CPTH模型机感性认识及模块实验

实验一
CPTH模型机感性认识及模块实验感性认识：
一计算机组成原理实验课概述
二 CPTH硬件系统基本组成
三 CPTH软件系统基本组成
四 CPTH指令系统
五 CPTH实验系统特点
模块实验：
1. 寄存器实验
2. 运算器实验
3. 存储器实验
一计算机组成原理实验课概述
计算机组成原理实验课程，是专门为计算机学院相关专业高年级开设的一门专业骨干课程，它主要研究计算机的基本组成与运行原理，它深入到CPU的内部，查看，测试各主要信号与部件的工作状态，即将CPU解剖开，观察一条指令在执行过程中数据的走向、各控制信号的状态及相关寄存器的值。

而CPTH模型机是专为计算机组成原理实验课设计的，它是一台硬件，软件相对完整，独立的小型计算机系统，即是一台简单的计算机，它包括了一台计算机常有部分CPU，主存，I/O接口等。

二 CPTH硬件系统基本组成
运算器：运算器ALU用一片lattice公司的LC4256V-100在线可编程逻辑芯片实现的，出厂时，已下载了用VHDL语言编写的运算功能（8种）。

寄存器：累加器寄存器A、工作寄存器W：（1片74HC574/每）；
左移门L、直通门D、右移门R：(2片74LS245同相器/每)；
寄存器组：R0-R3：（2片74HC574/每）；
地址寄存器MAR、堆栈寄存器ST：（2片74HC574/每）；
中断向量寄存器IA、输入端口寄存器IN、输出端口寄存器OUT等。

控制器：程序计数器PC、微程序计数器uPC：（2片74LS161四位加1计数器/每）；
微程序存储器uM：（3片6116），事先存入24位微指令，电路设置为：
只能读，不能写；
指令寄存器IR：（1片74HC574）、中断控制电路、跳转控制电路等；
组合逻辑控制器：用一片lattice公司的LC4256V-100可编程的逻辑芯
片实现。

出厂时已下载了用ABEL语言编写的的组合逻辑控制器文件
（组合逻辑表达式），实现控制功能。

通过开关KC切换。

存储器：程序存储器EM由一片6116 RAM 构成，是用户存放程序和数据的地方。

微程序存储器uM，由三片6116 RAM 构成，共24 位微码。

输入/输出：24位开关，数码管、二极管及其驱动电路。

字符式LCD、RS232。

三 CPTH软件系统基本组成
微程序：存储在uM微控存中（24位控制信号）。

组合逻辑表达式：存储在一片lattice的LC4256V-100中；
运算器运算功能：：存储在一片lattice的LC4256V-100中；
CPTH软件集成调试环境：安装在PC机硬盘上，
（通过RS-232C串行通讯），自带编译器；
CPTH指令系统：随集成调试环境安装在计算机的硬盘上。

四 CPTH指令系统
指令基本格式：
指令分类：寻址方式（5种）：立即数寻址、寄存器寻址寄存器间址
存储器直接寻址，累加器寻址等
操作数个数：单、双、无
CPTH指令集：算术运算指令、逻辑运算指令、移位指令、数据传输指令、跳转指令、中断返回指令、输入/输出指令。

五 CPTH实验系统特点：
1. 采用总线结构
三组总线：地址总线ABUS、数据总线DBUS、指令总线IBUS。

CPTH为8 位机，数据总线、地址总线、指令总线都为8位。

2. 采用模块化设计
✧运算器模块ALU，
✧寄存器模块（A，W，IA ，ST，MAR，R0…R3等），
✧程序计数器模块PC，
✧主存模块EM，
✧指令寄存器模块IR，
✧微地址计数器模块uPC，
✧微程序控制器模块〈微控存〉uM，
✧组合逻辑控制模块及I/O等控制模块。

