計算機組成原理實驗指導書CP226

目錄

第一章系統(tǒng)概述...............................................................2

1.1DICE-CP226簡介..........................................................2

1.2DICE-CP226特點.........................................................2

1.3實驗系統(tǒng)組成.............................................................3

第二章模型機模塊實驗........................................................4

2.1寄存器實驗...............................................................4

實驗1：A,W寄存器實驗.....................................................5

實驗2：RO,RI,R2,R3寄存器實驗..........................................8

實驗3：MAR地址寄存器，ST堆棧寄存器，OUT輸出寄存器...................13

2.2運算器實驗..............................................................16

2.3數(shù)據(jù)輸出實驗/移位門實驗.................................................18

實驗1：數(shù)據(jù)輸出實驗.........................................................20

實驗2：移位實驗.............................................................21

2.4微程序計數(shù)器UPC實驗...................................................23

實驗1：uPC加一實驗.......................................................25

實驗2：uPC打入實驗.......................................................26

2.5PC實驗.................................................................26

實驗1：PC加一實驗........................................................29

實驗2：PC打入驗..........................................................29

2.6存儲器EM實驗..........................................................30

實驗1：PC/MAR輸出地址選擇................................................31

實驗2：存儲器EM寫實驗....................................................31

實驗3：存儲器EM讀實驗....................................................33

實驗4：存儲器打入IR指令寄存器/uPC實驗....................................34

實驗5：使用實驗儀小鍵盤輸入EM............................................36

2.7微程序存儲器UM實驗...................................................36

實驗1：微程序存儲器uM讀出................................................38

實驗2：使用實驗儀小鍵盤輸入uM.............................................38

2.8中斷實驗................................................................39

第三章CP226模型機.........................................................40

3.1模型機總體結(jié)構(gòu)..........................................................40

3.2模型機尋址方式..........................................................41

3.3模型機指令集............................................................42

3.4模型機微指令集..........................................................44

第四章模型機綜合實驗（微程序控制器）....................................55

實驗1：數(shù)據(jù)傳送實驗/輸入輸出實驗............................................55

實驗2：數(shù)據(jù)運算實驗（加/減/與/或）..........................................58

實驗3：移位/取反實驗........................................................60

實驗4：轉(zhuǎn)移實驗.............................................................62

實驗5：調(diào)用實驗.............................................................60

實驗6：中斷實驗.............................................................61

實驗7：指令流水實驗.........................................................64

實驗8RISC模型機.......................................................66

第五章組合邏輯控制........................................................68

5.1組合邏輯控制器..........................................................68

5.2用CPLD實現(xiàn)運算器功能.................................................76

第六章設(shè)計指令/微指令系統(tǒng)...................................................79

第七章擴展實驗..............................................................83

擴展實驗一：用8255擴展I/O端口實驗.......................................83

擴展實驗二：用8253擴展定時器試驗..........................................84

第八章實驗儀鍵盤使用.......................................................87

1、觀察內(nèi)部寄存器：.........................................................88

2、觀察、修改程序存儲器內(nèi)容：..............................................88

3.觀察、修改微程序存儲器內(nèi)容：............................................89

4.用小鍵盤調(diào)試實驗一........................................................91

第九章CP226集成開發(fā)環(huán)境使用..............................................93

1）主菜單....................................................................94

2）快捷鍵圖標...............................................................95

3）調(diào)試窗口區(qū)...............................................................95

4）結(jié)構(gòu)圖區(qū)..................................................................96

5）指令/微程序/跟蹤窗口......................................................96

6）寄存器狀態(tài)...............................................................97

附錄一實驗用芯片介紹.......................................................98

第一章系統(tǒng)概述

1.1DICE-CP226簡介

DICE-CP226型計算機組成原理實驗系統(tǒng)〈以下簡稱系統(tǒng)〉，是由江蘇啟東計算機總廠

有限公司繼C2000/CH2000成功開發(fā)之后，結(jié)合國內(nèi)同類產(chǎn)品的優(yōu)點，最新研制開發(fā)的超

強型實驗計算機裝置〈以下簡稱模型機"該系統(tǒng)采用單片機管理和EDA控制技術(shù)，自帶

鍵盤和液晶顯示器，支持脫機和聯(lián)PC機兩種工作模式，運用系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)碼管等實時監(jiān)

