計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)臺(tái)

一、計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）結(jié)構(gòu)清晰、實(shí)時(shí)監(jiān)視器

各單元部件都以計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)模型布局，清晰明了，各寄存器、部件均有 8 位數(shù)據(jù)指示燈顯示其二進(jìn)制值，兩個(gè)8 段碼LED 顯示其十六進(jìn)制值，清楚明了，兩個(gè)數(shù)據(jù)流方向指示燈，以直觀反映當(dāng)前數(shù)據(jù)值及該數(shù)據(jù)從何處輸出，而又是被何單元接收的。這是該產(chǎn)品的“實(shí)時(shí)監(jiān)視器",使得系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)時(shí)即使不借助PC機(jī)，也可實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)流狀態(tài)及正確與否,改變了其它實(shí)驗(yàn)設(shè)備為監(jiān)控狀態(tài)必須加入讀操作的不真實(shí)實(shí)驗(yàn)方法，使得學(xué)生十分容易認(rèn)識和理解計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各部件可以通過J1、J2、J3 座之間不同的連線組合，可進(jìn)行各部件獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)，也可進(jìn)行各部件組合實(shí)驗(yàn)，再通過與控制線的組合，就可構(gòu)造出不同結(jié)構(gòu)及復(fù)雜程度的原理性計(jì)算機(jī)。

（2）開放式設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟硬件對用戶的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有開放性。與眾不同的是：實(shí)驗(yàn)臺(tái)各實(shí)驗(yàn)?zāi)K的數(shù)據(jù)線、地址線與系統(tǒng)之間的掛接是通過三態(tài)門，而不是其它實(shí)驗(yàn)設(shè)備所采用的扁平連線方法，而數(shù)據(jù)線、地址線是否要與系統(tǒng)連通，則由用戶連線控制，這樣，就真實(shí)的再現(xiàn)了計(jì)算機(jī)工作步驟。需要強(qiáng)調(diào)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(yīng)指的是運(yùn)算器、控制器及微程序設(shè)定的格式及定義能否進(jìn)行修改和重新設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的運(yùn)算器采用了代表現(xiàn)代科技的EDA 技術(shù)設(shè)計(jì)，隨機(jī)出廠時(shí)，已提供一套已裝載的方案，能進(jìn)行加、減、與、或、帶進(jìn)位加、帶進(jìn)位減、取反、直通八種運(yùn)算方式，若用戶不滿意該套方案，也可自行重新設(shè)計(jì)并通過JTAG 口下載。控制器微設(shè)定格式及定義可通過鍵盤和PC 機(jī)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，從而產(chǎn)生與眾不同的指令系統(tǒng)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)線、地址線、控制線均在總線插孔區(qū)引出，并設(shè)計(jì)了40 芯鎖進(jìn)插座，供用戶進(jìn)行RAM、8251、8255、8253、8259 等接口器件的擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)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(shí)驗(yàn)方案，用戶也可使用CPLD 工具在PC 機(jī)上進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)。

開放式設(shè)計(jì)的特點(diǎn)還在于，用戶可以設(shè)計(jì)自己的指令/微指令系統(tǒng)。系統(tǒng)中已帶有兩套指令/微程序系統(tǒng)，用戶可參照來設(shè)計(jì)新的指令/微程序系統(tǒng)。

（3）支持中斷實(shí)驗(yàn)

采用最底層的器件設(shè)計(jì)而非有些產(chǎn)品所采用的集成器件 8259，從而讓學(xué)生可以從微程序?qū)用嫔蠈W(xué)習(xí)中斷請求、中斷響應(yīng)、中斷處理、中斷入口地址的產(chǎn)生、中斷服務(wù)程序及中斷返回（RETI）整個(gè)過程。專家指出：“中斷"是單片機(jī)、微機(jī)、DSP 等學(xué)科中所需的功能，故應(yīng)在計(jì)算機(jī)原組成原理這門基礎(chǔ)學(xué)科中對其進(jìn)行充分的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)。

(4) 兩種控制器方式

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(shí)時(shí)修改程序，顯示程序并調(diào)試進(jìn)行的操作環(huán)境。組合邏輯控制器，已下載有一套完整的實(shí)驗(yàn)方案，用戶也可使用CPLD 工具在PC 機(jī)上進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)。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(dòng)方式——不連PC 機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)儀的開關(guān)輸入信號進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用LCD 及各部件的8 個(gè)狀態(tài)LED，兩個(gè)LED 數(shù)碼管觀察運(yùn)行狀態(tài)和結(jié)果，手動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；

2、聯(lián)機(jī)方式——連PC 機(jī)，通過WINDOWS 調(diào)試環(huán)境及圖形方式進(jìn)行更為直觀的實(shí)驗(yàn)。在WINDOWS 調(diào)試環(huán)境中提供了功能強(qiáng)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(guān)系，也可在跟蹤器中，觀察到當(dāng)前狀態(tài)的說明及提示；

