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第一章TWL-PCC教学实验系统概述

一．引言

TWL-PCC计算机组成原理教学实验系统是专为《计算机组成原理》实验课程的开展而研发的高性能的教学实验系统。

该系统结构清晰，操作方便、灵活多样，其功能部件丰富，且具有很高的开放性能（硬件和软件），结合联机操作软件，具有极佳的示教效果。

本实验系统由下位机实验操作开发平台和上位机联机软件操作平台构成。

上位机用来进行代码的编辑、联机通讯等，它可以监控下位机的所有控制信号，监视其运行，实时地修改下位机中的存储器中的指令及微控器中的微代码，进行动态调试，不管是部件实验还是模型机实验都具有用数据流图动态实时的表示出其总线间的数据流动、显示相关单元中的数据内容，从而将传统的实验操作变的形象直观、丰富多彩，极大的增强了学生的实验兴趣。

二．系统功能特点

1．两种操作方式，可相互切换，实验操作及观察更容易。

系统提供两种操作方式：

通过RS-232串行口与PC微机联机，可在PC机上对系统进行编程、装载、调试等操作，以动态图形界面进行实时显示，使得实验系统的任何动作都能形象直观的表达出来。

2．多种形式的动态图形调试界面，对系统进行全面实时监控调试。

系统具有从部件实验到模型机等多种动态图形监控调试界面，在调试过程中实时显示系统中的各部件的内容、各控制信号的状态及各部件之间数据的动态传送过程等所有信息。

3．结构清晰的单元式实验电路，可根据具体要求构造出不同结构及复杂程度的原理性计算机。

系统采用单元式结构电路，各个部件单元相互独立，用户可根据自己所设计的模型机结构方案，将不同的单元用排线连接起来，来构造不同结构及复杂程度的原理性计算机。

4．实验系统具有极高的开放性，增强学生的综合设计能力。

实验系统的微程序控制器中的微代码及微代码格式均可由用户定义，从而可以设计不同功能及复杂程度的指令系统。

5．具有中断响应、中断允许、中断禁止和中断向量的读入等中断处理控制功能。

6．部件实验具有总线冲突检测功能。

7．实验连线在线检测及逻辑示波器测量平台。

三．技术指标

1．机器字长8位，运算器、存储器、寄存器和内部数据总线、外部数据总线、地址总线均为8位。

2．控制器采用微程序控制，由4片28C16EEPROM组成，所以具有32位微代码。

3．采用6116RAM作为主存，使用低8位地址，可寻址256个字节单元，来存放用户程序和数据。

4．实验系统上的时钟产生电路产生50～300HZ的时钟信号，可由可调电位器进行调节。

系统的时序发生器单元根据信号源产生T1、T2、T3、T4节拍信号，以提供整个实验系统电路的时序所需。

5．由二片74LS181芯片以串/并形式组成8位算术和逻辑运算器。

6．具有中断控制功能，有中断响应、中断允许、中断禁止和中断向量的读入等中断处理控制功能。

7．具有堆栈指针功能，可控制加一减一，在RAM中设置堆栈区，由堆栈指针SP指向。

8．实验系统上具有微程序的编程、校验及运行功能，微地址为8位。

可由32位微代码二进制开关进行编程校验。

有32位微代码显示灯、8位微地址显示灯、8位总线显示灯，8位地址总线显示灯。

9．指令系统指令字长8位，操作码4位或6位。

模型机可以设计多种寻址方式。

10．联机软件有从部件到模型机多种动态图形界面，模型机的图形调试界面可控制实验系统单步微指令、单步机器指令、连续运行、设置断点、读写机器指令及微指令、文件的保存及装载等功能。

四．基本实验项目

1．运算器组成实验

2．静态存储器实验

3．时序发生器及启停电路实验

4．总线及数据通路组成实验

5．控制器实验

6．基本模型机的设计与实现

7．复杂模型机的设计与实现

五．系统构成

TWL-PCC计算机组成原理实验系统是由下位机硬件实验开发平台和上位机联机操作软件构成，实验开发平台通过RS232C串行通讯电缆和PC微机串行通讯口相连进行通讯。

如图1.1。

该系统可只由下位机硬件实验开发平台来完成所有实验及开发，也可辅助上位机联机操作软件联机实验调试，实验效果更形象直观，易于学生理解及其具有的趣味性，从而提高了学生的学习兴趣，

