计算机组成原理
课程设计
姓名：聂彪
班级：192102-26 学院：计算机学院 学号：20101003907 日期：20xx年12月
指导老师：刘超
目录
一.目录?????????????????????（1）
二.实验内容???????????????????（2）
1.实验原理?????????????????????（2）
2.实验一常规型微程序控制器组成实验????????（4）
2.1实验目的
2.2实验设备
2.3实验电路
2.4实验任务
2.5实验步骤与分析
3.实验二 CPU组成与机器指令执行实验????????（8）
3.1实验目的
3.2实验设备
3.3实验电路
3.4实验任务
3.5实验步骤与分析
4.实验三中断原理实验???????????????（10）
4.1实验目的
4.2实验设备
4.3实验电路
三.审查过程??????????????????（11）
四.问题及解决思路???????????????（13）
五.实验心得??????????????????（14）
实验原理
一：TEC-4 计算机组成实验系统简介
TEC-4计算机组成实验系统由清华同方教学仪器设备公司研制。它是一个典型的计算机模型实验仪器，可用于将大专、本科、硕士研究生计算机组成原理课程、计算机系统结构课程的教学实验。该仪器将提高学生的动手能力就，提高学生对计算机整体和各组成部分的理解，提高学生对计算机系统的综合设计能力。
二：TEC-4计算机组成实验系统的组成
1.控制台
2.数据通路
3.控制器
4.用户自选器件实验区
5.时序电路
6.电源部分
三：时序发生器
时序发生器器产生计算机模型的时序。TEC-4计算机组成原理实验的时序电路如图一，电路采用2片GAL22V10（U6,U7）,可产生两级等间隔时序新号T1-T4和W1-W4。其中一个W由一轮T1-T4循环组成，相当于一个微指令周期；而一轮W1-W4循环可供硬连线控制器执行一条机器指令。
CLR#为复位新号，低有效。试验仪处于任何状态下令CLR#=0，都会使时序发生器和微程序控制器复位；CLR#=0时，则可以正常运行。
TJ是停机新号，是控制器的输出新号之一。连续运行时，如果控制信号停机=1，会使机器停机，停止发送时序脉冲,从而暂停程序。QD是启动信号，是运行程序的标志。DP，DZ，DB是来自控制台的开关信号。DP表示单拍，当DP=1时，每次只执行一条微指令；DZ表示单指，当DZ=1时，每次只执行一条机器指令；当DP，DB，DZ都为0时，机器连续运行。
图1时序信号发生器
四：控制器
控制器位于本实验系统的中上部，产生数据通路操作所需的控制信号。如图2：
图2
五：控制台
控制台位于TEC-4计算机组成原理实验系统的下部，主要由指示灯和若干拨动开关组成，用于给数据通路设置数、设置控制信号、显示各种数据使用。
实验内容
实验一常规型微程序控制器组成实验
一、实验目的：
1.掌握时序产生器的组成原理。
2.掌握微程序控制器的组成原理。
3.掌握伪指令格式的化简和归并。
二、实验设备：
1.TEC-4计算机组成原理实验仪一台
2.双踪示波器一台
3.直流万用表一只
4.逻辑测试笔一支
三、实验电路：
1． 微指令格式与微程序控制器电路
图3
根据给定的12条机器指令功能和数据通路总体图的控制信号,采用的微指令格式见图10。微指令字长共35位。其中顺序控制部分10位,后继微地址6位,判别字段4位,操作控制字段25位,各位进行直接控制。微指令格式中,信号名带有后缀“#”的信号为低有效信号,不带有后缀“#”的信号为高有效信号。
图4
对应微指令格式,微程序控制器的组成见图11。控制存储器采用5片EEPROM28C64(U8,Ug,U1O,Ull,U12)。微地址寄存器6位,用一片6D触发器74HCl74(U1)组成,带有清零端。两级与门或门构成微地址转移逻辑,用于产生下一微指令的地址。在每个TI上升沿时刻,新的微指令地址会打入微地址寄存器中,控制存储器随即输出相应的微命令代码。微地址转移逻辑生成下一地址,等下一个Tl上升沿时打入微地址寄存器。微地址转移逻辑的多个输入信号中,INTQ是中断请求,本实验中可以不理会。SWA,SWB是控制台的两个二进制开关信号,实验台上线已接好。C是进位信号,IR7—IR4是机器指令代码,由于本次实验不连接数据通路,这些信号都接到二进制开关KO—Kl5上。
