計算機組成原理實驗臺

一、計算機組成原理實驗臺系統特點

（1）結構清晰、實時監視器

各單元部件都以計算機結構模型布局，清晰明了，各寄存器、部件均有 8 位數據指示燈顯示其二進制值，兩個8 段碼LED 顯示其十六進制值，清楚明了，兩個數據流方向指示燈，以直觀反映當前數據值及該數據從何處輸出，而又是被何單元接收的。這是該產品的“實時監視器",使得系統在實驗時即使不借助PC機，也可實時監控數據流狀態及正確與否,改變了其它實驗設備為監控狀態必須加入讀操作的不真實實驗方法，使得學生十分容易認識和理解計算機組成結構。實驗系統各部件可以通過J1、J2、J3 座之間不同的連線組合，可進行各部件獨立的實驗，也可進行各部件組合實驗，再通過與控制線的組合，就可構造出不同結構及復雜程度的原理性計算機。

（2）開放式設計

實驗系統的軟硬件對用戶的實驗設計具有開放性。與眾不同的是：實驗臺各實驗模塊的數據線、地址線與系統之間的掛接是通過三態門，而不是其它實驗設備所采用的扁平連線方法，而數據線、地址線是否要與系統連通，則由用戶連線控制，這樣，就真實的再現了計算機工作步驟。需要強調指出的是：用“連線跨接"并不能說明其開放特性，而所謂的開放性應指的是運算器、控制器及微程序設定的格式及定義能否進行修改和重新設計。系統的運算器采用了代表現代科技的EDA 技術設計，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，也可自行重新設計并通過JTAG 口下載?？刂破魑⒃O定格式及定義可通過鍵盤和PC 機進行重新設計，從而產生與眾不同的指令系統。系統的數據線、地址線、控制線均在總線插孔區引出，并設計了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。系統提供的兩種控制器之一的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 機上進行自動化設計。

開放式設計的特點還在于，用戶可以設計自己的指令/微指令系統。系統中已帶有兩套指令/微程序系統，用戶可參照來設計新的指令/微程序系統。

（3）支持中斷實驗

采用最底層的器件設計而非有些產品所采用的集成器件 8259，從而讓學生可以從微程序層面上學習中斷請求、中斷響應、中斷處理、中斷入口地址的產生、中斷服務程序及中斷返回（RETI）整個過程。專家指出：“中斷"是單片機、微機、DSP 等學科中所需的功能，故應在計算機原組成原理這門基礎學科中對其進行充分的學習和實驗。

(4) 兩種控制器方式

系統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，系統能提供在線編程，實時修改程序，顯示程序并調試進行的操作環境。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 機上進行自動化設計。微程序控制器和組合邏輯控制器兩種類型都有流水和非流水兩種方案。

（5） 三種工作方式

1、手動方式——不連PC 機，通過實驗儀的開關輸入信號進行實驗，用LCD 及各部件的8 個狀態LED，兩個LED 數碼管觀察運行狀態和結果，手動進行實驗；

2、聯機方式——連PC 機，通過WINDOWS 調試環境及圖形方式進行更為直觀的實驗。在WINDOWS 調試環境中提供了功能強大的邏輯分析和跟蹤功能，既可以以波形的方式顯示各邏輯關系，也可在跟蹤器中，觀察到當前狀態的說明及提示；

3、脫機方式——不連PC 機，通過實驗儀的鍵盤輸入程序、微程序，用LCD 及各部件的8 個狀態LED，兩個LED 數碼管觀察運行狀態和結果，手動進行實驗；

（6）完善的尋址方式

累加器尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、立即數尋址、存儲器尋址；

（7）運算器和控制器采用CPLD LC4256芯片,支持VHDL語言、Verlog語言和圖形化語言.

（8）邏輯分析儀

對于教師而言，不難體會要講清時序關系是不容易的。而學生理解并利用時序關系則難上加難。而由于現代集成技術的迅猛發展，在實際工作中需要更多的利用邏輯分析工具進行時序分析。計算機組成原理與系統結構教學實驗系統具備高性能邏輯分析功能，老師可通過電化教學設備向學生現場展示指令與時序的關系，可讓學生在實驗時直觀地觀測到指令與時序的關系，可有效的提高教學效果。

（8）豐富的調試手段，具有單步、微單步、運行、暫停等功能。

（9）通過實驗儀或PC機鍵盤,在線動態修改寄存器、程序/微程序計數器、程序/微程序存貯器的內容。

（10）具有系統自動檢測功能，能精確顯示故障位置。

（11）支持USB通訊連接，可以適應筆記本，臺式機等多種機型，運行環境為Windows2000/XP/ Win7/Win8系統。

二、系統組成
   系統由實驗主板、調試軟件、內置開關電源組成。

采用數字電路設計“組成原理"，以便從最底層來展現“原理"之精髓，采用CPLD設計運算器和微程序控制器。

系統實驗主板有：寄存器組、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、擴展座、總線插孔區、微動開關/指示燈、邏輯筆、脈沖源、MCS-51智能管理單片機、24個撥碼開關、4*6矩陣鍵盤、字符式LCD、RS232口、USB通訊口。
三、計算機組成原理實驗臺實驗項目

模型機模塊實驗

（1）寄存器實驗

實驗1：A，W 寄存器實驗

實驗2：R0，R1，R2，R3 寄存器實驗

實驗3：MAR 地址寄存器，ST 堆棧寄存器，OUT輸出寄存器

（2）運算器實驗 （加、減、或、與、帶進位加、帶進位減、A取反、A輸出，共8種運算。）

（3）數據輸出實驗/移位門實驗

實驗1：數據輸出實驗

實驗2：移位實驗 （位左移；位右移）

（4）微程序計數器UPC 實驗

實驗1：uPC 加一實驗

實驗2：uPC 打入實驗

（5）PC 實驗

實驗1：PC 加一實驗

實驗2：PC 打入驗

（6）存儲器EM 實驗

實驗1：PC/MAR 輸出地址選擇

實驗2：存儲器EM 寫實驗

實驗3：存儲器EM 讀實驗

實驗4：存儲器打入IR指令寄存器/uPC實驗

實驗5：使用實驗儀小鍵盤輸入EM

（7）微程序存儲器UM 實驗

實驗1：微程序存儲器uM 讀出

實驗2：使用實驗儀小鍵盤輸入uM

（8）中斷實驗

（9）模型機綜合實驗（微程序控制器）

實驗1：數據傳送實驗/輸入輸出實驗

實驗2：數據運算實驗（加/減/與/或）

實驗3：移位/取反實驗

實驗4：轉移實驗

實驗5：調用實驗

實驗6：中斷實驗

實驗7：指令流水實驗

實驗8：RISC 模型機

（10）組合邏輯控制

實驗1：組合邏輯控制器

實驗2：用CPLD實現運算器功能

（11）設計指令/微指令系統

（12）模型機擴展實驗

擴展實驗一：用8255 擴展I/O 端口實驗

擴展實驗二：用8253 擴展定時器試驗

注：實驗（1）～（8）為手動微代碼控制，（9）～（12）為微程序或組合邏輯控制。