計算機(jī)組成原理實驗裝置 

 一、系統(tǒng)簡介

   計算機(jī)組成原理實驗儀是一款八位、十六位兼容設(shè)計的計算機(jī)組成原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗儀，系統(tǒng)由八位機(jī)主板和十六位機(jī)擴(kuò)展實驗板組成，主板以八位機(jī)模式，用TTL74系列器件加多片在線可編程CPLD構(gòu)建模型機(jī)部件，大大提高了實驗系統(tǒng)可靠性和二次開發(fā)的靈活性,讓學(xué)生以可視方式觀察CPU內(nèi)各部件工作過程和模型機(jī)的實現(xiàn)。擴(kuò)展實驗板以十六位機(jī)模式，用12萬門EP1C6芯片構(gòu)建模型機(jī)所有部件，并配置64K×16位存儲器，通過VHDL語言編程，可設(shè)計16位機(jī)的部件和模型機(jī)，學(xué)生將設(shè)計好的電路下載到FPGA芯片上，實現(xiàn)16位機(jī)的部件和模型機(jī)功能；也可完成其它設(shè)計性實驗和課程設(shè)計實驗。在對八位機(jī)了解的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生對十六位計算機(jī)組成原理有更深刻的理解，實現(xiàn)質(zhì)的飛躍，為FPGA設(shè)計CPU打下堅實基礎(chǔ)。滿足不同層次的教學(xué)的需求。系統(tǒng)軟件提供了詳盡的信息窗口、運行圖表和多類幫助信息,使教學(xué)的過程輕松自如。 

二、系統(tǒng)特點

（1）先進(jìn)的硬件設(shè)計，充分展示計算機(jī)結(jié)構(gòu)模型，每個模塊均有數(shù)碼管實時監(jiān)視，模塊間線條明快，數(shù)據(jù)/指令流向一目了然。

（2）完善的硬件配置，實驗電路以分立器件為主，同時配備CPLD，支持部分模塊的重構(gòu)。

（3）開放的軟硬件設(shè)計，支持用戶新建指令/微指令的系統(tǒng)設(shè)計。

（4）控制器的有機(jī)結(jié)合，只需撥動選擇開關(guān)，就可實現(xiàn)微程序或組合邏輯控制的切換。

（5）提供多種工作方式，支持手動、脫機(jī)、聯(lián)機(jī)。

（6）提供三總線接口和鎖緊插座，支持I/O擴(kuò)展。

（7）提供多種指令系統(tǒng)，支持基本模型機(jī)、指令流水線、RISC模型機(jī)實驗。

（8）強(qiáng)大的指令功能，支持多種尋址方式和中斷、子程序調(diào)用等。

（9）豐富的調(diào)試手段，具有單步、微單步、運行、暫停等功能。

（10）提供聯(lián)機(jī)調(diào)試軟件，自帶編譯器、支持匯編語言源程序調(diào)試，圖形化動態(tài)顯示計算機(jī)結(jié)構(gòu)模型的數(shù)據(jù)/指令流向,操作歷史記錄狀態(tài)顯示，方便用戶查找歷史記錄。

（11）提供30路邏輯分析波形圖（示波器）,可讓學(xué)生在實驗時實時地觀測到指令與時序的關(guān)系，可有效的提高教學(xué)效果。

（12）實驗儀提供LCD液晶顯示，通過實驗儀或PC機(jī)鍵盤,在線動態(tài)修改寄存器、程序/微程序計數(shù)器、程序/微程序存貯器的內(nèi)容。

（13）系統(tǒng)可選配十六位擴(kuò)展卡，可做十六位的組成原理實驗。該十六位擴(kuò)展卡提供示例程序。數(shù)據(jù)和地址均為十六位，是真正的16位機(jī)。十六位機(jī)特點：

