《计算机组成原理实验指导书》 - 图文

计 算 机 组 成 原 理

（第四版·立体化教材）

实 验 指 导 书

（第二版）

宁波工程学院 电子与信息工程学院

二零零九年八月制订

《计算机组成原理》实验指导书

第1章 教学实验系统认识

一．系统功能及特点

计算机组成原理与系统结构教学实验系统是西安唐都科教仪器公司推出的一套高效的、开放性的教学实验系统，该系统可以通过对多种原理性计算机的设计、实现和调试来高效率地支持“计算机组成原理”和“计算机系统结构”等课程的开放式实验教学，为高校各个教学层次的计算机原理教学提供了完善的解决方案。

系统有如下功能特点：

1．结构清晰的单元式实验电路，可构造出不同结构及复杂程度的原理性计算机系统采用部件单元式结构，包括运算器及数据通路、存储器、控制器、信号及时序控制、内总线、外总线、外围接口及输入输出设备、大规模可编程逻辑器件等计算机部件的单元电路，用户可使用排线连接方式或计算机电子自动逻辑设计方式，根据自己所设计的模型计算机结构方案，来构造出不同结构及复杂程度的原理性计算机，使学生能够对计算机组成结构有清楚的认识和理解。

２．对实验设计具有完全的开放性，增强学生综合设计能力

系统所具有的软硬件结构对用户的实验设计具有完全的开放性，其数据线、地址线、控制线都由用户来操作连接，系统中的运算器结构、控制器结构及微程序指令的格式及定义均可由用户根据教学需要来做灵活改变或重新设计。这对于用户自行设计各种结构及不同复杂程度的模型计算机提供了强大的软硬件操作平台，从而避免了单纯验证性的实验模式，极大提高了学生计算机系统的综合设计能力。

3．通用逻辑器件和大规模可编程逻辑器件相结合，可面向不同层次的学生

系统采用通用逻辑器件和大规模可编程逻辑器件并用的方式，既能给熟练掌握复杂逻辑系统设计的学生提供高档的实验平台，又能对不熟悉这些内容的学生提供易操作的实验平台。符合循序渐进、先基础后提高的教学原则。

4．具有实时调试功能的图形方式操作界面，也可用于多媒体辅助教学

系统具有与PC 微机联机实时调试的功能，提供了图形方式的调试界面，在调试过程中可动态实时显示模型计算机各部件之间的数据传送以及各部件和总线上的所有信息。这种图形调试界面也可用于多媒体辅助教学，从而获得极佳的教学效果。

5．多种输入输出方式及逻辑信号测量功能，实验操作及观察更容易

系统提供多种输入输出方式。通过RS-232 串口与PC 微机联机，可在PC 机上进行编程并向系统装载实验程序，在图形界面下进行动态调试及运行。另外还具有两路逻辑信号测量平台，可在PC 机上看到信号测量波形；如单独使用本系统，则可通过开关及LED 以二进制码形式进行编程、显示及调试运行。

6．实验电路的实时在线检测功能，便于检查接线错误

系统具有实验电路检测功能，通过人机交互方式可实时在线检测各实验单元电路的好坏以及模型机实验线路连接是否正确。

二．系统与PC 联机说明

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实验系统安装有一个标准的ＤB 型９针RS-232C 串口插座，使用配套的串行通讯电缆分别插在实验系统及PC 微机的串口，即可实现系统与PC 的联机操作。系统配套的集成操作软件具有专为联机操而开发的图形方式操作界面，其操作简便、直观且具有动态调试功能，可以完全根据实验系统的数据通路图来实时、动态的显示用户设计的实验数据流的流向、数据值、控制线和各单元的内容。

本系统软件是通过PC 机串行口向实验系统上的单片机控制单元发送指令，由实验系统的单片机直接对程序存储器、微程序控制器进行读写，控制单拍或单步微程序、单步机器指令和程序连续运行等操作，实时监测各数据流和控制流的情况，从而实现实时动态图形方式下的系统跟踪调式和运行。系统通讯电缆连接方式如图1.3-1：

图1.3-1 PC 机和实验系统用串行口连接方式

三．软件的安装与卸载

软件运行环境

操作系统：中英文Windows 95/98/ 2000/ NT/ME 最低配臵：

CPU：奔腾133Mhz 内存：16MB

显示卡：标准VGA，256 色显示模式以上 硬盘：15MB 以上

驱动器：2X 倍速CD-ROM 以上 其它设备：鼠标器 建议配臵：

CPU：奔腾166 或更高

内存：16MB 以上

显示卡：SVGA，16K 色以上显示模式，分辨率800×600。 其它设备同“最低配臵” 安装软件 安装操作如下：

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可以通过“资源管理器”，找到光盘驱动器本软件安装目录下的Setup.EXE，双击执行它，按屏幕提示进行安装操作。

“TDN-CM++1.03(W)”安装成功后，在“开始”的“程序”里将出现“CMPP”程序组，点击“CMPP”即可执行程序。

启动软件

软件的启动方式有三种:

用户可以在【开始】/【程序】菜单中单击“CMPP”的程序组启动。 用户也可以在【开始】/【程序】/【启动】菜单中启动“CMPP”。用户在安装“TDN-CM++1.03(W)”以后桌面上自动出现“CMPP”快捷键，用户直接在桌面上双击快捷键就可以启动该程序组。 卸载软件

联机软件提供了自卸载功能，使您可以方便地删除“TDN-CM++1.03(W) ”的所有文件、程序组或快捷方式。单击【开始】/【程序】打开“CMPP”的程序组，然后运行“卸载”项，就可执行卸载功能，按照屏幕提示操作即可以安全、快速地删除“TDN-CM++1.03(W)”。

