控程序的A命令完成, 往往比用交叉匯編完成更簡捷。2.2 脫機運算器實驗實驗?zāi)康纳钊肓私釧M2901運算器的功能與具體用法，4片AM2901的級連方式，深化運算器部件的組成、設(shè)計、控制與使用等諸項知識。實驗說明脫機運算器實驗，是指讓運算器從教學(xué)計算機整機中脫離出來，此時，它的全部控制與操作均需通過兩個12位的微型開關(guān)來完成，這就談不上執(zhí)行指令，只能通過開關(guān)、按鍵控制教學(xué)機的運算器完成指

47、定的運算功能，并通過指示燈觀察運算結(jié)果。下面先把前邊講過的、與該實驗直接有關(guān)的結(jié)論性內(nèi)容匯總?cè)缦?。?12位微型開關(guān)的具體控制功能分配如下：A口、B口地址：送給AM2901器件用于選擇源與目的操作數(shù)的寄存器編號；I8-I0：選擇操作數(shù)來源、運算操作功能、選擇操作數(shù)處理結(jié)果和運算器輸出內(nèi)容的3組3位的控制碼；SCi、SSH和SST：用于確定運算器最低位的進位輸入、移位信號的入/出和怎樣處理AM2901產(chǎn)生的狀態(tài)標(biāo)志位的結(jié)果。a) 開關(guān)位置說明：做脫機運算器實驗時，要用到提供24位控制信號的微動開關(guān)和提供16位數(shù)據(jù)的撥動開關(guān)。微動開關(guān)是紅色的，一個微動開關(guān)可以提供12位的控制信號，標(biāo)有micro

48、switch 1和micro switch 2；數(shù)據(jù)開關(guān)是黑色的，左邊的標(biāo)有SWH的是高8位，右邊的標(biāo)有SWL的是低8位。微動開關(guān)與控制信號對應(yīng)關(guān)系見表(由左到右)：Micro switch 1Micro switch 2I8-I6I5-I3I2-I0SSTSSH SCIB PORTA PORTb) 開關(guān)檢測 紅色微動開關(guān)是該實驗系統(tǒng)使用壽命最短的器件，開關(guān)好壞的檢測方法比較簡單，用戶將五個控制機器工作方式的開關(guān)置于“1XX00”,從左面起第二個和第三個的開關(guān)處于任意位置，然后將兩個微動開關(guān)上的24個小紐子依次置為1（開關(guān)撥到上方為1），看對應(yīng)的指示燈是否亮，如果有一個或數(shù)個指示燈不亮，則一般

49、是開關(guān)出了問題。實驗步驟1 將教學(xué)機左下方的5個撥動開關(guān)置為1XX00（單步、16位、脫機）；先按一下“RESET”按鍵，再按一下“START”按鍵，進行初始化。2 接下來，按下表所列的操作在機器上進行運算器脫機實驗，將結(jié)果填入表中：其中D1取為0101H，D2取為1010H；通過兩個12位的紅色微型開關(guān)向運算器提供控制信號，通過16位數(shù)據(jù)開關(guān)向運算器提供數(shù)據(jù)，通過指示燈觀察運算結(jié)果及狀態(tài)標(biāo)志。 運算I8-I0SSTSSHSCiBA壓START前壓START后ALU輸出CZVSALU輸出CZVS*D1+0-R000100000000不用0101隨機01010000*D2+0-R1R0+R1-R

50、00010000000000011111000021210000RO-R1-R0R1-R0-R10010001000100000F0F10000E0E1000R0R1-R00010000000100000F0F10000F0F1000R0R1-R0R0R1-R00010000000000010E0E100001011000(R0R1)-R0001000000000001FEFE10000E0E10012*R0-R000100000000不用FEFE1001FDFC0001R0/2-R0注：用*標(biāo)記的運算，表示D1、D2的數(shù)據(jù)是由撥動開關(guān)SW給出的，開關(guān)給的是二進制的信號，注意二進制和十六進制間的轉(zhuǎn)換。按“START”按鍵之前，ALU輸出的是計算結(jié)果，參照ALU的操作周期的時序可知A、B口數(shù)據(jù)鎖存是