计算机组成原理TEC-4实验手册（含实验步骤）完整6个实验 三个程

TEC—4计算机组成原理实验系统

教师实验指导书

清华大学科教仪器厂

2004年11月

目 录

前言???????????????????????????2 TEC—4计算机组成原理实验系统?????????????? 3

基本实验

运算器组成实验??????????????????????13 双端口存储器原理实验???????????????????18 数据通路组成实验?????????????????????22 微程序控制器组成实验???????????????????28 CPU组成和机器指令执行实验????????????????40 中断原理实验???????????????????????45

课程设计

硬布线控制器的设计与调试?????????????????50 流水微程序控制器的设计与调试???????????????61 流水硬布线控制器的设计与调试???????????????70

附录???????????????????????????78

1

前 言

计算机组成原理是大学计算机专业的一门专业基础课程。清华同方股份有限公司和北京邮电大学白中英教授合作，开发出TEC—4计算机组成原理实验系统。在这个实验设备上，既能够做计算机组成原理课程的实验，又能够进行计算机系统结构课程的流水实验。该实验设备计算机模型简单、实用，运算器数据通路、控制器、控制台各部分划分清晰，为学生提供了很多的动手条件，有利于提高学生学习的主动性和创造性。

为了更好地使用TEC—4计算机组成原理实验系统，我们编写了这本《教师用实验指导书》。它是TEC—4计算机组成原理实验系统的配套资料。本书提供了9个实验，其中6个基本实验，3个课程设计。对每个实验提供了接线图、实验步骤及实验结果；对3个课程设计提供了参考方案。当然，每个实验的接线方法或者源程序绝不是唯一的，实验结果也会有所不同。本书提供的接线图和源程序只是许多接线方法、源程序中的一种，只能作为参考。这些接线图、源程序和实验结果都经过实际实验验证。本书的目的是希望减少教师设计、准备、调试实验的劳动，让教师把主要精力集中在提高教学质量上。各位老师在使用中如果发现错误和不妥之处，欢迎提出宝贵意见，以便将来改进。

除了本书外，TEC—4计算机组成原理实验系统还有另一本配套资料《计算机组成原理题解、题库和实验》，这是一本科学出版社出版的学生用书。该书由北京邮电大学的白中英教授和我们共同编写，可作为TEC—4计算机组成原理实验系统的使用说明书。两本资料配合使用，效果更好。

敬请读者提出宝贵意见。

清华同方股份有限公司

教学仪器设备公司

2001年1月

2

第一节 TEC—4计算机组成原理实验系统

TEC—4计算机组成原理实验系统由北京邮电大学计算机学院、清华同方教学仪器设备公司、深圳拓普威电子技术有限公司联合研制。它是一个8位计算机模型实验系统，可用于大专、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，对提高学生的动手能力、提高学生对计算机整体和各组成部分的理解、提高学生的计算机系统综合设计能力都会有很大帮助。

一、TEC—4计算机组成原理实验系统特点

1．计算机模型简单、实用，运算器数据通路、控制器、控制台各部分划分清晰。 2．计算机模型采用了数据总线和指令总线双总线体制，能够实现流水控制。

3．控制器有微程序控制器或者硬布线控制器两种类型，每种类型又有流水和非流水两种方案。 4．寄存器堆由1片ispLSI1016组成，运算器由1片ispLSI1024组成，设计新颖。 5．实验台上包括了1片在系统编程芯片ispLSI1032，学生可用它实现硬布线控制器。

6．该系统能做运算器组成、双端口存储器、数据通路、微程序控制器、中断、CPU组成与机器指令执行、流水微程序控制器、硬布线控制器、流水硬布线控制器等多种实验。 7．电源部分采用模块电源，重量轻，具有抗电源对地短路能力。 8．采用自锁紧累接接线方式，接线可靠。

二、TEC—4计算机组成原理实验系统的组成

TEC—4计算机组成原理实验系统由下述六部分组成： 1．控制台 2．数据通路 3．控制器

4．用户自选器件试验区 5．时序电路 6．电源部分

下面分别对各组成部分予以介绍。 三、电源

电源部分由一个模块电源、一个电源插座、一个电源开关和一个红色指示灯组成。电源模块通过四个螺栓安装在实验台下面。它输出+5V电压，最大负载电流3安培,内置自恢复保险功能,具有抗+5V对地短路能力。电源插座用于接交流220伏市电，插座内装有保险丝。电源开关用于接通或者断开交流220伏市电。当电源模块输出+5V时，点亮+5V红色指示灯。

四、时序发生器

时序发生器产生计算机模型所需的时序。时序电路由一个1MHz晶体振荡器、2片GAL22V10（U6和U7）组成，位于控制存储器的右边。根据本机设计，执行一条微指令需要4个时钟周期T1、T2、T3、T4，执行一条指令通常需要取指、送操作数、运算、写结果四个节拍，因此本机的基本时序如下：

3

MFT1T2T3T4W1W2W3W4图3 基本时序图图中，MF是晶体振荡器产生的1MHz基本时钟，T1、T2、T3、T4是数据通路和控制器中各寄存器的时钟脉冲，印制板上已将它们和有关的寄存器连接。T1、T2、T3、T4既供微程序控制器时使用，也供硬布线控制器使用。W1、W2、W3、W4只供硬布线控制器作指令节拍信号使用。

五、数据通路

数据通路的设计是TEC—4计算机组成原理实验系统最有特色的部分。首先它采用了数据总线和指令总线双总线形式，使得流水实验能够实现。它还使用了大规模在系统可编程器件作为运算器和寄存器堆，使得设计简单明了，可修改性强。数据通路位于实验系统的中部。

图4 是数据通路总体图,下面介绍图中个主要部件的作用。 1．运算器ALU

运算器ALU由一片ispLSI1024（U47）组成，在选择端S2、S1、S0控制下，对数据A和B进行加、减、与、直通、乘五种运算,功能如下：

表1 运算器功能表

选 择 S2 S1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 S0 0 1 0 1 0 操 作 A & B A & A（直通） A + B A - B A(低4位) X B(低4位)

进位C只在加法运算和减法运算时产生。加运算中，C表示进位；减运算中，C代表借位。加、减运算产生的进位（借位）在T4的上升沿送入C寄存器保存。与、乘、直通操作

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