四．功能介绍

（一）界面窗口介绍

主界面主要分为三部分：指令区、输出区和图形区，下面分别加以介绍。 指令区：

分为两部分，即机器指令区和微指令区，在指令区的下方有两个Tab 按钮，您可以通过按钮在两者之间来回切换。

机器指令区：分为两列，第一列为下位机主存地址（00—FF，共256 个单元），第二列为每一地址中所对应的数值。如果串口通讯正常且系统不忙（即串口没有被占用），您可以直接修改指定单元的内容，方法是用鼠标单击要修改单元的数据，此单元格会变成一个编辑框，等待您输入，该编辑框只接收两位合法的16 进制数（请注意：非16 进制数不认），如果输入正确，您可以按回车键确认，或用鼠标点击别的区域，这样就完成了修改工作。如果想要结束修改，您可以按下ESC 键，编辑框就会自动消失,恢复显示原来的值。一旦编辑框出现，您可以通过上下键让编辑框上下移动，从而选中需要修改的地址单元。如果输入不正确，如输入少于2 个字符，则不进行修改。

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微指令区：分为两列，第一列为下位机微控器地址（00—3F，共64 个单元），第二列为 每一地址中所对应的微指令，共6 字节，对应微控器的微指令24 位。如果串口通讯正常且系统不忙（即串口没有被占用），您可以直接修改指定单元的内容，方法是用鼠标单击要修改单元的数据，此单元格会变成一个编辑框，等待您输入，该编辑框只接收6 位合法的16 进制数（请注意：非16 进制数不认），如果输入正确，您可以按回车键确认，或用鼠标点击别的区域，这样就完成了修改工作。如果想要结束修改，您可以按下ESC 键，编辑框就会自动消失。一旦编辑框出现，您可以通过上下键让编辑框上下移动，从而选中需要修改的地址单元。如果输入不正确，如输入少于6 个字符，则不进行修改。

输出区：

分为三页：输出页、测试页和结果页。

输出页：在打开复杂模型机数据通路图或重叠模型机数据通路图，并运行程序时用来显示下条将要执行的24 位微码及其微地址，这是和下位机一起实时变动的。

测试页：在您进行复杂模型机系统测试时为您提供信息。显示当前下位机正在测试的单元及测试结果。

结果页：基本上是一个公共区域，用来显示一些提示信息或一些错误信息，如RISC 模型机中，如果上位机检测到下位机运行有误，就会在这一区域加以显示，为您提供信息。保存或装载程序时也会在这一区域为您提供一些提示信息。

图形区：

这一区域是您操作的主要区域，您可以在此区域编辑相应的指令，可以显示各个模型机的数据通路图，可以打开示波器界面等。

（二）功能菜单介绍

1．文件菜单项：文件菜单提供了以下命令：

新建 打开 关闭 保存 另存为 打印 建立一个新文档。 打开一个现存文档。 关闭一个打开的文档。 用同样的文件名保存一个打开的文档。 用指定的文件名保存一个打开的文档。 打印一个文档。 第 5 页 共 43 页

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打印预览在屏幕上按被打印出的格式显示文档。打印设臵选择一个打印机以及打印机连接。退出退出CMPP。

①．新建（N）： 用此命令在CMPP 中建立一个新文档。在文件新建对话框中选择您所要建立的新文件的类型。

②．打开（O）

用此命令在一个新的窗口中打开一个现存的文档。您可同时打开多个文档。您可用窗口菜单在多个打开的文档中切换。

③．关闭（C）

用此命令来关闭包含活动文档的所有窗口。CMPP 会建议您在关闭文档之前保存对您的文档所做的改动。如果您没有保存而关闭了一个文档，您将会失去自从您最后一次保存以来所做的所有改动。在关闭一无标题的文档之前，CMPP 会显示另存为对话框，建议您命名和保存文档。

④．保存（S）

用此命令将活动文档保存到它的当前的文件名和目录下。当您第一次保存文档时，CMPP 显示另存为对话框以便您命名您的文档。如果在保存之前，您想改变当前文档的文件名和目录，您可选用另存为命令。

⑤．另存为（A）…

用此命令来保存并命名活动文档。CMPP 会显示另存为对话框以便您命名您的文档。 ⑥．打印（P）…

用此命令来打印一个文档。在此命令提供的打印对话框中，您可以指明要打印的页数范围、副本数、目标打印机，以及其它打印机设臵选项。⑦．打印预览（V） 用此命令按要打印的格式显示活动文档。当您选择此命令时，主窗口就会被一个打印预

览窗口所取代。这个窗口可以按它们被打印时的格式显示一页或两页。打印预览工具栏提供选项使您可选择一次查看一页或两页，在文档中前后移动，放大和缩小页面，以及开始一个打印

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作业。

⑧．打印设臵（R）… 用此命令来选择一台打印机和一个打印机连接。在此命令提供的打印设臵对话框中，您可以指定打印机及其连接。⑨．最近使用文件

您可以通过此列表，直接打开最近打开过的文件，共四个。⑩．退出（X） 用此命令来结束您CMPP 的运行阶段。您也可使用在应用程序控制菜单上的关闭命令。 2．辑菜单项：编辑菜单提供了以下命令：

撤消 剪切 复制 粘贴 撤消先前的编辑操作。 从文档中删除数据并将其移到剪贴板上。 从文档中将数据复制到剪贴板上。 从剪贴板上将数据粘贴到文档中。

①．撤消（U） 如果可能的话，可用此命令来撤消上一步编辑操作。该命令名会根据您所执行的上一步

操作而变化。如果您无法撤消上一步操作，菜单上的撤消命令会变成?无法撤消?。②．剪切（T）

用此命令将当前被选取的数据从文档中删除并放臵于剪贴板上。如当前没有数据被选取 时，此命令则不可用。③．复制（C） 用此命令将被选取的数据复制到剪切板上。如当前无数据被选取时，此命令则不可用。④．粘贴（P） 用此命令将剪贴板上内容的一个副本插入到插入点处。如剪贴板是空的，此命令则不可 用。