3. 提供两种实验模式
脱机手动：通过实验箱上的24位开关输入数据，控制信号，用发光
二极管、数码管显示输出结果，实现手动操作方式的输入
/输出和机器调试。

连机自动：通过PC机（或实验箱上的键盘及液晶显示器），直接输
入、编译、装载用户程序，实现微程序控制运行。

4. 支持两种控制器
微程序控制器
组合逻辑控制器
5. 提供集成调试环境
支持RS-232C串行通讯，将实验箱与PC机连接起来。

集成调试环境自带编译器，支持符合该系统的汇编语言程序的编辑、编
译、调试，使调试过程形象生动。

6. 开放性设计
可采用EDA技术，用VHDL语言编程设计扩充运算器的运算功能。

可设计自己的指令/微指令系统。

六各模块实验：
实验一寄存器模块实验
1．A，W 寄存器写实验
✧实验目的：了解模型机中各种寄存器结构、工作原理及其控制方法。

✧实验原理图：
图1-1寄存器A、W原理图
图1-2寄存器A，W写工作波形
✧ 实验任务及接线：
用CPTH 实验箱上的K16..K23 开关做为数据输入，其它开关做为控制信号，将数据写入累加器寄存器A ，工作寄存器W 。

将55H 写入A 寄存器；
将66H 写入W 寄存器；
✧ 实验结果填表：
✧ 实验步骤：
（1）系统清零和手动状态设定：K23-K16开关置零，按[RST]钮，按[TV/ME]键三次，进入"Hand......"手动状态。

（2）二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据55H （3
（4）按住小键盘上的STEP 脉冲键，CK 由高变低，这时寄存器A 的黄色选择指示灯亮，表明选择A 寄存器。

放开STEP 键，CK 由低变高，产生一个上升沿，数据55H 被写入A 寄存器。

将33H 写入W 寄存器步骤同上。

2. R0、R1、R2、R3 寄存器读写实验
✧实验目的：了解模型机中各种寄存器结构、工作原理及其控制方法。

✧实验原理图：
图1-3 寄存器R 原理图
图1-4寄存器R 写工作波形图
实验任务及接线：
用CPTH 实验箱上的K16..K23 开关做为数据输入，其它开关做为控制信号，将数据写入寄存器组R0..R3
将11H 写入R0寄存器；
将22H 写入R1寄存器；
将44H写入R3寄存器
实验结果填表
实验二 运算器模块实验
✧ 实验目的：了解模型机中算术、逻辑运算单元的控制方法。

✧ 实验原理：CPTH 运算器由一片lattic e 公司的LC4256V-100 CPLD 实现的。

有8 种运算功能：加、减、与、或、带进位加、带进位减、取反、直出；通过S2，S1，S0 选择运算功能； 运算数据：由寄存器A 、W 给出； 运算结果输出到直通门D ；
功能选择表
✧ 接线表：
✧ 实验任务：利用CPTH 实验仪的K16..K23 开关做为DBUS 数据，其它开关做为控
制信号，将数据写累加器A 和工作寄存器W 。

将55H写入A寄存器，将33H写入W寄存器。

.
用K2，K1，K0控制ALU的运算功能选择，实现各种运算器。

. 实验结果填表
表8 将数值写入寄存器A、W
表9 运算器运算结果
实验三存储器模块实验
1. 存储器EM 实验
✧实验目的：了解模型机中程序存储器EM 的工作原理及控制方法。

✧实验原理：存储器EM 由一片6116 RAM 构成，是用户存放程序和数据的地方。

EM
通过一片74HC245 与数据总线相连。

存储器EM 的地址可选择由PC或MAR 提供。

✧接线表：
✧实验任务：利用CPTH 实验仪上的K16..K23 开关做为DBUS 的数据，其它开关做
为控制信号，实现程序存储器EM 的读写操作。

置控制信号并观察实验结果及填表。

✧实验结果填表
表18 存储器EM 的写操作
2. 微程序存储器uM实验
✧实验目的：了解微程序控制方式基本工作原理；微
程序存储器uM的控制方法。

✧实验原理：存储器uM 由三片6116 RAM 构成，共24 位微码，存储器的地址由uPC
提供, 片选及读信号恒为低, 写信号恒为高. 存储器uM 始终输出uPC 指定地址单元
的数据。

图3-11 uM 原理图
✧ 接线表：
表20 连接线表
✧ 实验任务：利用
CPTH 实验仪上的开关做为控制信号，实现微程序存储器uM 的输
出功能。

输出uM 的数据。

✧ 实验结果填表
七实验步骤
1．开机前，检查实验箱的电源线是否接好。

2．按各模块实验的接线是否接好。

3. 打开实验箱电源，按实验操作步骤操作，记录实验结果。

4. 分析实验数据
八注意事项：。