组员实习报告 - 图文

组原实习报告

信息工程学院

组原实习报告

（2013～2014学年第 二学期）

姓 名：__ 王柯____ _____ 学 号：__ _2012013276_____

专 业：_ _ 计算机_________ 年级班级：_ _122班_________

组原实习报告 一 计算机的组成

1.综述：

TEC-XP是由清华大学计算机系和清华大学科教仪器厂联合研制并通过了教育部主持的成果鉴定的适用于计算机组成原理与系统结构的实验系统，主要用于计算机组成原理和计算机系统结构等课程的硬件教学实验，同时还支持监控程序、汇编语言程序设计、BASIC高级语言程序设计等软件方面的教学实验。它的功能设计和实现技术，都紧紧地围绕着对课程教学内容的覆盖程度和所能完成的教学实验项目的质量与水平来进行安排。其突出特点有二，一是硬、软件基本配置比较完整，能覆盖相关课程主要教学内容，支持的教学实验项目多且水平高，文字与图纸资料相对齐全。二是既有用不同集成度的半导体器件实现的真实“硬件”计算机系统，同时还有在PC计算机上用软件实现的功能完全相同的教学计算机的“软件”模拟系统，其组成和实现的功能如下图所示。

软件：解释 BASIC 语言 汇编语言支持 监控程序 硬件：运算器，控制器（多种实现： 微程序或硬连线控制器，中小规模器件或FPGA器件实现） 主存储器，总线，接口 输入设备，输出设备 硬件与电路：逻辑器件和设备 硬件实现的真实计算机系统 软件实现的模拟计算机系统

软件：解释 BASIC 语言 汇编语言支持 监控程序（指令）级模拟 教学机模拟：运算器、控制器模拟 (微程序级或硬连线控制器级模拟) 主存储器模拟，总线、接口模拟 输入设备/ 输出设备模拟 运行环境：PC机，Windows系统 2.TEC-XP教计算机系统其外观如图1.1所示：

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3.实验系统的硬件系统组成示意图1.2如下：

/GAR地址寄存器电平转换Y地址总线译码 2路串行接口器CZVS运算器部件DA口 B口I8~I0SSH SCI SST内部总线双线选通门/SWTOIB/YTOIB/IRLTOIB/FTOIB控制总线/MIO REQ /WE/GAR译码器数据总线数据总线控制信号FPGA芯片实现的CPU系统DC1译码器DC2译码控制器部件器 内存体地址总线/GIR

图1.2 实验系统的硬件系统组成示意图

从图中可以看到TEC-XP教学计算机的总体组成。在图的左部所表示的是选用中小规模器件实现的CPU系统，由独立的运算器、控制器部件组成。图的中间部分所表示的是内存储器、串行接口线路的组成。图的右部虚线部分所表示的是选用FPGA门阵列器件实现的单个芯片的CPU系统。这两个CPU系统都可以通过数据总线、地址总线和控制总线连接内存储器、串行接口线路，从而构成一台完整的计算机硬件系统，安装上必要的软件就可以正常运行，作为计算机组成原理课程内容实例和教学实验设备具有很好的典型性。两个CPU系统需要通过分时或者独占的方式使用同一套存储器部件和串行接口线路。

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组原实习报告 其系统基本组成部分的结构框图如图1.3所示：