3．查看菜单项：查看菜单提供了以下命令：工具栏显示或隐藏工具栏。状态栏显示或隐藏状态栏。

①．工具栏（T）

a．标准工具栏（T）

用此命令可显示和隐藏标准工具栏。标准工具栏包括了CMPP 中一些最普通命令的按钮，

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如文件打开。在工具栏被显示时，一个打勾记号出现在该菜单项目的旁边。

b．指令区（W）用此命令可显示和隐藏指令区。 c．输出区（O）用此命令可显示和隐藏输出区。

d．自定义（C）见自定义项。②．状态栏（S）此命令可用来显示和隐藏状态栏。状态栏描述了被选取的菜单项目或被按下的工具栏按

钮，以及键盘的锁定状态将要执行的操作。当状态栏被显示时，在菜单项目的旁边会出现一个打勾记号。

4．端口菜单项：端口菜单提供了以下命令：端口1 选择1 号串口进行联机。端口2 选择2 号串口进行联机。端口测试对当前选择的串口进行联机测试。

①．端口1（1）

此命令用来选择串口1 进行联机通讯，该命令会对串口1 进行初始化操作，并进行联机测试，报告测试结果，如果联机成功，则会将指令区初始化。

②．端口2（2）

此命令用来选择串口2 进行联机通讯，该命令会对串口2 进行初始化操作，并进行联机测试，报告测试结果，如果联机成功，则会将指令区初始化。

③．端口测试

此命令用来对当前选择的串口进行联机通讯测试，并报告测试结果，只测一次，如果联机成功，则会将指令区初始化。

5．转储菜单项：转储菜单提供了以下命令：保存将下位机中指令数据保存到上位机。装载将上位机中指令数据装载到下位机。

①．保存（S） 此命令将下位机中（主存，微控器）的数据保存到上位机中，您选择该命令会弹出一个保存对话框，如下图：

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可以选择保存机器指令，此时首尾地址输入框将会变亮，否则首尾地址输入框将会变灰，在允许输入的情况下您可以指定需要保存的首尾地址，微指令也是如此。保存的数据以固定格式存入*.TXT 格式的文件中，文件的路径由您指定。机器指令格式为：$P00FF,“$”为标记号，“P”代表机器指令，“00”为机器指令的地址，“FF”为该地址中的数据。微指令格式为：

$M00AA77FF,“$”为标记号，“M”代表微指令，“00”为机器指令的地址，“AA77FF” 为该地址中的数据。

②．装载（L）

此命令将上位机指定文件中的数据装载到下位机中，您选择该命令会弹出一个打开文件对话框，如下图：

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可以打开任意路径下的*.TXT 文件，如果是合法的指令文件，系统将把这些指令装载到下位机中，装载指令时，系统提供了一定的检错功能，如果指令文件中有错误的指令，将会导致系统退出装载，并提示错误的指令行。 6．运行菜单项：运行菜单提供了以下命令：

通路图 单节拍 单周期 单步微指令 单步机器指令 连续 停止 退出单节拍 流动速度 选择适当的数据通路图。 单节拍调试。 单周期调试。 单步微指令调试。 单步机器指令调试。 连续运行。 停止运行。 退出单节拍运行模式。 对数据通路图中数据的流动速度进行调节。

①．通路图此命令用于选择需要的数据通路图，您选择该命令会弹出一个数据通路图选择对话框，如下图：系统为您提供了四个数据通路图，以满足不同的实验的需要，但是每次只允许打开一个数据通路图（因为数据通路图需要占用串口）。

②．单节拍（P） 此命令用于向下位机发送单节拍命令，每发一次下位机将会完成一个节拍的工作。

③．单周期（T） 此命令用于向下位机发送单周期命令，每发一次下位机将会完成一个周期的工作。

④．单步微指令（C） 此命令用于向下位机发送单步微指令命令，每发一次下位机将运行完一条微指令。

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⑤．单步机器指令（M） 此命令用于向下位机发送单步机器指令命令，每发一次下位机将会运行完一条机器指

令。

⑥．连续（R） 此命令用于向下位机发送连续运行命令，一旦发下该命令，下位机将会进入连续运行状

态，直到您发送停止命令。

⑦．停止（S） 如果您已经发送了连续运行命令，使得下位机进入连续运行状态，那么此命令可以使得下位机停止运行，每次都得将当前指令周期运行完成后才能停止运行。 ⑧．退出单节拍（E） 此命令项用于退出单节拍运行模式，如果程序运行在单节拍模式下，是不允许用户直接修改机器指令和微指令的，只有在其退出单节拍运行模式后才能直接修改。其实退出单节拍模式就是将本周期运行完毕，当用户选择单步机器指令或是连续运行时将会自动退出单节拍运行模式。

⑨．流动速度（L） 此命令用于指定数据通路图中数据的流动速度，您选择该命令会弹出一个流动速度设臵对话框，如下图：

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可以通过设臵滑动块的位臵来调节数据的流动速度，按下恢复按钮将会设臵成默认值。 7．波形菜单项：波形菜单提供了以下命令： 启动 放大 缩小 暂停 继续 左移 右移 快速左移 快速右移 启动示波器。 放大波形。 缩小波形。 暂停波形数据采集。 继续采集波形数据。 使游标左移一个单位。 使游标右移一个单位。 使游标左移五个单位。 使游标右移五个单位。 ①．启动（R）用此命令用来启动CM++双踪逻辑示波器，下位机已启动示波器，该命令项变灰。②．放大（M）用此命令用来放大波形的显示。 ③．缩小（L）用此命令用来缩小波形的显示。