3、脫機(jī)方式——不連PC 機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)儀的鍵盤輸入程序、微程序，用LCD 及各部件的8 個(gè)狀態(tài)LED，兩個(gè)LED 數(shù)碼管觀察運(yùn)行狀態(tài)和結(jié)果，手動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；

（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(shù)尋址、存儲(chǔ)器尋址；

（7）運(yùn)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(huì)要講清時(shí)序關(guān)系是不容易的。而學(xué)生理解并利用時(shí)序關(guān)系則難上加難。而由于現(xiàn)代集成技術(shù)的迅猛發(fā)展，在實(shí)際工作中需要更多的利用邏輯分析工具進(jìn)行時(shí)序分析。計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具備高性能邏輯分析功能，老師可通過電化教學(xué)設(shè)備向?qū)W生現(xiàn)場展示指令與時(shí)序的關(guān)系，可讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)直觀地觀測到指令與時(shí)序的關(guān)系，可有效的提高教學(xué)效果。

（8）豐富的調(diào)試手段，具有單步、微單步、運(yùn)行、暫停等功能。

（9）通過實(shí)驗(yàn)儀或PC機(jī)鍵盤,在線動(dòng)態(tài)修改寄存器、程序/微程序計(jì)數(shù)器、程序/微程序存貯器的內(nèi)容。

（10）具有系統(tǒng)自動(dòng)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(yīng)筆記本，臺(tái)式機(jī)等多種機(jī)型，運(yùn)行環(huán)境為Windows2000/XP/ Win7/Win8系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)組成
   系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)主板、調(diào)試軟件、內(nèi)置開關(guān)電源組成。

采用數(shù)字電路設(shè)計(jì)“組成原理"，以便從最底層來展現(xiàn)“原理"之精髓，采用CPLD設(shè)計(jì)運(yùn)算器和微程序控制器。

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主板有：寄存器組、運(yùn)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(jì)數(shù)器、堆棧、中斷源、輸入/輸出單元、存儲(chǔ)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(kuò)展座、總線插孔區(qū)、微動(dòng)開關(guān)/指示燈、邏輯筆、脈沖源、MCS-51智能管理單片機(jī)、24個(gè)撥碼開關(guān)、4*6矩陣鍵盤、字符式LCD、RS232口、USB通訊口。
三、計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

模型機(jī)模塊實(shí)驗(yàn)

（1）寄存器實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)1：A，W 寄存器實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)2：R0，R1，R2，R3 寄存器實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)3：MAR 地址寄存器，ST 堆棧寄存器，OUT輸出寄存器

（2）運(yùn)算器實(shí)驗(yàn) （加、減、或、與、帶進(jìn)位加、帶進(jìn)位減、A取反、A輸出，共8種運(yùn)算。）

（3）數(shù)據(jù)輸出實(shí)驗(yàn)/移位門實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)1：數(shù)據(jù)輸出實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)2：移位實(shí)驗(yàn) （位左移；位右移）

（4）微程序計(jì)數(shù)器UPC 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)1：uPC 加一實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)2：uPC 打入實(shí)驗(yàn)

（5）PC 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)1：PC 加一實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)2：PC 打入驗(yàn)

（6）存儲(chǔ)器EM 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)1：PC/MAR 輸出地址選擇

實(shí)驗(yàn)2：存儲(chǔ)器EM 寫實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)3：存儲(chǔ)器EM 讀實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)4：存儲(chǔ)器打入IR指令寄存器/uPC實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)5：使用實(shí)驗(yàn)儀小鍵盤輸入EM

（7）微程序存儲(chǔ)器UM 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)1：微程序存儲(chǔ)器uM 讀出

實(shí)驗(yàn)2：使用實(shí)驗(yàn)儀小鍵盤輸入uM

（8）中斷實(shí)驗(yàn)

（9）模型機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)（微程序控制器）

實(shí)驗(yàn)1：數(shù)據(jù)傳送實(shí)驗(yàn)/輸入輸出實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)2：數(shù)據(jù)運(yùn)算實(shí)驗(yàn)（加/減/與/或）

實(shí)驗(yàn)3：移位/取反實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)4：轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)5：調(diào)用實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)6：中斷實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)7：指令流水實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)8：RISC 模型機(jī)

（10）組合邏輯控制

實(shí)驗(yàn)1：組合邏輯控制器

實(shí)驗(yàn)2：用CPLD實(shí)現(xiàn)運(yùn)算器功能

（11）設(shè)計(jì)指令/微指令系統(tǒng)

（12）模型機(jī)擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)

擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)一：用8255 擴(kuò)展I/O 端口實(shí)驗(yàn)

擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)二：用8253 擴(kuò)展定時(shí)器試驗(yàn)

注：實(shí)驗(yàn)（1）～（8）為手動(dòng)微代碼控制，（9）～（12）為微程序或組合邏輯控制。