1、AT89S52單片機(jī)，主要用于接收PC機(jī)命令，完成16位程序存儲器讀寫，管理模型機(jī)運行、暫停等功能。

    2、ISPLSI1032E是邏輯控制芯片，負(fù)責(zé)單片機(jī)和模型機(jī)總線切換。

3、EP1C6是模型機(jī)主控芯片，相應(yīng)管腳已連好，IDC2是EP1C6芯片的下載接口，再配合FPGA實驗板的PC機(jī)調(diào)試軟件，可方便地進(jìn)行各種實驗。

    4、IDT71V016是64K×16位存儲器，是模型機(jī)的程序存儲器，能保存大容量程序。

    5、四位8段數(shù)碼管，用于顯示模型機(jī)內(nèi)部寄存器、總線的值，在設(shè)計時可將需要觀察的內(nèi)部寄存器、總線值送A，再通過OUT指令送到數(shù)碼管顯示。兩只GAL16V8是四位數(shù)碼管16進(jìn)制譯碼。

    6、L7～L0是8個發(fā)光二極管，用于顯示模型機(jī)內(nèi)部狀態(tài)，例如：進(jìn)位標(biāo)志、零標(biāo)志、中斷申請標(biāo)志等。

    7、K0（7…0）～K4（7…0）是40個開關(guān)，用于輸入外部信號，例如，在做單步實驗時，這些開關(guān)可用來輸入地址總線值、數(shù)據(jù)總線值、控制信號等。

    8、 EP1C6 右方的EX1座表示38 個擴(kuò)展的IO 信號,當(dāng)實驗中需要另外的輸入輸出腳時可以使用這些擴(kuò)展腳。

9、提供FPGA實驗板和PC機(jī)調(diào)試軟件。

（14）系統(tǒng)可保存文件和調(diào)入文件，并提供PC機(jī)下載。

三、系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由實驗主板、仿真調(diào)試軟件、內(nèi)置開關(guān)電源組成。

配有USB和串口兩種通信方式，用戶可以根據(jù)需要切換開關(guān)選擇任何一種。

實驗主板有：累加器A，暫存器W，運算器ALU，直通D/左移L/右移R單元，寄存器組R0—R3，中斷向量IA，堆棧ST，程序計數(shù)器PC，地址寄存器MAR，輸入IN，輸出OUT，存貯器EM，微地址UPC，指令寄存器IR，微程序控制器uEM，組合邏輯控制單元，三總線接口，40芯鎖緊擴(kuò)展座、二進(jìn)制開關(guān)電平輸出/顯示，邏輯筆、管理單片機(jī)89S52、4×6鍵盤，字符式LCD，RS232/USB通訊接口，十六位機(jī)擴(kuò)展接口， 通信選擇開關(guān)。

四、實驗項目

（1）寄存器讀寫實驗

（2）運算器八種運算實驗

（3）數(shù)據(jù)輸出/移位實驗

（4）UPC實驗

實驗1：UPC加1實驗

實驗2：UPC打入實驗

（5）PC實驗

實驗1：PC加1實驗

實驗2：PC打入實驗

（6）存貯器讀寫實驗

（7）微程序讀寫實驗

（8）中斷實驗

（9）模型機(jī)綜合實驗（微程控制器）

實驗1：數(shù)據(jù)傳送/輸入/輸出實驗

實驗2：數(shù)據(jù)運算實驗（加/減法/或）

實驗3：移位/取反實驗

實驗 4：轉(zhuǎn)移實驗

實驗 5：調(diào)用實驗

實驗 6：中斷實驗

實驗 7：指令流水實驗

實驗 8：RISC模型機(jī)

(10) 組合邏輯控制器實驗

(11) 設(shè)計指令/微指令系統(tǒng).

(12) 擴(kuò)展實驗

實驗1：8255擴(kuò)展I/O口實驗

實驗 2：8253擴(kuò)展定時器實驗

注：實驗（1）…（8）為手動微代碼控制，（9）…（12）為微程序或組合邏輯控制.

* 十六位機(jī)擴(kuò)展部分實驗

（13）十六位ALU 實驗

（14）十六位寄存器實驗

（15）十六位寄存器組實驗

（16）十六位指令計數(shù)器PC 實驗

（17）中斷控制實驗

（18）十六位模型機(jī)的總體實驗