④．暂停（S）用此命令用来暂停波形数据的采集，稳定波形的显示，并显示游标。

⑤．继续（C）用此命令用来继续采集波形数据，并使游标消失，实时显示波形。

⑥．左移（N）在波形暂停状态下此命令用来左移游标，每发一次该命令，游标左移一个单位。 ⑦．右移（M） 在波形暂停状态下此命令用来右移游标，每发一次该命令，游标右移一个单位。⑧．快速左移在波形暂停状态下此命令用来快速左移游标，每发一次命令，游标左移五个单位。⑨．快速右移在波形暂停状态下此命令用来快速右移游标，每发一次命令，游标右移五个单位。 8．测试菜单项：测试菜单提供了以下命令。 开始：开始启动系统测试。 停止：停止系统测试。

①．开始（S） 如果您启动的是复杂模型机的数据通路图，此命令可以启动系统测试，系统测试将会逐单元地测试复杂模型机系统，并报告测试结果。

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②．停止（E） 如果您已启动了系统测试功能，用此命令可以停止系统测试。

9．窗口菜单项：窗口菜单提供了以下命令。这些命令使您能在应用程序窗口中安排多个文档的多个视图：

新建窗口：建立一个查看同样文档的新窗口。 层叠：按重叠方式安排窗口。

平铺：按互不重叠平铺方式安排窗口。

安排图标：安排已关闭窗口的图标。转到指定的窗口。

①．新建窗口（N）

用此命令来打开一个具有与活动的窗口相同内容的新窗口。您可同时打开数个文档窗口以显示文档的不同部分或视图。如果您对一个窗口的内容做了改动，所有其它包含同一文档的窗口也会反映出这些改动。当您打开一个新的窗口，这个新窗口就成了活动的窗口并显示于所有其它打开窗口之上。②．层叠（C） 用此命令按相互重叠形式来安排多个打开的窗口。③．平铺（T） 用此命令按互不重叠形式来安排多个打开的窗口。④．排列图标（A） 用此命令在主窗口的底部安排被最小化的窗口的图标。如果在主窗口的底部有一个打开的窗口，则有可能会看不见某些或全部图标，因为它们在这个文档窗口的下面。⑤．窗口选择CMPP 在窗口菜单的底部显示出当前打开的文档窗口的清单。有一个打勾记号出现在活动的窗口的文档名前。从该清单中挑选一个文档可使其窗口成为活动窗口。

10．帮助菜单项：帮助菜单提供以下的命令，为您提供使用这个应用程序的帮助：帮助主题提供您可从其得到帮助的主题索引。关于显示这个应用程序的版本号。

①．帮助主题（H） 用此命令来显示帮助的开场屏幕。从此开场屏幕，您可跳到关于使用CMPP 的一步指令以及各种不同类型参考资料。

②．关于（A）CMPP…用此命令来显示您的CMPP 版本的版权通告和版本号码。 11．关于自定义功能介绍

系统为您提供了方便的快捷键设臵方式，您可以通过自定义的方法定做自己的操作界面。自定义设臵是一个对话框，此对话框上有几个属性页，分别为：命令、工具栏、键盘、菜单、选项，下面分别加以介绍。

命令属性页：其页面如下：该属性页主要三项：类别、命令、说明。类别：列出了应用程序所有的菜单项。

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命令：列出了选中的菜单项中所对应的菜单命令。如上图中选中的是“文件”菜单项， 则在“命令”栏中列出了“文件”项所对应的菜单命令。说明：如果选中了一个菜单

命令，则在说明栏中注明该菜单命令的作用。工具栏属性页：其页面如下：

这一属性页用来设臵工具栏，系统提供了三个工具栏，您可以在此控制其显示或隐藏。并且，如果选中某一工具栏，可以勾上右下角的“显示文件本（S）”，使每一按钮下都显示该按钮的名称。

键盘属性页：其页面如下：

该属性页用来设臵菜单命令的快捷键。方法是：在“类别”栏选择菜单项，然后在“命令”栏选择需设臵快捷键的菜单命令，此时说明栏会列出该菜单命令的作用，如果该菜单命令已设臵

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了快捷键，则在“快捷键”栏会显示已设臵的快捷键。如要设臵新的快捷键，则可在“请按新快捷键”栏中键入新的快捷键，然后按下指定按钮即可。如要删除已有的快捷键，只要在“快捷键”栏中选中需删除的快捷键，然后按下删除按钮即可。

菜单属性页：其页面如下：

在该属性页中，您可以设臵程序运行时主框架的菜单，但建议用默认值，也可以设臵菜单展开时的动画，以及是否产生菜单阴影。

选项属性页：其页面如下：

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该属性页用来设臵工具栏的一些特性，如果勾上“显示关于工具栏的提示（T）”，使鼠标在某一按钮上停留片刻，则会显示该按钮的作用提示条。如果勾上“在屏幕提示中显示快捷方式（K）”，则在显示按钮作用提示条时还会显示该按钮的快捷键。

大图标：使工具栏按钮显示为大图标。

五．实验程序清单

在安装程序后，系统会将实验指导书中的实验程序对应的存盘文件拷贝到安装目录下\\CMPP\\Sample 目录中，其对应文件分别为：

EX.TXT EX1.TXT EX2.TXT EX3.TXT 8255.TXT 8253.TXT 8259.TXT RISC.TXT CHD.TXT LSH.TXT

计算机系统认识实验机器指令及微指令存盘文件 简单模型机实验机器指令及微指令存盘文件

带进位移位模型机实验机器指令及微指令存盘文件 复杂模型机实验机器指令及微指令存盘文件 扩展8255 实验机器指令及微指令存盘文件 扩展8253 实验机器指令及微指令存盘文件

具有中断处理功能模型机实验机器指令及微指令存盘文件 基于RISC 处理器构成的模型机机器指令存盘文件

基于重叠技术构成的模型机实验机器指令及微指令存盘文件 基于流水技术构成的模型机实验机器指令存盘文件

对于实验中的所有CPLD 应用实验的源程序也都安装于\\CMPP\\CPLD 目录中，其对应

文件目录分别为：ALU_ABL 以ABEL 语言描述的并行加法器实验ALU_P 以原理

图描述的并行加法器设计实验MULTIPLY 乘法器实验1032FIFO FIFO 实验COM_LOC 硬布线控制器实验BUS_CTR 总线控制实验MICROP 用CPLD 实现模型计算机的设计实验 8259 8259 实验RISC RISC 实验