AR15~AR13AR6~AR4AR7地址总线接串口设备 /RD /WR C/D RESETTxD /CE0 138/MMREQAR15~8/GAR/IOREQVccR138/GARAR7~0控制总线/MIO REQ /WEMAX202 RxD8251RAM15 RAM0Q15 Q0 Cin内存芯片片选RAM0,RAM15, Q0 F15,Cy,F=0,OVRIB7~IB4/CS0, /CS1，...F=0000Cy,OVR,F15Q15RAM15IO 芯片片选/CE0, /CE1,...YAB12~0 58C65 58C65CLK TxCRxC153.6kHz/CS0 Y139SHIFTSSH SCIRAM0，Q15 F15, Cy, CFLAGSSTC Z V S244 /YTOIB 2901_15~12D2901_7~4DYCin/MMREQ, /IOREQ/MRD，/WE, /RD, /WRY 58C65244 /YTOIB 58C65/CS？2442901_12~8DD2901_3~0Q0RAM0/CS1 6116DB15~8245数据总线 6116 /WE /FTOIB IB15~8内部总线 /MAP 地址/GIR DB7~0245/MIO IB7~0244 /IRLTOIB 244符号扩展244CLK WE 2910 /PL MAPROM数据微指令地址IR15~8IR7~0下地址CM1数据T3~T0TimingA3~0 B3~0 I8~I0SST2~0 SSH SCI1~0244 /SWTOIB 开关 开关 MACH435307.2KHzCK2153.6kHz/LoadSCC CI3~0 数据CM0377CLK2 IR15~IR8 RESET C_M#晶振LS04CLK1.8432MHzDC2DC1/SWTOIB /YTOIB /IRLTOIB /FTOIB CK1 CKStartStep Reset StartSCC GAL /CC C Z S INT#IR3~0 C_M#Qc Qd Qb QaC D 161 B AVcc GND MIO REQ WE当前微地址显示/GIR /GAR? 图1.3. TEC-XP教学计算机的硬件组成线路

4.介绍硬件各个部件

（1）运算器部分

1——4：运算器芯片。由4片4位的运算器芯片AM2901组成。4片级连构成一个16位的运算器，片间采用串行进位的方式。

5：标志寄存器FLAG。4位，用来保存运算器运算结果的4个标志位C、Z、V、S。 6：SHIFT芯片。产生运算器最低位的进位输入信号和移位信号。

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图5.运算器组成线路与信息连接关系

（2）控制器部分

本系统提供了硬布线控制器和微程序控制器两种控制器。 （1）硬布线控制器

程序计数器PC。用运算器芯片内的一个16位寄存器来表示（用户看不到）。 7、9：指令寄存器IR。由两片8位D锁存器芯片74LS374和74LS377构成。 74LS374和74LS377为带公共使能端的具有三态输出的八 D 边沿触发器。

9、65：节拍发生器Timing。使用几个触发器的不同编码状态来区分和标示指令的执行步骤。

10：时序控制信号产生器MACH5。用一片100引脚的CPLD器件实现。用于产生并提供每一条指令的每一个执行步骤使用的全部时序控制信号，这些信号可以直接送到每个被控制的对象，或者经过译码器送到被控制的对象。

11、12：译码器。由两片三——八译码器芯片（74LS138）实现。 （2）微程序控制器

程序计数器PC。（同硬布线控制器）。

7、9：指令寄存器IR。（同硬布线控制器）。

14：微指令地址映射部件MAPROM。由一片28C64型ROM芯片实现。MAPROM的地址输入是指令寄存器IR给出的8位指令操作码，其输出内容为这条指令对应的微程序段的入口地址。

13：微程序控制器AM2910。用于产生下一条微指令的地址。 18：微指令转移的条件判断电路。由一片GAL20V8实现。 15、16：控制存储器。由两片28C64型ROM芯片构成。用于存放本系统的微程序。（15、16只是控制存储器的一部分，用于存放微指令的16位下地址。另一部分在芯片10中，存放32位的微命令信号）

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组原实习报告 47、51：微指令寄存器。由一片8位D锁存器芯片74LS374和一片8位带清0控制的D锁存器芯片74LS273构成。用于存放当前运行中的微指令。（47、51只是微指令寄存器的一部分。另一部分由芯片10中的32位D型触发器组成）

17：当前微指令地址寄存器。由一片74LS377型8位D锁存器构成。用于存放当前运行中和微指令的地址，并驱动8个指示灯（以此来显示当前微指令的地址）。

图6.在MACH芯片内实现32位的控制存储器和微指令寄存器

（3）存储器（内存）

19、20：ROM。由2片8KB的ROM芯片28C64。用于存放本机的监控程序。 21、22：RAM。由2片2KB的RAM芯片6116。 23、24：内存扩展插座。用于扩展存储器。