2、机器指令与微程序
为教学中简单明了,本实验仪使用12条机器指令,均为单字长(8位)指令。指令功能及格式如表5所示。指令的高4位提供给微程序控制器,低4位提供给数据通路。
为了向RAM和寄存储器堆中装入程序和数据,检查写入是否正确,并能启动程序执行,还设计了以下五个控制台操作微程序:
存储器写操作(KWE):按下复位按钮CLR#后,微地址寄存器状态为全零。此时置SWC=O,SWB=l,SWA=O,按启动按钮后微指令地址转入27H,从而可对RAM连续进行手动写入。
存储器读操作(KRD):按下复位按钮CLR#后,置SWC=O,SWB=O,SWA=l,按启动按钮后微指令地址转入l7H,从而可对RAM连续进行读操作。
启动程序(PR):按下复位按钮ClR#后,置SWC=O,SWB=O,SWB=A,用数据开关SW7—SWO设置内存中程序的首地址,按启动按钮后微指令地址转入07H,然后转到“取指”微指令。
写寄存器操作(KLD):按下复位按钮CLR样后,置SWC=O,SWB=l,SWA=l,按启动按钮后微指令地址转入37H,从而可对寄存器堆中的寄存器连续进行写操作。
读寄存器操作(KRR):按下复位按钮CLR#后,置SWC=l,SWB=O,SWA=O,按启动按钮后微指令地址转入47H,从而可对寄存器堆申的寄存器连续进行读操作。
图5
四、实验任务
（1）按实验要求，连接试验台的数码开关K0-K15、控制开关、按钮开关、时钟信号源和微程序控制器。
注意：本次实验只做微程序控制器本身的实验，故微程序控制器输出的微命令信号与执行部件（数据通路）的连线暂不连接。连接完成后应仔细检查一遍，然后才可加上电源。
（2）熟习微指令格式的定义，按此定义将控制台指令微程序的8条微指令按十六进制编码，列于下表。三种控制台指令的功能由SWC，SWB，SWA三个二进制开关的状态来制定（KRD=001B，KWE=010B，PR=010B）。
单拍（DP）方式执行控制台微程序，读出上述八条微指令，用P字段和微地址指示灯跟踪微指令执行情况，并与上表数据对照。
（3）用P3和SWC，SWB，SWA的状态组合，观察验证三种控制台指令KWE，KRD，PR微地址转移逻辑功能的实现。
（4）熟习05H，10H两条微指令的功能和P2测试的状态条件（IR4-IR7），用二进制开关设置IR7-IR4的不同状态，观察ADD至STP九条机器指令微地址转移逻辑功能的实现。
（5）设置IR7-IR4的不同组合，用单拍方式执行ADD至STP九条机器指令微程序，用微地址和P字段指示灯跟踪微程序转移的执行情况。
五、实验步骤与分析
（1）依据微指令格式分析微指令编码的组成，得到八条微指令编码；微指令字长共为35位，最后6位表示后继微地址，判别字段进行控制台操作控制与运算选择控制。据此完成表2。
（2）测试机器是否可以正常运行。将IR4-IR7分别与数据开关SW0-SW3相 接，检查是否能根据数据开关的变化，微地址也根据图5有所变化，变化一致则说明机器正常。
（3）依据书上的电路图，连接电路。IR4-IR7分别与SW0-SW3相连接，INTQ 与SW4相连接（在此还未做中断实验，INTQ的变化对微指令地址变化不构成影响），C与SW5相连接。
（4）运行数据通路，观察微地址的变化与指示灯的变化
使DP=1，DZ=0，DB=0（单拍方式），用P3和SWC、SWB、SWA的状态组合，分别观察内存读、写，寄存器读、写和启动程序后各个指令操作码对应的微地址（注：这里由SW0-SW3控制）。
1）令SWC=0、SWB=0、SWA=1，连续按下QD，微地址第一次显示17H，第二次显示3FH，第三次显示3EH，之后在3FH与3EH之间循环。
2）令SWC=0、SWB=1、SWA=0，连续按下QD，微地址第一次显示27H，第二次显示3DH，第三次显示3CH，之后在3DH与3CH之间循环。
3）令SWC=0、SWB=1、SWA=1，连续按下QD，微地址第一次显示37H，第二次显示33H，第三次显示32H，第四次显示31H，第五次显示30H，之后在33H 、32H、31H、30H之间循环。
4）令SWC=1、SWB=0、SWA=0，连续按下QD，微地址第一次显示47H，第二次显示46H，第三次显示45H，第四次显示44H，之后在46H、 45H、44H间循环。