視，全面動態(tài)管理模型機的運行和內(nèi)部資源。模型機軟硬件配置完整，支持8位字長的多

種尋址方式，指令豐富，并配有以win98/2000/XP為操作平臺的動態(tài)跟蹤集成調(diào)試軟件，

示教效果極佳，特別適用于計算機組成原理課程的教學與實驗。

1.2DICE-CP226特點

1、采用總線結(jié)構(gòu)

總線結(jié)構(gòu)的計算機具有結(jié)構(gòu)清晰，擴展方便等優(yōu)點。DICE-CP226實驗系統(tǒng)使用三組

總線即地址總線ABUS、數(shù)據(jù)總線DBUS、指令總線1BUS和控制信號，CPU、主存、外

設(shè)和管理單片機等部件之間通過外部數(shù)據(jù)總線傳輸，CPU內(nèi)部則通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線傳輸

信息。各部件之間，通過三態(tài)緩沖器作接口連接，這樣一方面增強總線驅(qū)動能力，另一方

面在模型機停機時，三態(tài)門輸出浮空，能保證不管模型機的CPU工作是否正常，管理單

片機總能讀/寫主存或控存。

2、計算機功能模塊化設(shè)計

DICE-CP2226為實驗者提供運算器模塊ALU,眾多寄存器模塊（A,W,IA,ST,

MAR,R0...R3等），程序計數(shù)器模塊PC,指令部件模塊IR,主存模塊EM,微程序控制

模塊〈控存〉uM,微地址計數(shù)器模塊UPC,組合邏輯控制模塊及I/O等控制模塊。

各模塊間的電源線、地線、地址總線和數(shù)據(jù)總線等己分別連通，模塊內(nèi)各芯片間數(shù)據(jù)

通路也已連好，各模塊的控制信號及必要的輸出信號已被引出到主板插孔，供實驗者按自

己的設(shè)計進行連接。

3、智能化控制

系統(tǒng)在單片機監(jiān)控下，管理模型機運行和讀寫，當模型機停機時，實驗者可通過系統(tǒng)

鍵盤，讀寫主存或控存指定單元的內(nèi)容，使模型機實現(xiàn)在線開發(fā)。模型機運行時，系統(tǒng)提

供單步一條微指令（微單步）、單步一條機器指令（程單步），連續(xù)運行程序及無限止暫

停等調(diào)試手段，能動態(tài)跟蹤數(shù)據(jù)，流向、捕捉各種控制信息，實時反映模型機現(xiàn)場，使實

驗者及時了解程序和微程序設(shè)計的正確性，便以修改。

4、提供兩種實驗模式

①手動運行"Hand……”：通過撥動開關(guān)和發(fā)光二極管二進制電平顯示，支持最底層的

手動操作方式的輸入/輸出和機器調(diào)試。

②自動運行：通過系統(tǒng)鍵盤及液晶顯示器或PC機，直接接輸入或編譯裝載用戶程序v

機器碼程序和微程序＞，實現(xiàn)微程序控制運行，運用多種調(diào)試手段運行用戶程序，使實驗

者對計算機組成原理一目了然。

5、開放性設(shè)計

運算器采用了EDA技術(shù)設(shè)計，隨機出廠時，已提供一套已裝載的方案，能進行加、

減、與、或、帶進位加、帶進位減、取反、直通八種運算方式，若用戶不滿意該套方案，

可自行重新設(shè)計并通過JTAG口下載。邏輯控制器由CPLD實現(xiàn)，也可進行重新設(shè)計并通

過JTAG口下載。用戶還可以設(shè)計自己的指令/微指令系統(tǒng)。系統(tǒng)中已帶三套指令/微程序

系統(tǒng)，用戶可參照來設(shè)計新的指令/微程序系統(tǒng)。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)線、地址線、控制線均在總線接口區(qū)引出，并設(shè)計了40芯鎖進插座，供