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CHD1032 重叠实验 LSH1032 流水实验

六．注意问题

在使用的过程中可能会碰到一些常见问题，现列出来须加以注意：

1．启动应用程序时报告串口初始化失败。这说明当前串口已经被别的应用程序占用，或该串口不存在，您可以关闭占用串口的程序或换一个串口试试，如果提示问题依旧，请重新启动计算机再运行程序。

2．程序启动时报告串口通讯失败。这说明当前程序已完成对串口的初始化工作，但是上位机和下位机的连接不正常，请确认下位机电源已经打开，串口线两端接触良好，上位机串口连接在软件设定的串口号上，一切没问题后再进行一次串口测试，可以得到测试报告。

3．测试功能不能使用。因为系统测试功能只针对复杂模型机数据通路图而言，所以只有在您打开复杂模型机数据通路图后才可以进行系统测试，系统测试应在下位机按实验要求将实验连线连好后才进行。

4．示波器游标不能快速移动。实际上您可以通过鼠标将游标拽动任何合法的位臵，当您将鼠标光标移动到游标附近时光标会变成拽取状，此时按下鼠标左键就可以拖动游标了。

5．输出区和指令区不能相互重叠。在拖动输出时按下Ctrl 键，就可以将两个区域重叠起来了。 6．单节拍运行程序之后不能修改机器指令或微指令。在单节拍运行模式下是不允许您修改机器指令或微指令的，只有在退出单节拍模式后才能修改，退出单节拍模式就是将当前指令周期执行完。

7．在连续运行程序时按下停止时没有立即停止运行。在复杂模型机通路图中连续运行是以单步机器为单位的，所以即使按下停止运行按钮，系统也不会立即停止，而是要将当前机器指令执行完。在其他的通路图中，连续运行是以指令周期为单位的，因按下停止运行按钮后，系统会将当前指令周期执行完后才停止。

8．示波器测量波形时显示不稳定。在这种情况下您可以通过放大或缩小波形来加以调节，当然最好的办法就是暂停波形显示，这样显示的波形就不会闪动。

9．做基于流水技术构成模型计算机的实验时注意问题在做基于流水技术构成模型计算机的实验时，由于本实验不需要微程序，当每次选择流水数据通路图时系统先将微程序的的00H、01H 两个单元的内容改为所需要的值。而实验中对于这两个单元中的微程序不能随意改变，软件需要使用。

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第2章 实验内容

实验1 系统认识实验

一．实验目的

1．搭建并操作一个最基本的模型计算机。 2．建立对计算机组成及其原理的基本认识。

二．实验设备

1．TDN-CM+或TDN-CM++教学实验系统一套。 2．PC 微机一台。

三．实验原理

1．一台简单模型计算机的结构

为了更好地理解计算机的各组成部件是如何相互配合进行工作的，我们将设计一个最基

本的模型计算机。根据前面小节的知识，我们将算术逻辑运算器、控制器、寄存器、内部总 线等部件搭接起来构成一个CPU，然后再加上存储器、输入设备、输出设备即构成一台完整 的模型计算机。其逻辑框图见图1.4-1。

图1.4-1 模型机逻辑框图

其中ALU 为运算器、DR1、DR2 为工作暂存器、R0 为通用寄存器、AR 为地址寄存器、 PC 为程序计数器、IR 为指令寄存器、TIME 为时序发生器、MEM 为程序存储器、INPUT 为 输入设备、OUTPUT 为输出设备、MC 为微程序控制器。 2．模型计算机的程序

本系统设计了四条指令，构成了此模型计算机的指令系统，即： 助记符 IN ADD addr OUT JMP addr

机器指令码 0000 0000

说 明 INPUT→R0

R0+[addr]→R0 R0→LED

addr→PC

0001 0000 ×××××××× 0010 0000 0011 0000 ××××××××

应用该指令系统可以编写一段反映计算机操作的指令序列，它们就构成了所谓的计算机

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程序，并将其以二进制存放在主存储器的连续的单元中。计算机通过连续运行该段程序，就 可以解决各种复杂的计算或是控制问题。 3．微程序Microprogram

为实现以上计算机程序的操作，控制器对应于每一条机器指令都需要进行一系列的微操 作来完成该机器指令的操作。一个微操作则对应一条微指令。如果控制器采用最普遍使用的 微程序控制器，则一条机器指令的操作就需要一系列微指令来完成。它们构成计算机的微程 序并且是以二进制数的形式存放在控制存储器的存储单元中。与以上机器指令对应的微操作 内容如表1.4-1 所示。

表1.4-1 机器指令对应的微操作 机器指令助记符 微操作 ① PC?AR，PC+1?PC ② RAM?BUS，BUS?IR ③ INPUT?R0 ① PC?AR，PC+1?PC ② RAM?BUS，BUS?IR ③ PC?AR，PC+1?PC ④ RAM?BUS，BUS?DR2 ⑤ R0?DR1 ⑥ [DR1]+[DR2] ?R0 ① PC?AR，PC+1?PC ② RAM?BUS，BUS?IR ③ R0?OUTPUT ① PC?AR，PC+1?PC ② RAM?BUS，BUS?IR ③ PC?AR，PC+1?PC ④ RAM?BUS，BUS ?PC 预备取指 取指 向R0 中输入一个数 预备取指 取指 预备取数据 取数据送入DR2 将R0 中的数送入DR1 两数相加，结果送入R0 预备取指 取指 将结果输出显示 预备取指 取指 预备取数据 取数据送入PC 说明 IN R0 ADD X,R0 OUT R0 JMP 00 四．实验步骤