有利于增强学生的创新意识。

图1.1TWL-PCC实验系统与PC微机连接示意图

系统硬件结构图如图1.3所示。

图1.3系统硬件结构图

第二章教学实验系统硬件基本组成

一．系统电源

TWL-PCC组成原理教学实验系统采用高效开关电源作为系统工作和实验电源，其主要技术指标为：

1．输入电压：

AC90～264V@47～63HZ

2．输出电压／电流：

5V/2A,调整范围：

±10%

3．输出功率：

10W

4．效率：

72％

5．保护功能：

过压保护：

110%～150%；

过载保护：

105%～150%，自动恢复

６．工作环境温度：

-10℃～50℃

当关闭电源后，不要立即重新开启，关闭到重新开启之间需要至少30秒间隔。

二．实验系统单元电路构成

图2.1系统硬件实验开发平台组成框图

TWL-PCC组成原理教学实验系统的硬件实验开发平台的基本组成框图如图2.1所示，所有电路做在一块印刷电路板上。

实验一运算器组成实验

一、实验目的

1、熟练掌握几种四则运算方法。

2、掌握运算器的工作原理及其组成结构。

3、熟悉简单运算的数据传送通路。

4、验证运算器功能发生器（74LS181）组合功能。

5、按给定数据完成指定的算术和逻辑运算。

二、实验设备

TWL-PCC计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干；PC微机一台（选配）。

三、实验原理

运算器数据通路图如图1.1。

运算器单元由算术逻辑运算单元（ALU）、两个字长的工作暂存器TR1和TR2及一个8位的输出三态门组成。

其中ALU是由两片74LS181以并-串型构成的8位字长的算术逻辑运算单元。

两个芯片的控制端S3、S2、S1、S0、M相应的控制信号相互并到一起由排针引出至外部。

74LS181的功能表见表1-1。

参与运算的两数据暂存器TR1和TR2由锁存器74LS273来实现。

当C_TR1或C_TR2为高电平时，此时来一个T4脉冲，内总线上的数据即被打入到相应的暂存器中。

运算器的运算结果数据输出经过一个三态门（74LS245）连接到内总线上，此三态门输出由B_ALU信号控制，当B_ALU为低电平（0）时，运算器的运算结果输出至内总线上，而为高电平

（1）时，则输出高阻态，不影响内总线上的其他数据。

图1.1运算器数据通路图

“输入设备单元”的8位数据开关经过一个三态门（74LS245）连接到内总线上，该三态门的输出由B_SW和RD控制信号相或得出，当或的结果为低电平（0）时，数据开关所置的数据输出至内总线上。

“数据总线”单元上的总线数据显示灯已与内总线相连，用来显示内总线上的数据。

运算器单元所须的T4脉冲信号连接至该单元的T4排针端。

实验时，微动开关KK2的输出KK2+连接到该单元的T4排针端，按动一下微动开关，即可获得一个单脉冲信号。

此实验中的其他S3、S2、S1、S0、M、CN、C_TR1、C_TR2、B_ALU、B_SW、RD等都为电平信号，将他们连接到“开关组单元”中的二进制数据开关上来模拟不同的电平状态。

“开关组单元”的SW1--SW17为相互独立的二进制数据开关，开关向上时为0，开关向下时为1。

表1.174LS181的逻辑功能表

输入为A和B，输出为F，为正逻辑。

S3S2S1S0

M=0（算术运算）

M=1（逻辑运算）

Cn=1（无进位）

Cn=0（有进位）

0000

F=A

F=A加1

F=A

0001

F=A+B

F=（A+B）加1

F=A+B

0010

F=A+B

F=（A+B）加1

F=AB

0011

F=0减1

F=0

0100

F=A加AB

F=A加AB加1

F=AB

0101

F=AB加（A+B）

F=AB加（A+B）加1

F=B

0110

F=A减B减1

F=A减B

F=A⊕B

0111

F=AB减1

F=AB

1000

F=A加AB

F=A加AB加1

F=A+B

1001

F=A加B

F=A加B加1

F=A⊕B

1010

F=AB加（A+B）

F=AB加（A+B）加1

F=B

1011

F=AB减1

F=AB

1100

F=A加A

F=A加A加1

F=1

1101

F=A加（A+B）

F=A加（A+B）加1

F=A+B

1110

F=A加（A+B）

F=A加（A+B）加1

F=A+B

1111

F=A减1

F=A

对于单总线数据通路，做实验时就要分时控制总线，即在一个时间不能有两个或两个以上的数据输出至总线上，这样会造成总线数据冲突。

在此实验时，当向TR1或TR2工作暂存器打入数据时，数据开关三态门打开，这时应保证运算器输出三态门关闭；同样，当运算器输出结果至总线时也应保证数据输入三态门是在关闭状态。