5）使SWC=0、SWB=0、SWA=0，启动程序，此时微地址由IR4-IR7（连接在SW0-SW3上）控制。对照微程序流程图，可观察到在不同微指令操作码下微地址的变化。连续按下QD，微地址第一次显示07H，第二次显示05H，之后到P2选择状态，中间过程随微指令操作码（IR4-IR7）的不同而改变，最后一次显示0FH。
6）出现0F的同时，出现 P1判断状态，此处还未做中断实验，无论INTQ=0还是INTQ=1，都会直接跳转至05H，然后继续做P2条件判断。
实验二 CPU组成与机器指令执行实验
一、实验目的：
1.将微程序控制器执行部件（整个数据通路）联机，组成一台模型计算机；
2.用微程序控制器控制模型机数据通路；
3.通过CPU运行九条机器指令（排除有关中断的指令）组成的简单程序，掌握机器指令与微指令的关系，牢固建立计算机的整机型概念。
二、实验设备：
1.TEC-4计算机组成原理实验仪一台
2.双踪示波器一台
3.直流万用表一只
4.逻辑测试笔一支
三、实验电路
根据实验一的结果，结合前几次实验的原理与依据，完成此次试验。
本次实验用到前面四个实验中的所有电路,包括运算器、存储器、通用寄存器堆、程序计数器、指令寄存器、微程序控制器等,将几个模块组合成为一台简单计算机。因此,在基本实验中,这是最复杂的一个实验,也是最能得到收获的一个实验。
在前面的实验中,实验者本身作为“控制器”，完成数据通路的控制。而在本次实验中,数据通路的控制将由微程序控制器来完成。CPU从内存取出一条机器指令到执行指令结束的一个机器指令周期,是由微指令组成的序列来完成的,即一条机器指令对应一个微程序。
四、实验任务
（1）对机器指令系统组成的简单程序进行译码。将下表的程序按指令格式手
（2）按照下面框图，参考前面实验的电路图完成连线，控制器是控制部件，数据通路（包括上面各模块）是执行部件，时序发生器是时序部件。连线包括控制台、时序部分、数据通路和微程序控制器之间的连接。其中，为把操作数传给通用寄存器组RF，数据通路上的RS1，RS0，RD1，RD0应分别与IR3至IR0连接，WR1，WR0也应接到IR1，IR0上。
图6
(3) 将上述任务(1)中的程序机器代码用控制台操作存入内存中,并根据程序的需要,用数码开关SW7—SW0设置通用寄存器R2,R3及内存相关单元的数据。注意:由于设置通用寄存器时会破坏内存单元的数据,因此应先设置寄存器的数据,再设置内存数据。
(4) 用单拍(DP)方式执行一遍程序,列表记录通用寄存器堆RF中四个寄存器的数据,以及由STA指令存入RAM中的数据(程序结束后从RAM的相应单元中读出)，与理论分析值作对比。单拍方式执行时注意观察微地址指示灯、IR/DBUS指示灯、AR2ARl指示灯、微地址指示灯和判断字段指示灯的值,以跟踪程序中取指令和执行指令的详细过程(可观察到每一条微指令)。
五、实验步骤与分析
1.接线
本实验的接线比较多，需仔细连接。
（1）时序发生器的输入TJI接控制存储器的输出TJ。控制器的输入C接运输器ALU的C。控制器的输入IR7、IR6、IR5、IR4、依次接指令寄存器IR的输出IR7、IR6、IR5、IR4。共6条线。
（2）控制器的输出LDIR(CER)、LDPC(LDR4) 、PC_ADD、PC_INC、LDIAR、LDAR1(LDAR2)、AR1_INC、M3、LDER、IAR_BUS#、SW_BUS#、RS_BUS#、ALU_BUS、CEL#、LRW、WRD、LDDR1(LDDR2)、M1(M2)、S2、S1、S0依次与数据通路的对应信号连接。共27条线。
（3）指令寄存器IR的输出IR0接双端口寄存器堆的RD0、WR0，IR1接RD1、WR1，IR2接RS0，IR3接RS1。共6条线。
合上电源。按CLR#按扭，使实验系统处于初始状态。
2. P3指示灯亮时，拨动SWC-SWA至011（KLD），进行QD，然后向寄存器内写入地址，寄存器写入结束后，再拨动SWC-SWA至010（KWE），依次进行存储器内的地址与数据写入（地址为00H-09H，指令如表3）。
3.开始执行指令，按下CLR#，回到P3状态，拨动SWC-SWA至000（PR），微地址经过07H，05H到达P2选择状态，接下来自动进入程序执行状态，根据输入的指令的内容，逐条执行指令。