1．构造一台模型计算机

首先，参照图1.4-2，在教学实验系统中使用连接导线（排线）将模型计算机的各个部件 连接在一起，构成一台完整的模型计算机。连接图中凡是标有小圆圈的连线都是需要连接导 线的，而未标小圆圈的连线是系统已经连接好的。 连接完成后，请仔细检查，以保证连接的正确性。

2．我们来编写一段简单程序操作的例子来说明计算机工作的过程。 这个程序要执行的功能是：

1）由输入设备向CPU 的通用寄存器R0 中输入一个数。 2）将输入的数值与程序中的一个立即数相加。 3）将运算结果输出到输出设备上进行显示。 4）跳转返回到执行第一条指令的状态和位臵。

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完成以上指令操作的程序内容如表1.4-2 所示。

表1.4-2 计算机操作程序 地址 00 01 02 03 04 05 指令码 00000000 00010000 X 00100000 00110000 00000000 OUT R0 JMP 00 指令助记符 IN R0 ADD X,R0 说明 INPUT?R0 R0+X?R0 X 为立即操作数，存放在02 单元中 R0?OUTPUT 00?PC 3．模型机操作前的准备工作

使用通讯电缆将实验系统的串行接口与PC 微机的串行接口相连接，并将实验系统的电源线 接到电源插座中。然后启动PC 微机，进入Windows 系统，安装本设备提供的应用软件CMPP。 （安装方法及软件使用可见用户手册）。

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图1.4-2 系统认识实验接线图

4．模型计算机的运行操作

1）打开实验系统的电源开关， 点击图标CMPP，运行软件。 若联机正常后，将显示如 图1.4-3 所示界面。

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图1.4-3 联机操作软件主界面

2）未联机正常，也可以进入软件界面，但是所有的菜单里的功能全是灰色不可用（除 “文件”及“端口”菜单），且指令区窗口中的数据也全以星号显示。本软件的默认串口为1 号串口，若通讯电缆连接到2 号串口上，可进入“【端口】”菜单，选择2 号串口，然后进行 “【端口】-【端口测试】”，若还不正常，请确保打开系统电源及检查通讯电缆的连接。具体 排除故障见《使用手册》。

3）进入“【转储】--【转载】”，选择系统软件安装时在\\CMPP\\SAMPLE 目录下的一个例 程EX.TXT,点击“打开”后即进行装载。此文件包含有上述设计的模型机要执行的机器指令 程序及定义该机器指令系统的微程序。可从“【文件】—【打开】”来打开此文件，可查看模 型计算机操作的程序及其微程序。其内容为： 机器指令： $P0000 $P0110 $P0208 $P0320 $P0430 $P0500 微指令： $M00018001 $M0101ED82 $M0200C048 $M0300B004 $M0401A205 $M05959A01 $M0600D181 $M08001001 $M0901ED83

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$M0A070201 $M0B01ED86

机器指令及微指令的描述格式为：

4）装载完成后，选择“【运行】-【通路图】-【复杂模型机】”可打开一个对应的数据通 路图，如图1.4-4 所示：

5）在执行指令之前，要将实验系统右下角的CLR 清零开关向上拨到0 位再拨回1 位， 以将程序计数器和微地址寄存器清为零，使得程序可从零地址开始运行。

选择“【运行】－【单步微指令】”功能，每按动一次，系统运行一条微指令并在界面中

显示动态数据流及微地址等的变化，仔细观察运行过程，则可了解并掌握计算机的工作过程。 6）每按动一次“【运行】—【单步机器指令】”，则单步执行一条机器指令。一条机器指 令对应一段微程序，每执行一条微指令时，计算机同时显示数据流，执行完这条机器指令对 应的所有微指令后则自动停止。此时可以再继续单步执行下一条机器指令。

当模型计算机执行完一条指令后，PC 微机则根据指令的执行过程，在屏幕上显示出其

数据流，图中各部件的有效控制信号则用高亮显示，并将下一条微指令代码显示在下方。这 样就可以形象地看到一条指令的执行过程。

“【运行】—【单步微指令】”的功能是单步执行一条微指令，同时显示其数据流。 “【运行】—【连续运行】”，则连续运行全部程序，同时连续显示整个数据流。当按动 “【运行】—【停止】”时才会停止执行，但不是立即停止，只有当一条机器指令运行 完后才会停止。

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图1.4-4

7）单步执行机器指令，并对照表1.4-2，观察对应一条机器指令的一系列微操作的运行 过程。

思考问题

1） 单步执行微指令，观察应用软件的数据通路图中各部件的有效控制信号（高亮显示）， 思考这些控制信号的作用。并对照图1-2，找到这些控制信号的来源，并思考它们是如何产 生的，它们与微代码的关系。思考微程序控制器在整个模型计算机运行中的作用。 2） 单步执行指令ADD X,R0，观察微操作[DR1]+[DR2] ",R0 执行时，运算器ALU 的 有效控制信号S0-S3、M、CN，思考它们对运算器算术逻辑操作的作用。

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实验2 算术逻辑运算实验

一．实验目的

1．了解运算器的组成结构。 2．掌握运算器的工作原理。 3．学习运算器的设计方法。

4．掌握简单运算器的数据传送通路。

5．验证运算功能发生器74LS181 的组合功能。

二．实验设备

TDN-CM+或TDN-CM++教学实验系统一套。

三．实验原理

实验中所用的运算器数据通路图如图2.6-1。图中所示的是由两片74LS181 芯片以并/串 形式构成的8 位字长的运算器。右方为低4 位运算芯片，左方为高4 位运算芯片。低位芯片 的进位输出端Cn+4 与高位芯片的进位输入端Cn 相连，使低4 位运算产生的进位送进高4 位运算中。低位芯片的进位输入端Cn 可与外来进位相连，高位芯片的进位输出引至外部。 两个芯片的控制端S0～S3 和M 各自相连，其控制电平按表2.6-1。