本TWL-PCC计算机组成原理实验系统中的所有LED指示灯均为亮时所示状态为高电平

（1），灯不亮时所示其状态为低电平（0）。

在做本实验时，结合本实验系统配套的上位机联机操作软件，将实验系统和PC微机用配套的串行电缆相连，打开实验系统电源，在软件中选择正确的串口并保证通讯成功后，选择【视图】—【部件通路图】—【算术逻辑运算】，即可实时观测该实验各个控制信号的状态、显示动态数据流及总线数据是否冲突等各种情况，以使实验效果更形象直观。

四、实验步骤

1、连接实验线路。

参考实验连线图见图1.2。

图中将需要连接的信号线用小圆圈标明（以后其它实验相同，不再说明）。

仔细检查无误后，接通电源。

图1.2运算器组成实验接线图

2、先置B_ALU=1、B_SW=1,RD=0,暂存器TR1和TR2的门控信号都为低电平（C_TR1=0、C_TR2=0）。

3、通过数据开关向暂存器TR1中置数。

1拨动8位数据开关形成01100010。

②B_SW=0,C_TR1=1。

③按动微动开关KK2，将数据开关上的数据（01100010）打入到TR1中，然后C_TR1=0。

4、通过数据开关向暂存器TR2中置数。

①拨动8位数据开关形成10101101。

②数据开关上的数据输出至总线（B_SW=0）,打开暂存器TR2的门控信号（C_TR2=1）。

③按动微动开关KK2，产生一个T4脉冲，将数据开关上的数据（10101101）打入到TR2中。

然后关掉暂存器TR2的门控信号（C_TR2=0）。

5、B_SW=1，B_ALU=0,使运算器输出至总线上。

改变运算器的控制信号S3S2S1S0M及CN的状态，就可获得不同的运算结果。

参照表1.1其逻辑功能表。

如：

先检验TR1和TR2中打入的数是否正确，可将S3S2S1S0M分别置为11111时总线上显示的为TR1中的数；将S3S2S1S0M分别置成10101时则显示的为TR2中的数。

五、实验要求

1、做好预习，掌握ALU的功能特性，并熟悉本实验中所用的控制开关的作用和使用方法。

2、置数TR1=62H，TR2=ADH，改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，记录到下表1.2中，并进行理论分析，得出结论。