用戶進行RAM、8251、8255、8253、8259等接口器件的擴展實驗。

6、支持中斷實驗

采用最底層的器件設(shè)計，讓學生可以從微程序?qū)用嫔蠈W習中斷請求、中斷響應、中斷

處理、中斷入口地址的產(chǎn)生、中斷服務程序及中斷返回（RETI）整個過程。

7、支持兩種控制器實驗

系統(tǒng)提供兩種控制器方式，即微程序控制器和組合邏輯控制器。在微程序控制器中，

系統(tǒng)能提供在線編程，實時修改程序，顯示程序并進行調(diào)試的操作環(huán)境。組合邏輯控制器，

已下載有一套完整的實驗方案，用戶也可使用CPLD工具在PC機上進行自動化設(shè)計。

8、支持子程序調(diào)用、返回、指令流水線和RISC精簡指令系統(tǒng)實驗。

9、配備以Win98/2000/XP為操作平臺的集成調(diào)試軟件包

系統(tǒng)通過RS-232C串行通訊接口與PC機聯(lián)接，借助PC資源形成了強大的在線文檔

與圖形的動態(tài)管理系統(tǒng)，自帶編譯器，支持匯編語言的編輯、編譯、調(diào)試，一次點擊即可

完成程序和與其對應微程序的鏈接裝載并自動彈出調(diào)試窗口，在主界面中開辟了程序和與

其對應微程序的調(diào)試、模型機結(jié)構(gòu)示意圖（點擊各模塊即彈出電路原理圖）、微程序等跟

蹤顯示窗口，供用戶選擇，可動態(tài)顯示數(shù)據(jù)流向、實時捕捉數(shù)據(jù)、地址、控制總線的各種

信息，使調(diào)試過程極為生動形象。

1.3實驗系統(tǒng)組成

CP226計算機組成原理實驗系統(tǒng)由實驗平臺、開關(guān)電源、軟件三大部分組成。

實驗平臺上有寄存器組R0-R3、運算單元、累加器A、暫存器W、直通/左移/右移單

元、地址寄存器、程序計數(shù)器、堆棧、中斷源、輸入/輸出單元、存儲器單元、微地址寄存

器、指令寄存器、微程序控制器、組合邏輯控制器、擴展單元、總線接口區(qū)、微動開關(guān)/

指示燈、邏輯筆、脈沖源、管理單片機、24個按鍵、字符式LCD、RS232口。

第二章模型機模塊實驗

對于硬件的描述可以有多種方法：如原理圖，真值表，高級語言(本手冊使用

ABEL/VHDL),時序圖等，在本手冊中可以使用以上的四種方式來綜合描述硬件。

2.1寄存器實驗

實驗要求：利用CP226實驗儀上的K16..K23開關(guān)做為DBUS的數(shù)據(jù)，其它開關(guān)做

為控制信號，將數(shù)據(jù)寫入寄存器，這些寄存器包括累加器A,工作寄存器W,數(shù)據(jù)寄存器

組R0..R3,地址寄存器MAR,堆棧寄存器ST,輸出寄存器OUT。

實驗目的：了解模型機中各種寄存器結(jié)構(gòu)、工作原理及其控制方法。

實驗電路：寄存器的作用是用于保存數(shù)據(jù)的，因為我們的模型機是8位的，因此在

本模型機中大部寄存器是8位的，標志位寄存器(Cy,Z)是二位的。

CP226用74HC574來構(gòu)成寄存器。74HC574的功能如下:

74HC574

<OC)---------------n-0OC

<CLK)>CLK

21Q

IDIQI，/C7\

<D7)3io、Q7_______/

<D6)2D2Q

417\Q6/

<D53D3Q

___________5___]6潛——(

<D4__/<4D4Q1c、Q4_______/

5D5Q

<D3)714、QJ_______/

6D6Q

--------<8-《Q2〉

7D7Q/X1i\

9-i?-----------<Q>

<DO>8D8Q\QU_____/

1.在CLK的上升沿將輸入端的數(shù)據(jù)打入到8個觸發(fā)器中

2.當OC=1時觸發(fā)器的輸出被關(guān)閉，當OC=0時觸發(fā)器的輸出數(shù)據(jù)

