电子科技大学中山学院计算机组成原理实验1系统认识实验

实验一系统认识实验

1. 实验目的

(1) 建立对计算机组成及其原理的基本认识；

(2) 熟悉实验箱的构成；

(3) 熟悉联机软件CMA的使用。

2. 实验设备

TD-CMA 教学实验系统一套，PC机一台。

3. 实验原理

3.1 计算机系统的基本组成

一个完整的计算机系统是由硬件系统和软件系统两部分组成的，二者是一个有机的整体，必须协同工作才能发挥计算机的作用。

3.1.1 数字计算机的组成

一台典型的数字计算机是由五大部分组成的，即运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备。其基本硬件结构图如图1-1所示。

图1-1 数字计算机的基本硬件结构图

运算器：是用来进行算术和逻辑运算的部件。它由算术逻辑部件(ALU)和若干通用寄存器组成。它的主要功能是进行加、减、乘、除等算术运算和实现“与”、“或”、“非”等逻辑运算。

存储器：用来存放程序和数据的部件。它以单元为单位线性编址，按地址读／写其单元。

输入／输出设备：计算机由输入设备接受外部信息，通过输出设备将信息送往外部。

控制器：负责协调上述部件的操作，发出控制命令，是计算机的指挥中心。它从存储器中取出指令，进行分析，然后发出由该指令规定的一系列微操作命令，通过控制所有其他部件来完成指令规定的功能。

通常，又把运算器和控制器合在一起称为中央处理器，即CPU。

由图1－1可以看出，在计算机中，基本上有两股信息在流动：一种为数据信息流，即各种原始数据、中间结果、程序等；而另一股为控制信息流，即由控制器发出的一系列微命令序列，用来控制装置的启动或停止，控制运算器按一定的步骤进行各种运算和处理，控制存储器进行读／写，控制输出设备输出结果等。

3.1.2 数字计算机的工作原理

虽然计算机技术已经发展了几十年，计算机体系结构也发生了许多演变，但计算机一般还是基于冯·诺依曼原理来工作的。

冯·诺依曼机的主要特点如下：

(1)计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件构成；

(2)用二进制码表示指令和数据；

(3)采用存储程序的工作方式。

冯·诺依曼计算机的工作方式，可称为控制流(指令流)驱动方式。在这种方式下，按照指令执行的序列，依次读取指令并根据所含有的控制信息调用数据进行处理。因此，在执行的过程中，始终以控制信息流为驱动工作因素，而数据信息流则是被动地被调用处理。

为了对指令流进行控制，通过设置一个程序计数器(PC：Program Counter)来存放下一次将被执行的指令所在单元的地址。对于顺序执行的程序，每取出一条指令后PC的内容就自动加1。当程序发生分支转向时，就将转向去的地址送入PC中，以便按转向地址读取后续指令。所以，PC就可正确地指示并控制指令序列的执行顺序。

3.2 教学实验系统简介

3.2.1 系统功能特点

(1)结构清晰的单元式实验电路，可构造出不同结构及不同复杂程度的原理性计算机；

(2)对实验设计具有完全的开放性，增强学生综合设计能力；

(3)通用逻辑器件和大规模可编程逻辑器件相结合，可面向不同层次的学生；

(4)具有实时调试功能的图形方式操作界面，也可用于多媒体辅助教学；

(5)多种输入／输出方式及逻辑信号测量功能，实验操作及观察更容易；

(6)实验电路具有实时在线检测功能，便于检查接线错误；

(7)提供微程序控制器和组合逻辑控制器两种控制方式；

3.2.2 系统布局

3.2.3系统实验单元电路

(1)微控器电路单元

MC单元主要由编程部分和核心微控器两部分组成。

编程部分是通过编程开关的相应状态选择及由T2引入的节拍脉冲的控制来完成将预先定义好的机器指令对应的微程序写入到E2PROM 2816控制存储器中，并可以对控制存储器中的微程序进行校验。该系统具有本机现场直接编程功能，且由于选用E2PROM 芯片为控制存

储器，所以具备掉电保护功能。

核心微控器主要完成接收机器指令译码器送来的代码，转向相应机器指令对应的微程序的首条微指令，对该条机器指令的功能进行解释或执行的工作。更具体讲，就是通过接收CPU指令译码器发来的信号，找到本条机器指令对应的首条微指令的微地址入口；再通过由T2引入的时序节拍脉冲的控制，读出微指令（实验板上的微控器单元中的24位显示灯(M0～M23)显示的是当前读出的微指令的二进制码）；然后，其中几位再经过译码，一并产生实验板所需的相应控制信号，将它们加到数据通路中相应的控制位置，就可控制实现该微指令的功能；一条微指令执行完毕，地址译码产生下一条微指令对应的微地址；重复上述操作，每运行一段微程序，就完成一条机器指令的功能，周而复始，即可实现机器指令程序的运行。

(2)运算器单元

包括运算器单元和寄存器堆单元。

(1) 运算器单元(ALU UNIT)

运算器部件由一片CPLD实现。ALU的输入和输出通过三态门74LS245连到CPU内总线上，另外还有指示灯标明进位标志FC和零标志FZ。

运算器单元由算术、逻辑和移位运算部件组成。要处理的数据存于暂存器A和暂存器B，三个部件同时接受来自A和B的数据，各部件对操作数进行何种运算由控制信号S3 0

CN来决定，任何时候，多路选择开关只选择三部件中一个部件的结果作为ALU的输出。

(2) 寄存器堆单元(REG UNIT)

这部分由R0、R1、R2、R3组成，它们用来保存操作数及中间运算结果等，其中R2还兼做变址寄存器，R3兼做堆栈指针。

(3)计数器与地址寄存器单元

PC&AR单元位于实验箱线路板的中部，由地址寄存器AR、程序计数器PC构成。地址寄存器的输出以排针形式引出A7…A0

(4)指令寄存器单元

IR单元位于实验箱线路板的中部。由指令寄存器、指令译码器和寄存器译码器构成。指令寄存器单元中指令寄存器的输入和输出都以排针形式引出，构成模型机时实现程序的跳转控制和对通用寄存器的选择控制。

(5)CPU内总线单元

此单元由五排8线排针组成，它们之间相应位是相互连通的，CPU内总线是CPU内部数据集散地，每个部件的输入数据来自于CPU内总线，输出的数据也要通过CPU内总线到达目的地。

(6)控制总线单元

此单元包含有CPU对存储器和IO进行读写时的读写译码电路、CPU中断使能寄存器、外部中断请求指示灯INTR、CPU中断使能指示灯EI。

(7)数据总线单元

数据总线是CPU和主存以及外设之间数据交换的通道，其包含五排8线排针，排针的相应位已和CPU内总线连通。

(8)地址总线单元

此单元由两排8线排针，I/O地址译码芯片74LS139，地址指示灯组成。

(9) 输入设备单元

使用8个可拨动的输入开关作为输入设备。

(10)输出设备单元

输出的数据进入锁存器后由两个LED数码管显示。

(11)主存储器单元

MEM单元包括一片SRAM 6116（静态随机存储器）和一套编程电路。