为进行双操作数运算，运算器的两个数据输入端分别由两个数据暂存器DR1、DR2（用 锁存器74LS273 实现）来锁存数据。要将内总线上的数据锁存到DR1 或DR2 中，则锁存器 74LS273 的控制端LDDR1 或LDDR2 须为高电平。当T4 脉冲来到的时候，总线上的数据就 被锁存进DR1 或DR2 中了。

为控制运算器向内总线上输出运算结果，在其输出端连接了一个三态门（用74LS245 实

现）。若要将运算结果输出到总线上，则要将三态门74LS245 的控制端ALU-B 臵低电平。否 则输出高阻态。

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图2.6-1 运算器通路图

数据输入单元(实验板上印有INPUT DEVICE)用以给出参与运算的数据。其中，输入开 关经过一个三态门（74LS245）和内总线相连，该三态门的控制信号为SW-B，取低电平时， 开关上的数据则通过三态门而送入内总线中。

总线数据显示灯（在BUS UNIT 单元中）已与内总线相连，用来显示内总线上的数据。 控制信号中除T4 为脉冲信号，其它均为电平信号。

由于实验电路中的时序信号均已连至“W/R UNIT”单元中的相应时序信号引出端，因 此，需要将“W/R UNIT”单元中的T4 接至“STATE UNIT”单元中的微动开关KK2 的输出 端。在进行实验时，按动微动开关，即可获得实验所需的单脉冲。 S3、S2、 S1、S0 、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU-B、SW-B 各电平控制信号则使用“SWITCH UNIT”单元中的二进制数据开关来模拟，其中Cn、ALU-B、SW-B 为低电平有效，LDDR1、 LDDR2 为高电平有效。

对于单总线数据通路，作实验时就要分时控制总线，即当向DR1、DR2 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。

四．实验步骤

1．按图2.6-2 连接实验电路并检查无误。图中将用户需要连接的信号线用小圆圈标明（其 它实验相同，不再说明）。

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2．开电源开关。

3．用输入开关向暂存器DR1 臵数。

①拨动输入开关形成二进制数01100101（或其它数值）。（数据显示灯亮为0，灭为1）。 ②使SWITCH UNIT 单元中的开关SW-B=0（打开数据输入三态门）、ALU-B=1（关闭 ALU 输出三态门）、LDDR1=1、LDDR2=0。

③按动微动开关KK2，则将二进制数01100101 臵入DR1 中。 4．用输入开关向暂存器DR2 臵数。

①拨动输入开关形成二进制数10100111（或其它数值）。

②SW-B=0、ALU-B=1 保持不变，改变LDDR1、LDDR2，使LDDR1=0、LDDR2=1。 ③按动微动开关KK2，则将二进制数10100111 臵入DR2 中。 5．检验DR1 和DR2 中存的数是否正确。

①关闭数据输入三态门（SW-B=1），打开ALU 输出三态门（ALU-B=0），并使LDDR1=0、 LDDR2=0，关闭寄存器。

②臵S3、S2、 S1、S0 、M 为1 1 1 1 1，总线显示灯则显示DR1 中的数。 ③臵S3、S2、 S1、S0 、M 为1 0 1 0 1，总线显示灯则显示DR2 中的数。 6．改变运算器的功能设臵，观察运算器的输出。 ①SW-B=1、ALU-B=0 保持不变。

②按表2-2 臵S3、S2、 S1、S0 、M、Cn 的数值，并观察总线显示灯显示的结果。 例如：臵S3、S2、 S1、S0 、M、Cn 为1 0 0 1 0 1，运算器作加法运算。 臵S3、S2、 S1、S0 、M、Cn 为0 1 1 0 0 0，运算器作减法运算。 7．验证74LS181 的算术运算和逻辑运算功能（采用正逻辑）

在给定DR1=65、DR2=A7 的情况下，改变运算器的功能设臵，观察运算器的输出，填 入下表中，并和理论分析进行比较、验证。

图2.6-2 算术逻辑实验接线图

表2.6-1

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M=0（算术运算） DR1 DR2 65 65 65 A7 A7 A7 S3 S2 S1 S0 ００００ ０００１ ００１０ ００１１ ０１００ ０１０１ ０１１０ ０１１１ １０００ １００１ １０１０ １０１１ １１００ １１０１ １１１０ １１１１ Cn=1 无进位 Cn=0 有进位 M=1 （逻辑运算） F=（65） F=（66） F=（9A） F=（E7） F=（E8） F=（18） F=（7D） F=（7E） F=（82） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ） F=（ ）

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实验3 静态随机存储器实验

一．实验目的

掌握静态随机存储器RAM 工作特性及数据的读写方法。

二．实验设备

1．TDN-CM+或TDN-CM++教学实验系统一台。 2．PC 微机（或示波器）一台。

三．实验原理

实验所用的半导体静态存储器电路原理如图3.6-1 所示，实验中的静态存储器由一片6116（2K×8）构成，其数据线接至数据总线，地址线由地址锁存器（74LS273）给出。地址灯AD0～AD7 与地址线相连，显示地址线内容。数据开关经一个三态门（74LS245）连至数据总线，分时给出地址和数据。

因地址寄存器为8 位，所以接入6116 的地址为A7～A0，而高三位A8～A10 接地，所以其实际容量为256 字节。6116 有三个控制线：CE（片选线）、OE（读线）、WE（写线）。当片选有效（CE=0）时，OE=0 时进行读操作，WE=0 时进行写操作。本实验中将OE 常接地，在此情况下，当CE=0、WE=0 时进行读操作，CE=0、WE=1 时进行写操作，其写时间与T3 脉冲宽度一致。

实验时将T3 脉冲接至实验板上时序电路模块的TS3 相应插孔中，其脉冲宽度可调，其它电平控制信号由“SWITCH UNIT”单元的二进制开关模拟，其中SW-B 为低电平有效，LDAR 为高电平有效。