0CCLKQ7..Q0注釋

1XZZZZZZZZ0C為1時觸發(fā)器的輸出被關(guān)閉

00Q7..Q0當oc=o時觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸出

01Q7..Q0當時鐘為高時，觸發(fā)器保持數(shù)據(jù)不變

XtD7..D0在CLK的上升沿將輸入端的數(shù)據(jù)打入到觸發(fā)器中

OC1

D[7:0]55HX66H

R[7:0]xxX55H

Q[7：0]zzX55H

CLK

74HC574工作波圖

實驗1：A,W寄存器實驗

<AEN\\§|74HC574

-I5|

<CKQ<

_yV-K

74HC32Ot

9I1Q7

<DBUS7>=O/A7\

3D1/18冷---(

DBUS6>=

4D2Q17

<DBUS5>O卷——(

5土D3/160/\A/1\?

<DBUS4>A4

6白D4QX_____/

<DBUS3>D5Q14\A，__________/

7匕14/AO\

<DBUS2)D6Q

8②/A1\

<DBUS1>"D7O

9/

<DBUSO>曾D8Q-------------<A0>

寄存器A原理圖

<WEN-----X3|74HC574

-3-

<CK____yM：OC

x_1>CLK

74HC32

910

(DBUS7)IDIQ

319\W7/

(DBUS6)2D2Q17\W0/

41z

<DBUS5)3D3Q/ws\

516\W5/

<DBUS4>4D4Q

615\W4:

<DBUS3>5D5Q

714--------<

(DBUS2)6D6Q

8

(DBUS1>7D7Q/Ww11\

917\z

(DBUSO)8D8Q/wo\

寄存器W原理圖

AEN||

WEN||

DBUS[7:0]55HX66H-

A[7:0]XXX55H

W[7:0]XXX66H

CLKl_lU

寄存器A,W寫工作波形圖

連接線表:

連接信號孔接入孔作用狀態(tài)說明

1JI座J3座將K23-K16接入DBUS[7:0]實驗模式：手動

2AENK3選通A低電平有效

3WENK4選通w低電平有效

工作脈沖

4CK已連ALU上升沿打入

系統(tǒng)清零和手動狀態(tài)設(shè)定：K23-K16開關(guān)置零，按［RST］鈕，按［TV/ME］鍵三次，進

入”Hand......”手動狀態(tài)。

在后面實驗中實驗模式為手動的操作方法不再詳述.

將55H寫入A寄存器

二進制開關(guān)K23-K16用于DBUS[7:0]的數(shù)據(jù)輸入，置數(shù)據(jù)55H

K23K22K21K20K19K18K17K16

01010101

置控制信號為:

K4(WEN)K3(AEN)

10

按住STEP脈沖鍵，CK由高變低，這時寄存器A的黃色選擇指示燈亮，表明選擇A

寄存器。放開STEP鍵，CK由低變高，產(chǎn)生一個上升沿，數(shù)據(jù)55H被寫入A寄存器。

將66H寫入W寄存器

二進制開關(guān)K23-K16用于DBUS[7:0]的數(shù)據(jù)輸入，置數(shù)據(jù)66H

K23K22K21K20K19K18K17K16

01100110

置控制信號為:

K4(WEN)K3(AEN)

01

按住STEP脈沖鍵，CK由高變低，這時寄存器W的黃色選擇指示燈亮，表明選擇W

寄存器。放開STEP健，CK由低變高，產(chǎn)生一個上升沿，數(shù)據(jù)66H被寫入W寄存器。

注意觀察：

1.數(shù)據(jù)是在放開STEP鍵后改變的，也就是CK的上升沿數(shù)據(jù)被打入。

2.WEN,AEN為高時，即使CK有上升沿，寄存器的數(shù)據(jù)也不會改變。

實驗2：RO,RI,R2,R3寄存器實驗

M8C334

寄存器R原理圖

RWR-|r-

寄存器R寫工作波形圖

連接線表

連接信號孔接入孔作用狀態(tài)說明

1J1座J3座將K23-K16接入DBUS[7:O]實驗模式：手動

2RRDKll寄存器組讀使能低電平有效

3RWRK10寄存器組寫使能低電平有效

4SBKI寄存器選擇B

5SAKO寄存器選擇A

6CK已連寄存器工作脈沖上升沿打入

7D7..D0L7..L0觀察寄存器數(shù)據(jù)輸出

將11H寫入R0寄存器

二進制開關(guān)K23-K16用于DBUS[7:0]的數(shù)據(jù)輸入，置數(shù)據(jù)11H

K23K22K21K20K19K18K17K16

000I0001

置控制信號為:

Kll(RRD)KIO(RWR)Kl(SB)KO(SA)

1000

按住STEP脈沖鍵，CK由高變低，這時寄存器R0的黃色選擇指示燈亮，表明選擇

R0寄存器。放開STEP健，CK由低變高，產(chǎn)生一個上升沿，數(shù)據(jù)11H被寫入R0寄存

器。

將22H寫入R1寄存器

二進制開關(guān)K23-K16用于DBUS[7:0]的數(shù)據(jù)輸入，置數(shù)據(jù)22H

K23K22K21K20K19K18K17K16

00100010

置控制信號為:

l(RRD)KIO(RWR)KI(SB)KO(SA)

1001

按住STEP脈沖鍵，CK由高變低，這時寄存器R1的黃色選擇指示燈亮，表明

擇R1寄存器。放開STEP鍵，CK由低變高，產(chǎn)生一個上升沿，數(shù)據(jù)22H被寫入R1寄

存器.

將33H寫入R2寄存器

二進制開關(guān)K23-K16用于DBUS[7:0]的數(shù)據(jù)輸入，置數(shù)據(jù)33H

K23K22K21K20K19K18K17K16

00110011

置控制信號為:

Kll(RRD)KIO(RWR)Kl(SB)KO(SA)

1010

按住STEP脈沖鍵，CK由高變低，這時寄存器R2的黃色選擇指示燈亮，表明選擇

R2寄存器。放開STEP鍵，CK由低變高，產(chǎn)生一個上升沿，數(shù)據(jù)33H被寫入R2寄存器。

將44H寫入R3寄存器

二進制開關(guān)K23-K16用于DBUS[7:0]的數(shù)據(jù)輸入，置數(shù)據(jù)44H

K23K22K21K20K19K18K17K16

01000100

置控制信號為:

Kll(RRD)KIO(RWR)Kl(SB)KO(SA)

1011

按住STEP脈沖鍵，CK由高變低，這時寄存器R3的黃色選擇指示燈亮，表明選擇

R3寄存器。放開STEP鍵，CK由低變高，產(chǎn)生一個上升沿，數(shù)據(jù)44H被寫入R3寄存器。

注意觀察：

1.數(shù)據(jù)是在放開STEP鍵后改變的，也就是CK的上升沿數(shù)據(jù)被打入。

2.K1(SB),KO(SA)用于選擇寄存器。

KI(SB)KO(SA)選擇

00RO

01RI

10R2

11R3

DBUS[7：0]左~乂UH33H44H丫"^

R0[7:0]11H

RI[7:0]22H

R2[7:0]33H

R3p^)]44H

SB

SA______11_____1

RRD

RWR

寄存器R讀工作波形圖

讀RO寄存器

置控制信號為:

Kll(RRD)KIO(RWR)Kl(SB)KO(SA)

0100

這時寄存器R0的紅色輸出指示燈亮，R0寄存器的數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線。此時數(shù)據(jù)總

線指示燈L7...L0為：00010001.將Kll(RRD)置為1,關(guān)閉R0寄存器輸出。

讀R1寄存器

置控制信號為:

Kll(RRD)KIO(RWR)Kl(SB)KO(SA)

0101

這時寄存器R1的紅色輸出指示燈亮，R1寄存器的數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線。此時數(shù)據(jù)總

線指示燈L7...L0為：00100010.將Kll(RRD)置為1,關(guān)閉R1寄存器輸出。

讀R2寄存器

置控制信號為:

Kll(RRD)KIO(RWR)Kl(SB)KO(SA)

0110

這時寄存器R2的紅色輸出指示燈亮，R2寄存器的數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線。此時數(shù)據(jù)總

線指示燈L7...L0為:00110011.將Kll(RRD)置為l,關(guān)閉R2寄存器輸出。

讀R3寄存器

置控制信號為:

Kll(RRD)KIO(RWR)Kl(SB)KO(SA)

0111

這時寄存器R3的紅色輸出指示燈亮，R3寄存器的數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線。此時數(shù)據(jù)總