54：三八译码器74LS138。实现对内存地址AB15——AB13的译码。产生8个用于内存片选的译码信号，分别对应8个内存地址空间。

53：74ls139芯片。其内部是2个独立的2-4译码器。由其译码产生对内存读写等操作的控制信号。

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图7. 内存储器和串行接口电路

（4）串行接口

27：串行接口芯片8251。用于确定串行接口COM1的工作方式。Intel8251是一种通用的同步/异步发送器，通过对它的编程可以设置串行接口的工作方式。

65：预留的8251芯片插座。用于确定串行接口COM2的工作方式。

28：电平转换芯片MAX202。COM1和COM2共用。实现±12V转换为±5V。

58：IO地址译码器。由一片74LS138三八译码器实现。它对AB7——AB4（IO端口地址的高四位）进行译码，产生相应外设的片选信号。

（5）总线线路

本系统的总线由内部总线、数据总线、地址总线、控制总线共四部分组成。 内部总线是数据总线在CPU内部的体现，在真正的商用机中用户是看不到的。在本机中是连接运算器和控制器之间的线路。

38、40：总线驱动器。由两片八同相三态缓冲器/线驱动器74LS244组成。用来把运算器的运算结果经放大后送内部总线。

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组原实习报告 39：总线驱动器。由一片74LS244组成。用来把标志寄存器FLAG的值经放大后送内部总线。

25、26：三态双向总线收发器。由8路同相三态双向总线收发器74LS245组成。设置在内部总线和数据总线之间，实现内部总线和数据总线的隔离，并可双向传输数据。

55、56：地址寄存器。由二片8位D锁存器芯片74LS374组成。由运算器输出的内存地址暂存入地址寄存器。

（6）中断系统

71：中断源按键。提供三个中断请求的源信号。 64：INTS。由一片GAS20V8通过人工编程实现。用来接受并暂存由三个按键（71）给出的中断请求源信号。

63：INTP。由一片GAS20V8通过人工编程实现。用来对INTS送来的中断请求信号进行中断优先级编码、优先级比较、向CPU产生中断请求信号等。

49、50：中断向量寄存器。由二片8位D锁存器芯片74LS374组成。由这两个寄存器硬性设置的中断向量分别为2104H、2108H和210CH，对应的优先级分别是1、2、3。

（7）启停电路

29：晶体振荡器。用于产生1.8432MHz的时钟脉冲。

30：74LS04（6非门）。它的内部含有6个CMOS反相器。74LS04的作用就是反相把1变成0，0变成1。

31：四位二进制可预置的同步加法计数器74LS161。用来对晶体振荡器产生的1.8432MHz的时钟进行分频，产生各种需要的时钟信号。

32：启停控制电路。由一片GAS20V8通过人工编程实现（仿真74LS120的作用）。 33、34：复位和开始按键。

（5）软件组成介绍

TEC-XP教学计算机系统的软件配置比较齐全，但确实是属于非常基本的部分，有源程序清单。分为用TEC-XP机指令设计的，运行在教学机系统中，如监控程序MONITOR，容易看懂和修改。有用PC机汇编语言设计的。而交叉汇编程序中，如PC机仿真终端程序PECE。而交叉汇编程序ＡＳＥＣ则是用PC及的高级语言设计并运行在PC机上，容易看懂和修改。

TEC－XP教学计算机可以在PC机的DOS或WINDOWS环境，在WINDOWS界面下，还提供更高级和新增加的一些功能，如控制器辅助设计软件，系统和指令仿真软件，浮点运算支持软件，实验用图纸和文字资

