计算机组成原理 - 实验报告

实验环境

Dais−CMX16+

实验内容

1. 第一次实验
   
   • 手动实验环境
   • 十六位机运算器实验
2. 第二次实验
   
   • 通用寄存器实验
   • 准双向I/O口实验
   • 地址总线组成实验
3. 第三次实验
   
   • 十六位数据总线实验
   • 存储器读写实验
   • 指令总线运用实验
4. 第四次实验
   
   • 微控制器实验

内容详细

手动控制实验环境

所谓手动控制，就是用二进制拨动开关模拟微控制信号，以手动方式设置相互关联的逻辑控制电位，建立“源与目”的有效状态，实现和完成实验制定的控制任务。

实验目的

在 Dais−CMX16+ 手控态提供“在线”与“搭接”两种实验方式，“在线”态其内部线路已按规范连接，“搭接”态则可忽略微控制器组成环节，自定义和连接单元部件与关联电路。

本次实验采用“搭接”方式，一方面可以让我们了解实验箱“在线”态内部一些线路，另一方面也是让我们动手体验一次实验连接环节与实验拆除环节。

十六位机运算器实验

实验目的

掌握十六位机字与字节运算的数据传输格式，验证运算功能发生器及进位控制组合功能。

实验原理

通过准双向I/O输入输出端口给出参与运算的数据，两个运算寄存器 AX,BX 与 ALU 相连，给出相应的功能编码，然后经过 ALU 运算后输出到 FUN 。

实验过程

1. 总线源编码选择 IOR ，打开字写功能，通过 I/O 单元向累加器 AX 与暂存器 BX 置数。
2. 总线源编码选择 ALU ，通过 M、S2、S1、S0 选择相应的逻辑运算或算数运算。
3. FUN 即为运算结果。

运算器功能编码

算数运算

M	S2	S1	S0	功能
0	0	0	0	A+B+C
0	0	0	1	A−B−C
0	0	1	0	RLC
0	0	1	1	RRC
0	1	0	0	A+B
0	1	0	1	A−B
0	1	1	0	RL
0	1	1	1	RR

逻辑运算

M	S2	S1	S0	功能
1	0	0	0	B
1	0	0	1	/A
1	0	1	0	A−1
1	0	1	1	A=0
1	1	0	0	A#B
1	1	0	1	A&B
1	1	1	0	A+1
1	1	1	1	A

通用寄存器实验

寄存器组写操作

目的寄存器写编码

目标使能		通用寄存器目标编址
K19...K17	IR	K16	K6		功能说明
o2...o0	IR1	OP	W	T4
	0	0	0	↑	CX字写
	0	0	1	↑	CL偶字节写
000	0	1	X	↑	CH奇字节写
	1	0	0	↑	DX字写
	1	0	1	↑	DL偶字节写
	1	1	X	↑	DH奇字节写

寄存器组写入

K21 (MWR) EM程序存储器写使能

K16 (OP) 目标部件奇偶标志

K2 (LDIR) IR指令寄存器写使能

1. 首先打开总线编码的IOR功能（利用 K6 (M) 确定总线字长）

   • CX地址：00
   • DX地址：02
   • LDIR与MWR置为0
2. 打入CX或DX地址到IR指令寄存器中
3. 关闭LDIR与MWR
4. K19...K17=000 为CX字写操作
5. 写入数据

其中，我们可以利用 K6(W) 来指定总线字长，从而可以实现寄存器组的字写入与字节写入。

寄存器组读操作

源寄存器读编码

源编码		通用寄存器源地址
K10...K8	IR	K7	K6	功能说明
X2...X0	IR1	XP	W
	0	0	0	CX字读
	0	0	1	CL偶字节读
001	0	1	X	CH奇字节读
	1	0	0	DX字读
	1	0	1	DL偶字节读
	1	1	X	DH奇字节读

寄存器组读取

1. 打开总线编码IOR功能
2. LDIR、MWR、OP置0，IR可写
3. 打入CX或DX地址到IR，以便于读取
4. 关闭LDIR与MWR
5. 总线功能选择RRD ( K10...K6=001 )

在寄存器组读取过程中，我们可以通过改变 K6 来控制是字读操作还是字节读操作，如果处于字节操作中，利用 K7 可选择CL 与 CH，从而可以分别传输寄存器高位与地位内容到总线中。

问题

• 打入IR指令寄存器的CX与DX地址00与02是否是在出厂时规定好的数据
• 如果打入的地址是其他数据为什么也可以选择到CX寄存器

准双向I/O口实验

I/O写操作

数据来源FUN

K10...K6=11000 其中 K10...K8=110 指总线选择ALU

K7...K6=00 即 XP=0 与 W=0 打开IO字写操作

AX取反送数据总线

K15...K11=11001

K15=1 ALU进行逻辑运算

K13...K11=001 即 S2...S0=001 进行的逻辑运算为 ¬A

IO写选通

K19...K16=0100

K19 RXW(寄存器写使能)

K18 DI(目标寄存器编址)

K17 IOW(I/O写使能)

K16 目的奇偶位

I/O读操作

1. 总线源编码 K10...K8=100 选择IOR功能
2. W=0 P=0 IO字写
3. K19...K16=1010 BX写选通并打入一条数据到BX
4. 关闭写选通，总线编码选择ALU，并使ALU输出BX的值( M=1 S2...S0=000 )