表1.2

DR1

DR2

S3S2S1S0

M=0（算术运算）

M=1

（逻辑运算）

Cn=1无进位

Cn=0有进位

理论值

实验值

理论值

实验值

理论值

实验值

62H

ADH

0000

F=62H

F=63H

F=9DH

62H

ADH

0001

F=EFH

F=F0H

F=10H

62H

ADH

0010

F=72H

F=73H

F=8DH

62H

ADH

0011

62H

ADH

0100

62H

ADH

0101

62H

ADH

0110

62H

ADH

0111

62H

ADH

1000

62H

ADH

1001

62H

ADH

1010

62H

ADH

1011

62H

ADH

1100

62H

ADH

1101

62H

ADH

1110

62H

ADH

1111

F=61H

F=62H

实验二静态存储器实验

一、实验目的

1、掌握SRAM的工作特性及使用方法。

2、了解半导体存储器存储和读出数据的方法。

二、实验设备

TWL-PCC组成原理教学实验系统一台，排线若干，PC微机一台（选配）。

三、实验原理

实验SRAM通路图见图2.1所示。

SRAM由一片6116构成，其容量为2048×8位。

从原理图中可以看出它的A10-A8脚接地，只有A7-A0地址使用，所以实际使用存储容量为256字节。

存储器的地址线A7-A0、数据线D7-D0、控制线片选线CS、写线WE及输出使能线OE均由排针引出，供用户接线。

6116功能表见表2.1所示。

表2.16116功能表

状态

D7~D0

未选中

高阻抗

禁止

高阻抗

读出

数据读出

写入

数据写入

写入

数据写入

存储器的地址由“地址寄存器单元”给出。

地址寄存器的输入和存储器的数据都接到内总线上，他们是由“输入设备单元”的数据开关经三态门连接到总线上分时给出地址和数据。

地址寄存器的打入时钟是由C_AR和T3脉冲相与得到。

C_AR为高电平时，此时来一个T3脉冲，即会产生一个有效的打入时钟，将当前总线上的数据打入到地址寄存器中，同时，地址指示灯实时显示地址寄存器中的内容。

实验中T3脉冲可以由按动微动开关KK2产生，只要将“时序发生器单元”中的KK2+排针端接到“总线单元”的T3端上即可。

图2.1静态存储器通路图

四、实验步骤

1、连接实验线路。

参考实验连线图如图2.2所示。

仔细检查无误后，接通电源。

2、连续写存储器。

给00H、01H、02H、03H、04H地址单元分别写入数据AAH、BBH、CCH、DDH、EEH。

①写地址。

CS=1，WE=1、OE=1，B_SW=0、RD=0,

此时数据开关中的数输出占领总线，将数据开关的数置为00H，C_AR=1，按动KK2产生T3脉冲，将00H打入地址寄存器，同时地址总线指示灯显示。

②写数据。

C_AR=0,数据开关置AAH，CS=0，将

WE进行1→0→1操作，此时数据开关中的数AAH被写到存储器的00H地址单元中。

③重复①②，分别在01H、02H、O3H、O4H地

址单元中写入数据BBH、CCH、DDH、EEH。

3、连续读存储器。

将存储器00H、01H、02H、

03H、04H地址单元中的数分别读出，观察读出的结果与写入结果是否一致。

①写地址。

CS=1，WE=1、OE=1，B_SW=0、RD=0,

此时数据开关中的数输出占领总线，将数据开关的数置为00H，C_AR=1，按动KK2产生T3脉冲，将00H打入到地址寄存器中，同时地址总线指示灯显示。

②读数据。

B_SW=1,CS=0，OE=0，此时总线上

显示从存储器00H地址单元读出的数据AAH。

③重复①②，分别读出01H、02H、O3H、O4H

地址单元中的数据，观察与写入的数据是否一致。

图2.2静态存储器实验接线图

4、填写下列表格

数据输入

数据输出

00000000

11111111

FFH

00000001

11111110

FEH

00000010

11111101

FDH

00000011

11111100

FCH

00000100

11111011

FBH

00000101

11111010

FAH

00000110

11111001

F9H

00000111

11111000

F8H

00001000

11110111

F7H

00001001

11110110

F6H

00001010

11110101

F5H

00001011

11110100

F4H

00001100

11110011

F3H

00001101

11110010

F2H

00001110

11110001

F1H

00001111

11110000

F0H

实验三总线及数据通路组成实验

一、实验目的

1、理解总线的概念、作用和特性。

2、掌握用总线控制数据传送的方法。

3、进一步熟悉教学计算机的数据通路。

4、掌握数字逻辑电路中故障的一般规律，以及排除故障的一般原则和方法。

5、锻炼分析问题与解决问题的能力，在出现故障的情况下，独立分析故障现象，并排除故障。

二、实验设备

TWL-PCC计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干；PC微机一台（选配）。

三、实验原理

总线用来连接各个功能部件，是各部件之间传输信息的公共通路。

分时和共享是总线的两大特征。

本实验的数据通路图如图4.1。

本实验将输入设备，输出设备，存储器，通用寄存器等单元都挂至总线上，各个部件都有自己的输入输出控制信号。

各个部件的控制信号都需要是连接到“开关组单元”的各个独立的二进制开关上来手动控制。

连接到总线上的地址寄存器只有输入线，其输出直接连接到存储器的地址，用于锁存需读写的存储器的地址。

本实验中时序信号用到了T3和T4信号，可将“信号源单元”的时钟输出SY接到“时序发生器单元”的Φ上，将OT3和OT4分别连接到“总线单元”中相应的T3和T4端上，二进制开关拨至“单步”状态，然后每按动一次启动键START，就会顺序产生一个T3、T4时序信号。

