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1第一章TWL-PCC教学实验系统概述一．引言TWL-PCC计算机组成原理教学实验系统是专为《计算机组成原理》实验课程的开展而研发的高性能的教学实验系统。该系统结构清晰，操作方便、灵活多样，其功能部件丰富，且具有很高的开放性能（硬件和软件），结合联机操作软件，具有极佳的示教效果。本实验系统由下位机实验操作开发平台和上位机联机软件操作平台构成。上位机用来进行代码的编辑、联机通讯等，它可以监控下位机的所有控制信号，监视其运行，实时地修改下位机中的存储器中的指令及微控器中的微代码，进行动态调试，不管是部件实验还是模型机实验都具有用数据流图动态实时的表示出其总线间的数据流动、显示相关单元中的数据内容，从而将传统的实验操作变的形象直观、丰富多彩，极大的增强了学生的实验兴趣。二．系统功能特点1．两种操作方式，可相互切换，实验操作及观察更容易。系统提供两种操作方式：通过RS-232串行口与PC微机联机，可在PC机上对系统进行编程、装载、调试等操作，以动态图形界面进行实时显示，使得实验系统的任何动作都能形象直观的表达出来，从而获得极佳的教学效果，也可用于多媒体辅助教学；系统也可单独使用，通过拨动开关、LED显示灯及数码块等输入输出操作，进行编程、调试运行及显示等。两种方式可以自由切换。2．多种形式的动态图形调试界面，对系统进行全面实时监控调试。系统具有从部件实验到模型机等多种动态图形监控调试界面，在调试过程中实时显示系统中的各个部件单元中的内容、各控制信号的状态及各部件之间数据的动态传送过程等所有信息。所以本系统的所有实验项目都有各自的这种动态图形方式监控调试，增进学生的理解及提高实验效率。3．结构清晰的单元式实验电路，可根据具体要求构造出不同结构及复杂程度的原理性计算机。系统采用单元式结构电路，各个部件单元相互独立，用户可根据自己所设计的模型机结构方案，将不同的单元用排线连接起来，来构造不同结构及复杂程度的原理性计算机。4．实验系统结构规范，硬件设计合理、可靠，组件完备、简洁。实验系统旨在体现计算机基本硬件系统的组成原理，尽量简化复杂指令系统和复杂体系结构。总线结构规范清晰，系统总线由数据总线、地址总线及控制总线构成，而数据总线被分成内部数据总线和外部数据总线。硬件组件完备，单元电路包括运算器、存储器、控制器、寄存器堆、移位寄存器、程序计数器、堆栈指针、指令寄存器、指令及寄存器译码单元、中断控制器、输入输出设备、外设译码等单元，并通过将各单元之间有关的信号线在实验时加以连接，使学生便于理解掌握各单元的工作原理和整个计算机系统组成原理。25．实验系统具有极高的开放性，增强学生的综合设计能力。实验系统的微程序控制器中的微代码及微代码格式均可由用户自己定义，从而可以设计不同功能及复杂程度的指令系统，系统总线（包括数据总线、地址总线及控制总线）也都可由用户来操作连接，通过这些设计学生可以对计算机的原理及系统设计有更深入的理解和认识。6．具有中断响应、中断允许、中断禁止和中断向量的读入等中断处理控制功能。7．部件实验具有总线冲突检测功能。在做部件实验时是由手动拨动开关控制各个信号的，所以通过上位机的实时监控检测，提示实验操作中是否出现总线数据冲突，从而更有效地避免了单元电路在实验操作不当时造成的损坏。8．实验连线在线检测功能及逻辑示波器测量平台。系统联机软件具有一个标准模型机的实验连线及单元电路好坏的在线检测功能，通过PC机操作可以提示有问题的实验连线及相关单元电路。另外，系统软件还具有一个示波器功能，通过表笔测量可以在计算机屏幕上同时显示4路逻辑信号的测量波形，有助于实验中的时序及控制信号的测量分析。三．技术指标1．