4.对存入的数据指令进行运算，核对是否与执行结果相一致。
实验三中断原理实验
一、实验目的
1．从硬件、软件结合的角度，模拟单级中断和中断返回的过程；
2．通过简单的中断系统，掌握中断控制器、中断向量、中断屏蔽等概念；
3．了解微程序控制器与中断控制器协调工作的基本原理。
二、实验设备
TDN-CM+计算机组成原理实验系统一台
双踪示波器一台（并非必备）
直流万用表一只
逻辑测试笔一支
三、实验电路
仍然使用前面的CPU组成与机器指令执行实验的电路图，但本次实验加入中断系统。这是一个简单的中断系统模型，只支持单级中断、单个中断请求，有中断屏蔽功能，旨在说明最基本的原理。
由于硬件与时间的限制，没能完成此项实验，十分遗憾，望今后会有机会完成它！
审查过程
老师给定指令与数据，设计电路执行
（3）要求：
1，执行指令，执行完第十条时停下，读出各个寄存器的数据；
2，将读出的各个寄存器数据记录下来，与理论计算出的数据进行比较； 3，单独执行第三条指令（02H ADD R0，R1） 4，再次读出寄存器R0中的数据，
（4）操作步骤：
1、设置通用寄存器R2，R3的值：
1）使DP=1，DZ=0，DB=0，使实验系统处于单拍状态。令SWC=0、SWB=1、SWA=1，使实验系统处于寄存器加载工作方式KLD。按下CLR#按钮，使系统处于初始状态。
2）在SW7-SW0上设置一个首地址（FFH），该存储器地址供设置通用寄存器使用。该存储器地址最好是不常用的一个地址，以免设置通用寄存器操作破坏重要的存储器单元的内容。
3）在SW7-SW0上设置02H，作为通用寄存器R2的寄存器号。按一次QD按钮，则将65H写入IR。
4）在SW7-SW0上设置36H，作为R2的值。按一次QD按钮，将36H写入IR指定的R2寄存器。
5）在SW7-SW0上设置03H，作为通用寄存器R3的寄存器号。按一次QD按钮，则将03H写入IR。
6）在SW7-SW0上设置37H，作为R3的值。按一次QD按钮，将66H写入IR指定的R3寄存器。
7）设置R2，R3结束，按CLR#按钮，使实验系统恢复到初始状态。
2、存指令
首先使SWC=0、SWB=1、SWA=0（KWE内存中写代码），然后设置首地址（令SW0-SW7都为0，即首地址为00H）并按下CLR#（清零），再按下QD，将首地址打入地址寄存器，接着设置微指令代码SW7-SW0=01011000，再次按下QD，将代码打入到与地址寄存器地址向对应的内存中。这样第一个指令代码就存入了内存中的00H单元。
接着上述步骤，按下QD，地址寄存器中地址自动加1，再设置第二条指令代码，按下QD，即将第二条指令存入了内存中的01H单元中。
按照以上的方法，依次将十条指令存入内存中，即是完成了指令的录入。
3.、向指定的内存单元存入数据：
首先使SWC=0、SWB=1、SWA=0（KWE内存中写数据），然后设置内存地址为65H（SW7-SW0=01100101），按下QD，即是将地址打入地址寄存器中，再设置数据，使SW7-SW0=03H，再次按下QD，即是将03H存入了内存单元36H中。
接着按上述方法将05H存入37H中。
4、执行各微指令程序
首先使SWC=0、SWB=0、SWA=0，按下QD，地址转入07，再按QD，转入05，再按QD执行LDA指令，不断按QD直到执行完地址为09H的指令，按CLR#按钮，设置SWC=1、SWB=0、SWA=0，读取各个寄存器的值。
例如读取R0的值如下：
设置SWC=1、SWB=0、SWA=0，选择00H为首地址，按QD，使SW7-SW0=00H.，
（5）程序分析结果
1）初值：R0未定，R1未定，R2=36H，R3=37H；
存储器36H单元的内容是03H，37H单元的内容是05H。
2）执行存储器00H单元中指令（第一条指令）：LDA R0，[R2]
执行结果：R2=36H，R0=03H。
3）执行存储器01H单元中指令（第二条指令）：LDA R1，[R3]
执行结果：R3=37H，R1=05H。
4）执行存储器02H单元中指令（第三条指令）：ADD R0，R1
执行结果：R0=08H，R1=05H，C=0。
5）执行存储器03H单元中指令（第四条指令）：JC+5
执行结果：结果转移到04H，因为C=0。