線指示燈L7...L0為：O1OOO1OO.將K11(RRD)置為1,關(guān)閉R3寄存器輸出。

注意觀察：

1.數(shù)據(jù)在Kll(RRD)為0時輸出，不是沿觸發(fā)，與數(shù)據(jù)打入不同。

實驗3：MAR地址寄存器，ST堆棧寄存器，OUT輸出寄存器

<MAROE

<MAREN74HC574

3

OC

>CLK

74HC32

219

(DBUS7IDIQ<ABUS7>

318

<DBUS62D2Q<ABUS6>

417

<DBUS53D3Q<ABUS5>

516

<DBUS44D4Q<ABUS4>

615

<DBUS35D5Q<ABUS3>

714

<DBUS26D6Q<ABUS2>

813

<DBUS17D7Q<ABUS1>

912

<DBUS08D8Q<ABUS0>

寄存器MAR原理圖

寄存器ST原理圖

<OUTEN)--------——

1-----------"74口小”4

、3/L。]惶

74HC32ii0U翼

IQ1c1G

21?/_______/CTTT7\

<DBUS7>7y1o、、UU1//

3ZQy(

<DBUS6>皿17)OUlb

4EQy(

<DBUS5>1'/CTTTA、

5寸Q寸y(

<DBUS4>SQ(-H-------(OUT4：

69y2./CTTTA\

<DBUS3>Q「

799y(14°U13——Z

<DBUS2>FQ1<-n-------<OUT2/

8y/CTTT1\

<DBUS1>8Qc17\OU11/

981

<DBUS0>y1//\cUiUTTJA.U\/

寄存器OUT原理圖

DBUS[7:0]_______12H><34H><56H

MAR[7:0]________XXx12HXZZ

ST[7:0]_______________XXx34H

OUT[7:0]_______________________XX又56H

MAREN11

STEN-ir

OUTENi_______r-

CKi______????______?

MAROE__________r

寄存器MAR,ST,OUT寫工作波形圖

連接線表

連接信號孔接入孔作用狀態(tài)說明

1J2座J3座將K23-16接入DBU[7:0]實驗模式：手動

2MAROEK14MAR地址輸出使能低電平有效

3MARENK15MAR寄存器寫使能低電平有效

4STENK12ST寄存器寫使能低電平有效

5OUTENK13OUT寄存器寫使能低電平有效

6CK已連寄存器工作脈沖上升沿打入

將12H寫入MAR寄存器

二進制開關(guān)K23-K16用于DBUS[7:0]的數(shù)據(jù)輸入，置數(shù)據(jù)12H

K23K22K21K20K19K18K17K16

00010010

置控制信號為:

K15(MAREN)K14(MAROE)K13(OUTEN)K12(STEN)

0011

按住STEP脈沖鍵，CK由高變低，這時寄存器MAR的黃色選擇指示燈亮，表明選擇

MAR寄存器。放開STEP鍵，CK由低變高，產(chǎn)生一個上升沿，數(shù)據(jù)12H被寫入MAR寄

存器。

K14(MAR0E)為0,MAR寄存器中的地址輸出，MAR紅色輸出指示燈亮。

將K14(MAROE)置為1,關(guān)閉MAR輸出。

將34H寫入ST寄器

二進制開關(guān)K23-K16用于DBUS[7:0]的數(shù)據(jù)輸入，置數(shù)據(jù)34H

K23K22K21K20K19K18K17K16

00110100

置控制信號為:

K15(MAREN)K14(MAROE)K13(OUTEN)K12(STEN)

1110

按住STEP脈沖鍵，CK由高變低，這時寄存器ST的黃色選擇指示燈亮，表明選擇

ST寄存器。放開STEP鍵，CK由低變高，產(chǎn)生一個上升沿，數(shù)據(jù)34H被寫入ST寄存器。

將56H寫入OUT寄存器

二進制開關(guān)K23-K16用于DBUS[7:0]的數(shù)據(jù)輸入，置數(shù)據(jù)56H

K23K22K21K20|K19K18K17K16

0101110

置控制信號為:

K15(MAREN)K14(MAROE)K13(OUTEN)K12(STEN)

110