该实验系统机器字长8位，运算器、存储器、寄存器等组件和内部数据总线、外部数据总线、地址总线均为8位。2．控制器采用微程序控制，由4片28C16EEPROM组成，所以具有32位微代码。微地址为8位，所以控存空间为256×32位。控存中的微指令可根据指令的功能及微指令的格式自行设计。3．采用6116RAM芯片作为主存，使用低8位地址，可寻址256个字节单元，来存放用户程序和数据。4．实验系统上的时钟产生电路产生50～300HZ的时钟信号，可由可调电位器进行调节。系统的时序发生器单元根据信号源产生T1、T2、T3、T4节拍信号，以提供整个实验系统电路的时序所需。5．由二片74LS181芯片以串/并形式组成8位算术和逻辑运算器，再由74LS299及其进位控制电路组成移位运算器。3片74LS374组成3个8位的通用寄存器。6．具有中断控制功能，有中断响应、中断允许、中断禁止和中断向量的读入等中断处理控制功能。7．具有堆栈指针功能，可控制加一减一，在RAM中设置堆栈区，由堆栈指针SP指向。8．实验系统上具有微程序的编程、校验及运行功能，微地址为8位。可由32位微代码二进制开关进行编程校验。有32位微代码显示灯、8位微地址显示灯、8位总线显示灯，8位地址总线显示灯，分别独立的二进制开关组，每个开关有其状态显示灯。9．指令系统指令字长8位，操作码4位或6位。模型机可以设计多种寻址方式。10．联机软件有从部件到模型机多种动态图形界面，模型机的图形调试界面可控制实验系统单步微指令、单步机器指令、连续运行、设置断点、读写机器指令及微指令、文件的保3存及装载等功能。11．部件实验联机软件具有总线冲突报警功能。12．实验连线在线检测功能及4路逻辑信号示波器的逻辑信号测量平台。13．实验系统采用高效开关稳压电源，输出5V、最大电流2A的直流模块电源，具有短路保护、过载保护、过压保护等功能。四．主要实验项目1．运算器组成实验2．进位控制实验3．移位运算实验4．静态存储器实验5．时序发生器及启停电路实验6．总线及数据通路组成实验7．控制器实验8．基本模型机的设计与实现9．复杂模型机的设计与实现10．具有中断控制功能的模型机的设计与实验五．系统构成TWL-PCC计算机组成原理实验系统是由下位机硬件实验开发平台和上位机联机操作软件构成，实验开发平台通过RS232C串行通讯电缆和PC微机串行通讯口相连进行通讯。如图1.1所示。该系统可只由下位机硬件实验开发平台来完成所有实验及开发，也可辅助上位机联机操作软件联机实验调试，实验效果更形象直观，易于学生理解及其具有的趣味性，从而提高了学生的学习兴趣，有利于增强学生的创新意识。图1.1TWL-PCC实验系统与PC微机连接示意图串行通讯电缆的接线情况如下图1.2所示：PC微机串口串口TWL-PCC系统4PC微机TWL-PCC硬件实验开发平台图1.2串行通讯电缆连线图系统硬件结构图如图1.3所示。移位寄存器运算器指令寄存器程序计数器地址寄存器指令译码器微程序控制器时序信号产生器微控制信号输出信号源控制信号控制信号控制信号控制信号控制信号CPU主存储器输出设备接口内部数据总线外部数据总线输入设备接口输出设备输入设备数据总线地址总线控制总线堆栈指针控制信号中断控制器控制信号.....图1.3系统硬件结构图２３５串７口８１４６23５７串８口１４６5第二章TWL-PCC教学实验系统硬件基本组成一．系统电源TWL-PCC计算机组成原理教学实验系统采用高效开关电源作为系统工作和实验电源，其主要技术指标为：１．输入电压：AC90～264V@47～63HZ２．输出电压／电流：5V/2A,输出电压调整范围：±10%３．输出功率：10W４．效率：72％５．保护功能：过载保护：105%～150%，自动恢复过压保护：110%～150%输出短路保护６．工作环境温度：-10℃～50℃系统电源已置于电路板下方机箱内，电源开关在实验箱右侧边。