6）执行存储器04H单元中指令（第五条指令）：AND R2，R3
执行结果：R2=36H，R3=37H。
7）执行存储器05H单元中指令（第六条指令）：SUB R3，R2
执行结果：R2=36H，R3=01H。
8）执行存储器06H单元中指令（第七条指令）：STA R3，[R2]
执行结果：R2=36H，R3=01H，存储器60H单元的内容为02H。
9）执行存储器07H单元中指令（第八条指令）：MUL R0，R1
执行结果：R0=28H，R1=05H。
10）执行存储器08H单元中指令（第九条指令）：STP
执行结果：（无变化）
11）执行存储器09H单元中指令（第十条指令）：JMP [R1]
执行结果：（无变化）
问题及解决思路
1.在实验执行完第10条指令时不知道怎么去执行第3条指令
经过看流程图，发现地址信号是07时该模块是实现首地址的写入，即微程序从该处给定的地址对应的指令开始执行，所以跳出后，令SWC=0、SWB=0、SWA=0时，选择首地址02H，接下来便可以直接执行第3条指令。
2.在最开始写数据的时候，无法将数据正确的写入
经分析发现，在令SWC=0、SWB=1、SWA=1时，按了QD，之后才写入首地址，致使后面存数据时出现错误。原来出现某一模块的地址时，代表该动作已经完成，必须在之前完成各项数据的输入。
3.在最后一步要求单独执行第三条指令时，因为QD与输入首地址的顺序弄错了，导致R0的数据有了变化
将新产生的R0记录，接着做02H指令，记录最后的结果。
实验心得
我是一名计算机学院的学生，我们必须要有扎实的专业知识，才能经得起考验。我深知我们所学的计算机组成原理这门课程，是为我们今后学习计算机硬件
知识打基础。通过这次课程设计，我不仅了解了模型机的硬件结构和如何去设计微程序，而且明白了许多做事做人的道理。那就是不能放弃和虚心向同学学习。
首先，在实验过程中，因为与以前做实验时间相距较远，之前做实验时所学的知识有些记不清楚，但因为此次试验需要，我又将以前所学的知识复习巩固了一下，在实验过程中，知识条理比较清晰，能够领悟实验过程中的内容。正如学习开车一样，只有理论基础好，才能更好的实践。同时，我也意识到我的动手能力不是很强，学习计算机最需要的就是这方面的能力，所以我还需要继续努力，多锻炼自己的动手能力。
有的时候都是自己在吓自己，做完了之后发现实验也没那么难。
其次，我也深刻体会到，做事情一定要静下心来，做完一件事再想着做另外一件事。开始时，总是心里着急，为什么别人会做了，我还不明白其中原理？可是“心急吃不了热豆腐”，我们的实验还是停滞不前，后我就去看别人做实验，问别人该怎么做，静下心来认真思考，亲自动手尝试，终于，我们通过向其他同学请教及自己总结，完成了实验。这也告诉我们，做事除了需要一颗认真的心，还需要静下心来，认真总结，才能完成好一件事。
再次，我明白了与他人交流学习的重要性，有些时候，知识的掌握需要走捷径，这样的捷径不是照搬照抄，而是通过他人的经验，得到属于自己的知识与本领。在此次试验中，我向其他比我们做的快做得好的同学请教，既巩固了以前所学知识，还帮助自己理清了思路。
实验过程中，因为硬件问题，在第一次大检查中没有找到能完成中断实验的仪器，所以没有完成中断原理实验，感到挺遗憾的，不过第二次我还是很顺利的把实验做完了。
在最后验收实验时，心中还是有点紧张的，因为我怕自己一次做不好。为此我还特意找了同学陪我一起来做，庆幸的是在他来的时候我刚好做完。
经过一个学期对计算机组成原理的学习，我对其有了一定的理解，课程设计旨在检测我们对这门课的掌握程度及能否灵活运用的能力。看到课本上的方法和步骤感觉很简单，但在真正做的过程中，才发现课程设计并不是那么简单的，有些东西在理论上能够解释出来，却很难通过硬件把它实现，有些东西看似简单，实际操作起来却频频出错。总之，我会牢牢记住在这次实践过程中学到的道理，并在以后的学习生活中加以利用。
五天就这样过去了，这样的五天，是头脑急运行的五天，是知识升华的五天，也是见证我们的努力与付出的五天。相信在今后的日子里，我会想起KLD时，要进行寄存器写，还有那SW0-SW7编写出的一条条地址与指令，交汇成留在信息楼605里的快乐回忆。
最重要要的一点，做实验的时候千万不能放弃，相信自己一定能做出来！ 感谢老师和同学们在实验中对我的帮助！