根据挂接在总线上的几个部件，现设计一个简单的实验要求：

将存储器10H地址存入数据93H，然后将存储器10H地址单元中存储的数据送输出单元显示，同时也存入到R0寄存器中。

图4.1总线实验数据通路图

四、实验步骤

1．本实验有两种连线方式：

①各个单元的控制信号分别由不同的开关独立控制，连线参考图见图4.2。

②同后边模型机实验相同，存储器、I/O设备有各自的片选线，但是共用一根读线和一根写线。

2、不同的连线图就有不同的执行流程，按照第一种连线方式，完成实验任务须有以下几步操作：

①数据输入开关置10H打入到地址寄存器。

②数据输入开关置数据93H打入到存储器。

③存储器输出数据到输出设备同时打入R0。

3、连接实验线路。

参考实验连线图如图4.2所示。

仔细检查无误后，接通电源。

4、置初始态：

CLR=1,B_SW=1,RD=1、C_AR=0、CS=1、OE=1、WE=1、CS=1、WR=1、B_R0=1、C_R0=0。

5、“时序单元”开关拨至“单步”状态。

1数据开关置数10H，B_SW=0、RD=0,C_AR=1，

按动START，将总线上的数据打入地址寄存器。

关掉地址寄存器打入门控信号（C_AR=0）。

2数据开关置93H，CS=0、OE=1、WE=1→0→1,

将总线上的数据93H写入到存储器当前地址单元中。

B_SW=1，CS=1。

③CS=0、WE=1、OE=0，CS=0、WR=1→0→1，

此时存储器中的数打入到输出设备的数码管中显示，同时，C_R0=1,按动START，将总线上的数据打入到通用寄存器R0中。

然后CS=1,C_R0=0。

五、实验要求

1、在数据传送过程中，发现了什么故障？

记录故障现象,排除故障的分析思路,故障定位及故障的性质。

2、以第二种实验接线方法实现本实验要求，即存储器、I/O设备（包括输入设备和输出设备）有各自的片选线，但是共用一根读线和一根写线的方式连接实验线路，分析有什么区别，编写执行流程，写出详细的实验步骤,记录实验数据。

图4.2总线实验接线图

实验四控制器实验

一、实验目的

1、掌握计算机控制器的功能、组成及其不同的结构。

2、掌握微程序控制器的组成、工作原理。

3、学习微程序控制器的设计与实现。

4、掌握设计指令的执行流程。

5、熟悉本教学计算机微程序的编制、写入，观察微程序的运行。

二、实验设备

1、TWL-PCC计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。

2、PC微机一台（选配）。

三、实验原理

1．控制器原理

本实验的控制器为微程序控制器。

微程序控制器的基本思想可以概括为两点：

①将控制器所需要的微命令，以微代码的形式编成微指令，存入一个控制存储器中，这个控制存储器由只读存储器ROM构成。

在计算机运行时，从控存中取出微指令，用其所包含的微命令来控制有关部件的操作。

②将每种机器指令分解为若干条微操作序列，用若干条微指令来解释一条机器指令。

再根据整个指令系统的需要，编制出一套完整的微程序，预先存入控存中。

微程序控制器的工作原理是将一条微指令分成两部分：

控制命令字段和下址字段，用微指令的控制命令字段来提供一条机器指令的一个执行步骤所需要的控制信号，用这条微指令的下址字段来指明下一条微指令在控制存储器中的地址，用于从控制存储器中读出下一条微指令。

微程序控制器的组成结构包括：

控制存储器（CM）、微指令寄存器（μIR）、微地址寄存器（μAR）及后

续微地址形成电路。

2．单元电路组成

本教学计算机中的微程序控制器组成原理图如图5.1所示。

其逻辑框图则如图5.2所示。

该单元主要由以下部件组成：

（1）控制存储器（CM）

控制存储器（CM）由4片2816（2K×8位）E2PROM组成，具有掉电保护功能，用于存放32位微指令。

每片2816的高位地址A10～A8均接地，只用A7～A0。

将4片2816并联起来，就构成了容量为256×32

位控制存储器，即可以存放256条微指令。

“微控器单元”有一个三档拨动开关，用来选择控制器处于编程/校验/运行状态。

“编程”状态即手动给控存写数据，“校验”状态即手动校验控存给定地址中的数据。

教学计算机运行时须拨在“运行”状态。

控存的4片2816的片选信号CS分别由单片机控制单元的P3.2、P3.3、P3.4、P3.5控制。

平时都为有效状态，只有联机操作时上位机对控存进行读写时，会关掉所有片选，然后依次打开每片进行读写操作。

而4片2816的输出使能OE、写信号WE均由编程单元

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