料查阅支持功能等。

TEC-XP机研制过程，非常重视起软件配置，主要提供如下软件：

监控程序MONITOR,固化在主存ROM存储区，实现的功能类似PC机的DEBUG，有8条监控命令，控制试验机正常运行，执行输入输出等操作。

交叉汇编程序ASEC，对试验机的汇编程序进行汇编，产生机器的指令代码。很容易把通过扩展实现的新指令的汇编功能添加进去。

PC机仿真终端程序PCEC,运行在PC机上，童工串行口使PC机作为是啊一年级的输入输出设备。

微程序：解释执行试验机的个条指令。

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组原实习报告 二 工作原理

１.运算器

１.１ AM2001芯片的管脚信号

首先把Am2901芯片的管脚信号，按输入/输出及功能分类小结如图所示。

F=0000 Cn+4 F3 OVR RAM 3 Q 3 /G /P Y 3 ~Y 0 Cn /OE A3 ~A0 B3 ~B0 RAM 0 Q 0 I8 ~ I0 CP D3 ~D0 图２.１ Am2901运算器芯片的管脚分配

属于数据类型的信号包括：4位数据输入（D3-D0），4位数据输出（Y3-Y0），最低位进位输入信号（Cn），4个标志位输出信号（F3,OVR,F=0000,Cn+4），通用寄存器最高、最低位移位入出信号（RAM3,RAM0），Q寄存器最高、最低位移位入出信号（Q3,Q0），用于并行进位的2个信号（/G,/P），合计19位。

属于控制类型的信号包括：主脉冲信号（CP），输出使能信号（/OE），两个4位的寄存器选择信号（A3-A0,B3-B0），选择ALU数据来源，运算功能，结果处置的信号各3位（I8-I0），合计19位。

该芯片还有电源和地线引脚各一个，故该芯片共有40个引脚。

１.２ 4片Am2901 芯片之间的连接

用4片Am2901芯片构成一个16位的运算器部件，4片间的连接关系如图２.２所示：

(1) 由4片各自的D3-D0组成16位的数据输入D15-D0。 (2) 由4片各自的Y3-Y0组成16位的数据输出Y15-Y0。

(3) 有高低位进位关系的3组信号，在高低位相邻芯片间的连接关系是：高位芯片的RAM0、Q0分别与低位芯片的RAM3、Q3相连；在串行进位方式下，高位芯片的 Cn 与低位芯片的 Cn+4 相连；Am2901芯片之间也可以选用一片Am2902器件实现快速进位。

此时，最低位芯片的RAM0与Q0是该16位的运算器的最低位的移位入/出信号，最高位芯片的RAM3与Q3是16位的运算器最高位的移位入/出信号。

最低位芯片的Cn是整个运算器的最低位进位输入信号。最高位芯片的Cn+4是16位的完整运算器的进位输出信号。

同理，只有最高位芯片的F3和OVR有意义，低位的三个芯片的F3和OVR不被运用。

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组原实习报告 四个芯片的F=0000管脚（集电极开路输出）连接在一起，并经一个电阻接到 +5V电源以得到16位的ALU的运算结果为\的标志位信号。

(4). 其它的几组输入信号，对4片Am2901器件来说应有相同的值，包括/OE(控制Y的输出)，A地址、B地址（选择寄存器），I8-I0(控制Am2901的结果处置、运算功能、数据来源)和工作脉冲CP，故应将四个芯片的这些信号的各对应管脚连接在一起。

+5v R F=0 Am 2902 Y7~Y4 Y 11~Y8 Y3~Y0 Y 15~Y12 OVR F15 Cin Cy 高位 低位 RAM15 RAM 0 Am2901 Am2901 Q0 Q15 Q0 CP /OE A地址 I 8~I0 B地址 D15~D12 D11~D8 D7~D4 D 3~D0 图２.２ 4片Am2901芯片各管脚之间的连接关系

１.３ 需要在Am2901芯片外部的处理的逻辑功能

有一些功能（数据）取决于如何使用Am2901，与指令和指令的执行步骤有关，必须用另外的线路来处理的，包括:

① 需要正确给出芯片的最低位的进位输入信号Cn，选用3位的控制码确定，需要在Am2901芯片之外用另外的电路解决。

表3-4 形成最低位进位输入信号Cin的逻辑

3 位选择码

SSH SCI编码 指令举例 Cin取值 0 0 0 ADD，DEC ０ 0 0 1 SUB INC １ 0 1 0 ADC SBB Ｃ

② 关于左右移位操作过程中的RAM3、RAM0、Q3和Q0的处理，左移操作时RAM3与Q3为输出，RAM0和Q0为输入；相反，右移操作时，RAM0和Q0为输出，RAM3和Q3为输入，这是由I8和I7共同控制的。这几个外部信息的接收与送入，选用3位的控制编码确定，需要在 Am2901芯片之外用另外的电路解决。

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组原实习报告 取为0101H，D2取为1010H，通过两个12位的红色微型开关向运算器提供控制信

号，通过16位数开关向运算器提供数据，通过指示灯观察运算结果及状态标记；

１.３完成情况

基本完成实验书上要求的内容。

１.４体会

本次实验还是按照实验指导书上的步骤实验，单独用微型开关对其进行控制，以完成其运算功能，并通过前面的理论学习了解了AM2901运算器的功能及其用法。本次实验过程中遇到的主要问题是对教学计算机的各部分功能不是很熟悉，导致在开始观察CZVS和ALU时出现了错误，但在后面老师讲解后改正了。

３.组合逻辑控制器实验

１.１实验目的：

通过看懂教学计算机中已经设计好的并正常运行的几条典型指令（例如，ADD，SHR，OUT，MVRD，JRC，RET，CALA等指令）的功能、格式和执行流程。

其最终达到的目的是：

（１）深入理解计算机控制器的功能、组成知识；

（２）深入学习计算机各类典型指令执行流程； （３）对指令格式、寻址方式、指令系统、指令分类等建立具体的总体概念；

１.２实验内容：

（1）完成控制器不见的教学实验，主要内容是由学生设计几条指令的功能、格式和执行流程，并在教学计算机上实现、调试正确。

（2）首先是看懂TEC-XP教学计算机的功能部件组成和线路逻辑关系，然后分析教学计算机中已经设计好的并正常运行几条经典指令（例如ADD，SHR，OUT，MVRD，JRC，RET，CALA等指令）的功能、格式和执行流程。

（3）设计几条指令的功能、格式和执行流程，并在教学计算机上实现、调试正确。例如ADC、JRS、JRNS、LDRA、STOR、JMPR等指令。

（4）单挑与运行指令，查看指令的功能、格式和执行流程。 （5）用监控程序的A、E命令编写一段小程序，观察运行结果。

１.３完成情况

基本完成书上要求的内容。

１.４体会

今天的实验让我们熟悉了典型指令的每个节拍的控制信号的变化规律，通过观察教学机上的指示灯可以直观的看到每一个控制信号的变化。本次实验没什么难度，主要需要仔细的观察实验箱指示灯，避免粗心看错指示灯得到错误的结果。

４.储存器实验 １.１实验目的：

通过看懂教学计算机中已经使用的几个存储器芯片的逻辑连接关系和用完

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组原实习报告 成存储器容量扩展的几个存储器芯片的布线安排，在教学计算机上设计、实并调试出存储器容量扩展的实验内容。其最终要达到的目的是：

1、深入理解计算机内存储器的功能、组成知识；

2、深入地学懂静态存储器芯片的读写原理和用它们组成教学计算机存储器系统的方法（即字、位扩展技术），控制其运行的方式；

3、思考并对比静态和动态存储器芯片在特性和使用场合等方面的同异之处。

１.２实验内容：

1、要完成存储器容量扩展的教学实验，需为扩展存储器选择一个地址，并注意读写和OE等控制信号的正确状态；

2、用监控程序的D、E命令对存储器进行读写，比较RAM（6116）、EEPROM（28系列芯片）EPROM（27系列芯片）在读写上的异同；

3、用监控程序的A命令编写一段程序，对RAM（6116）进行读写，用D命令查看结果是否正确；

4、用监控程序的A命令编写一段程序，对扩展存储器EEPROM（28系列芯片）进行读写，用D命令查看结果是否正确；如不正确，分析原因，改写程序，重新运行。 １.３完成情况