有关I/O字节读写操作

I/O口的写操作只能在当前状态为全F时写入，因为输入和输出同时只能有一个有效，或者另一种方法是I/O口高八位输出，低八位输入，相反也可行。

地址总线组成实验

程序计数器实验

操作对象：PC

目标部件定义		节拍	功能说明
E/M	IP	T3上升沿打入	T3上升沿打入
1	1	X	PC保持
1	0	↑	PC加1
0	0	↑	PC装载

实验流程

1. 打开IOR功能，IO字写
2. 打开 LDPC(K22) PC程序计数器更新位
3. 打开 E/M(K23) 当IP有效时，E/M：0=PC装载，1=PC加1
4. 置数并给一个上升沿打入
5. 总线编码 X2...X0=000 选择PC，DBUS即为PC的值

地址寄存器与堆栈寄存器实验

操作对象：AR或SP

实验流程

1. 打开IOR功能，IO字写
2. 地址寄存器：目的编码选择MAR，偶寻址
3. 堆栈寄存器：目的编码选择SP，偶寻址
4. 置数并给其一个上升沿打入

十六位数据总线实验

实验原理

字与字节体系

系统总线宽度为十六位，通过 W 来控制字长， W=0 16位字操作， W=1 8位字操作。

源奇偶的运用

在字节传递中由于总线的互通，形成“奇送偶”或“偶送奇”的八位字节总线，其使能端定义为低电平选通，逻辑表达式为：

G(偶字节)=!W(字长)#XP(源奇偶)

G(奇字节)=!XP(源奇偶)

目的奇偶的运用

在目的寻址中亦由字长控位“ W ”与目的地址的奇偶性动态定义当前目的字长，其逻辑表达式为：

!O(偶字节)=!OP(目的奇偶)

!O(奇字节)=!W(字长)#OP(目的奇偶)

数据传递规则

系统在十六位原理计算机的字节操作中运用总线互联机制，以原址的奇偶性形成“奇递偶”或“偶递奇”两者互通的八位字节总线，具体可通过 W、XP、OP 控制相应功能。

实验步骤

1. 总线编码选择 IOR ，并打开 I/O 口字写功能
2. 通过 W、XP、OP 调整为想要实现的操作。
3. 置数，并给一个时钟沿将数据写入寄存器
4. 对比置数内容与寄存器内容，得出结论

存储器读写实验

实验目的

熟悉和了解存储器组织与总线组成的数据通路。

实验原理

实验所用设备存储器组织由二片6116构成具有奇偶概念的十六位信息存储体系，该存储体系AddBus由IP指针和AR指针分时提供，E/M控位为“1”时选通IP，反之选通AR。

实验内容

数据存储器字写

1. 利用 I/O 端口可输入数据。
2. 打开存储器写时可将数据写入存储器 EM 中。

数据段读操作

1. 利用 I/O 端口为 AR 写入地址。
2. 从存储器读数据到总线 (RAM -> 总线)

指令总线运用实验

实现目的

• 熟悉和了解指令总线的数据通路与构成途径
• 掌握指令部件的“取指”规则及地址段运用技巧

实验原理

在取指操作中指令信息由主存流向指令寄存器 IR 和指令译码器 ID ，若取操作数亦可经三态门流向数据总线，指令总线(IBUS)也是主存及 IR 与数据总线之间的互递通路，在主存读写周期与数据总线双向交换信息，在通用寄存器或内存寻址操作中透过数据总线单向传递地址信息。

实验项目

• 指令寄存器IR

• 指令编译器ID

• 操作码定长控制

  IR	Idz	操作码长度	操作码位置	说明
  0	1	8位（字节）	IR7~IR0	通用编码
  0	0	4位（半字节）	IR7~IR4	定长编码

• 指令寄存器操作方法

  • 取指操作

  IR	MWR	T2	T4	功能说明
  0	1	↑	-	打操作码
  0	1	-	↑	打操作数
  0	0	-	↑	DBUS→IR

  • 写操作

  IR	MWR	OP	W	功能说明
  0	0	0	0	IR字写
  0	0	0	1	IRL偶字节读
  0	0	1	X	IRH奇字节读

微控制实验

实验目的

• 熟悉微控制器的控制原理
• 掌握微控制器的实现方法

微程序控制器

微程序控制器组成结构

1. 控制存储器 CM
2. 微程序计数器 μPC

微程序执行过程

1. 启动取指微指令或微程序，根据程序计数器PC所提供的指令地址，从EM主存中取出所要执行的机器指令，送入指令寄存器IR、指令译码器ID中，并且完成PC+1，指向机器指令的下址单元。
2. 根据ID译码器中的指令码，把微地址形成电路产生的机器指令起始微地址打入μPC。
3. 从μPC所指定的CM控制存储器单元分时输出微操作控制字段与下续微地址控制字段。
4. 微指令的操作控制字段经译码或直接产生一组微指令，控制有关功能部件完成微程序所规定的微操作。
5. 微指令的下址段及当前PSW、INQ等标志送往微地址形成电路，产生下条微指令的地址，进入读取与执行下条微指令。如此循环，直到一条机器指令的微程序全部执行完毕。

微指令格式及编码

本系统采用字段直接编码法，把微指令操作控制字段划分为若干个子字段，每个子字段的所有微命令进行统一编码。

控制器特约定义

零微址单元格式

下址段	微指令控制段
FF FF	FF FF FF

总结

平时我们所能见到的都是计算机的外部结构，而在计算机组成原理的学习中，让我们逐步对计算机的内部结构有了一些了解，课本上的内容始终都停留在理论部分，而在这几次的实验课程中，我们动手研究去验证书上的内容，同时也对运算器、存储器、控制器以及I/O端口等各个系统内部结构有了很深的了解。

虽然照着实验指导书上可以完成相关的操作，并且根据前面的内容与注释可以看懂当前操作的目的，但是在整个设备中还有好多好多没有接触到的部分，现在只是学到了局部的一些概念，想要哪天去完成一件完整的有意义的设计还需要很长时间去学习！