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图3.6-1 存储器实验原理图

四．实验步骤

(1) 形成时钟脉冲信号T3。具体接线方法和操作步骤如下：

① 接通电源，用示波器接入方波信号源的输出插孔H23，调节电位器W1 及W2 ，使 H23 端输出实验所期望的频率及占空比的方波。

② 将时序电路模块（STATE UNIT）单元中的ф和信号源单元（SIGNAL UNIT）中的 H23 排针相连。

③ 在时序电路模块中有两个二进制开关“STOP”和“STEP” 。将“STOP”开关臵为 “RUN”状态、“STEP”开关臵为“EXEC”状态时，按动微动开关START，则TS3 端即输出为连续的方波信号，此时调节电位器W1，用示波器观察，使T3 输出实验 要 求的脉冲信号。当“STOP”开关臵为“RUN”状态、“STEP”开关臵为“STEP” 状态时，每按动一次微动开关START，则T3 输出一个单脉冲，其脉冲宽度与连续方 式相同。若用PC 联机软件中的示波器功能也能看到波形，可以代替真实示波器。

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实验五、微处理器原理

一．实验目的

通过本实验，将在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令的功能。 ? 掌握微处理器的工作原理； ? 掌握微程序编写；

? 掌握微程序的调试和执行。

二．实验设备

1． TDN-CM+或TDN-CM++教学实验系统一台。

三．实验原理

微程序控制器的基本任务是完成当前指令的翻译和执行，即将当前指令的功能转换成可以控制硬件逻辑部件工作的微命令序列，完成数据传送和各种处理操作。它的执行方法就是将控制各部件动作的微命令的集合进行编码，即将微命令的集合仿照机器指令一样，用数字代码的形式表示，这种表示称为微指令。这样就可以用一个微指令序列表示一条机器指令，这种微指令序列成为微程序。微程序存储在一种专用的存储器中，称为控制存储器。

实验所用的时序控制电路框图如图4.4-1 所示，可产生４个等间隔的时序信号TS1～TS4，其中Φ为时钟信号，由实验台左上方的方波信号源提供，可产生频率及脉宽可调的方波信号。学生可根据实验自行选择方波信号的频率及脉宽。图中STEP（单步）是来自实验板上方中部的一个二进制开关STEP 的模拟信号。START 键是来自实验板上方左部的一个微动开关START 的按键信号。当STEP 开关为０时（EXEC），一旦按下START 启动键，时序信号TS1～TS4 将周而复始地发送出去。当STEP 为１（STEP）时，一旦按下SATRT 启动键，机器便处于单步运行状态，即此时只发送一个CPU 周期的时序信号就停机。利用单步方式，每次只读一条微指令，可以观察微指令的代码与当前微指令的执行结果。另外，当机器连续运行时，如果STEP 开关臵“１”（STEP），也会使机器停机，或使CLR 开关执行1→0→1 操作也可以使时序清零。时序状态图见图4.4-7。

由于时序电路的内部线路已经连好，所以只需将时序电路与方波信号源连接，即将时序电路的时钟脉冲输入端ф接至方波信号发生器输出端H23 上，按动启动键START 后，就可产生时序信号TS1～TS4。时序电路的CLR 已接至实验板右下方的CLR 模拟开关上。

图4.4-1 时序控制电路框图

微程序控制电路与微指令格式 ①微程序控制电路

微程序控制器的组成见图4.4-2，其中控制存储器采用３片2816 的E2PROM,具有掉电保护功

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能，微命令寄存器18 位，用两片8D 触发器（273）和一片4D（175）触发器组成。微地址寄存器6 位，用三片正沿触发的双D 触发器（74）组成，它们带有清“０”端和预臵端。在不判别测试的情况下，T2 时刻打入微地址寄存器的内容即为下一条微指令地址。当T4 时刻进行测试判别时，转移逻辑满足条件后输出的负脉冲通过强臵端将某一触发器臵为“１”状态，完成地址修改。

在该实验电路中设有一个编程开关（位于实验板右上方），它具有三种状态：PROM（编程）、READ（校验）、RUN（运行）。当处于“编程状态”时，学生可根据微地址和微指令格式将微指令二进制代码写入到控制存储器2816 中。当处于“校验状态”时，可以对写入控制存储器中的二进制代码进行验证，从而可以判断写入的二进制代码是否正确。当处于“运行状态”时，只要给出微程序的入口微地址，则可根据微程序流程图自动执行微程序。图中微地址寄存器输出端增加了一组三态门，目的是隔离触发器的输出，增加抗干扰能力，并用来驱动微地址显示灯。

②微指令格式

微指令字长共24 位，其控制位顺序如表4.4-1：

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图4.4-2 微控器实验原理图

表4.4-1

其中UA5～UA0 为6 位的后续微地址，A、B、C 为三个译码字段，分别由三个控制位 译码出多位。C 字段中的P（1）～P（4）是四个测试字位。其功能是根据机器指令及相应微 代码进行译码，使微程序转入相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行， 其原理如图4.4-3 所示，图中I7～I2 为指令寄存器的第7～2 位输出，SE5～SE1 为微控器单 元微地址锁存器的强臵端输出。AR 为算术运算是否影响进位及判零标志控制位，其为零有 效。B 字段中的RS-B、R0-B、RI-B 分别为源寄存器选通信号、目的寄存器选通信号及变址 寄存器选通信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1 及R2 的选通译码， 其原理如图4.4-4，图中I0～I4 为指令寄存器的第0～4 位，LDRi 为打入工作寄存器信号的 译码器使能控制位。

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图4.4-3 指令译码

图4.4-4 寄存器译码

四．实验步骤

（1）图4.4-5 为所设计的几条机器指令对应的参考微程序流程图，将全部微程序按微指 令格式变成二进制代码，可得到表4.4-2 的二进制代码表。

图4.4-5 微程序流程图

上图中一个矩形方框表示一条微指令，方框中的内容为该指令执行的微操作，右上角的

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