基本完成书上要求的内容。 １.４体会

通过这次实验我了解到ROM芯片和RAM芯片在功能和使用方法等方面的相同和差异之处；学习编程器设备向EEPROM芯片内写入一批数据的过程跟方法的工作原理，我在我预习做实验的时候，阅读到计算机存储器系统由ROM和RAM两个存储区组成，分别由EPROM芯片和RAM芯片构成。TEC-XP教学极端及中还了解到另外几个存储器器件插座，可以插上相应储存器芯片成存储器容量扩展的教学实验，为此必须比较清楚的了解：是我们做实验的一大难点，同时也是我们计算机组成原理的重点。了解到RAM与EEPROM在读写上的异同。如RAM没有断点保存功能，而EEPROM断电会保存；由于EPROM是拓展外部芯片，对其写操作需要一定的时间。需要编写一个延迟子程序来达成操作。

５. 微程序控制器实验 １.１实验目的：

通过看懂教学计算机中已经设计好并正常运行的数条基本指令（例如，ADD、MVRD、OUT、MVTD、JR、RET等指令）的功能、格式和执行流程，然后自己设计几条指令的功能格式和执行流程，并在教学计算机上实现、调试正确。其最终要达到的目的是：

1、深入理解计算机微程序控制器的功能、组成知识； 2、深入地学习计算机各类典型指令的执行流程；

第 21 页 共28页

组原实习报告 3、对指令格式、寻址方式、指令系统、指令分类等建立具体的总体概念； 4、学习微程序控制器的设计过程和相关技术。

１.２实验内容：

1、完成控制器部件的教学实验，主要内容是由学生自己设计几条指令的功能、格式和执行流程，并在教学计算机上实现、调试正确。

2、首先是看懂TEC-XP教学计算机的功能部件组成和线路逻辑关系，然后分析教学计算机中已经设计好并正藏运行的几条典型指令（例如，ADD、MVRD、OUT、MVTD、JR、RET等指令）的功能、格式和执行流程，注意各操作功能所对应的控制信号的作用，

3、设计几条指令的功能、格式和执行流程，并在教学计算机上实现、调试正确。例如ADC、JRS、JRNS、LDRA、STAR、CALR等指令，可以从给出的19条扩展指令中任意选择，当然也可以设计与实现其他的指令，包括原来已经实现的基本指令或自己确定的指令。

4、单条运行的指令，查看指令的功能、格式和执行流程。

5、用监控程序的A、E（扩展指令必须用E命令置入）命令编写一段小程序，观察运行结果。

１.３完成情况

基本完成书上要求的内容。

１.１.４体会

通过这次的实验我们深入理解计算机微程序控制器的功能、组成知识；深入地学习计算机各类典型指令的执行流程；对指令格式、寻址方式、指令系统、指令分类等建立具体的总体概念；学习微程序控制器的设计过程和相关技术。

我认为这次实验最难得部分是思考题，考验了我们对于整个实验中各种的语句的理解，不过最后通过和大家的讨论终于做出了答案，收获良多。

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附录：

1、74LS244相关信息简介：

单向总线驱动器

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组原实习报告 推荐工作参数： 符号 VCC VIH VIL IOH IOL TA 电器参数： 参数 电源电压 输入高电平电压 输入低电平电压 输出高电平电流 输出低电平电流 工作温度 最小值 4.75 2 - - - 典型值 5 - - - - - 最大值 5.25 - - 0.8 24 70 单位 V V V mA mA ℃

2、6116相关信息简介：

HM6116是一种2K*8位的高速静态CMOS随机存取存储器,其基本特征是:

（1）高速度------存取时间为100ns/120ns/150ns/200ns(分别以6116-10、6116-12、6116-15、6116-20为标志)。

（2）低功耗——运行时间为150mW,空载时为100mW。 （3）与TTL兼容。

（4）管脚收出与标准的2K*8b的芯片（例如，2716芯片兼容）。 （5）完全静态——无须时钟脉冲与定时选通脉冲。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/fcr2.html