只要用电源线连接到220V交流电源上，打开电源开关就可以给实验系统提供所需5V直流电源。当关闭电源后，不要立即重新开启，关闭到重新开启之间需要至少30秒间隔。二．实验系统单元电路构成微程序控制器单元运算器单元指令寄存器单元总线单元指令及寄存器译码单元中断控制单元寄存器堆单元程序计数器堆栈指针单元地址寄存器单元显示单元信号源单元系统总线单元输出设备单元存储器单元输入设备单元单片机管理单元开关组单元时序发生器单元转接单元外设译码单元单元..图2.1系统硬件实验开发平台组成框图6TWL-PCC计算机组成原理教学实验系统的硬件实验开发平台的基本组成框图如图2.1所示，所有电路做在一块印刷电路板上。它包括4大块部分：左边大粗体方框内的各个单元属于CPU内部部件；右边中间部分为CPU的系统总线、存储器及外设；右下“开关组单元”为系统提供独立的二进制拨动开关，用于做部件实验时手动模拟出一些控制信号；右上脚的“单片机管理单元”用来系统管理，负责和PC机的通讯、读各单元控制信号等发送往PC机等。以下详细介绍各具体的部件实验单元电路：1．运算器单元“运算器单元”位于实验线路板的左部，包括运算器、进位控制电路及移位寄存器。图2.2为运算器及进位控制电路原理图。图中虚线框内的线路在实验系统的印刷电路板上已经连好，虚线框上的标注圆圈的为该单元对外部需要连接的输入或输出线，在装置线路板上该单元可以找到相应的丝印字。以下各单元类同。运算器单元中由以下部分构成：两片74LS181以串-并型构成一个8位的ALU，两片的运算状态控制信号S3、S2、S1、S0、M并联到一起由排针引出，最低位的进位输入由CN给出，最高位的进位输出接至进位锁存器中；ALU的两个工作暂存器TR1和TR2由两片74LS273构成，作为ALU的两个参与运算的数的暂存器，它们的打入时钟由门控信号C_TR1及C_TR2分别和T4脉冲相与得到，两暂存器的8位数据输入线已经接到了“总线单元”中的内部数据总线上；ALU的输出经过一个三态门（74LS245）接至该单元的数据输出排针AJ1上，三态门的输出使能控制信号B_ALU接至排针B_ALU上；由一片GAL16V8和一个D锁存器（74LS74）组成进位及移位控制电路，锁存器中锁存的为进位标志，有一个LED发光二极管指示其状态，亮为高电平，灭为低电平，锁存器的清零端已接至“开关组单元”中的总清开关CLR上；移位寄存器电路原理图如图2.3所示，移位寄存器由一片74LS299构成，它的输出使能由B_SR控制，状态控制信号S1、S0、M和ALU的对应的状态控制信号共用，CY为进位锁存器的输出，移位寄存器是在T4时刻发生装载或移位操作，移位寄存器的数据输入/输出端引至排针AJ5上，其移位控制电路功能表如表2.1所示。表2.1移位控制电路功能表B_SRS1S0M功能000任意保持0010循环右移0011带进位循环右移0100循环左移0101带进位循环左移任意11任意装载7C_TR2T4Q7--Q4Q3--Q0TR1(273)Q7-Q4Q3-Q0TR2(273)D7----D0C_TR1S2S3S1CN+4F3--F0MCNB3-B0MA3-A0ALU(181)F3--F0ALU(181)CN+4MA3-A0B3-B0CNA7----A0B7---B0三态门（245）B_ALUD7----D0S0NOTNANDAND74LS74DQQT4CND7D0LED+5VGCPCPT4ANDORANDNOTORANDANDQA'S1QH'S0B_SRANDORNOTANDCPM+5VD7D0总线单元CYCLR开关组单元AJ1CLR..图2.2运算器原理图8D7D0G/QGB/QBC/QCD/QDE/QEF/QFH/QHA/QAANDANDORNOTORORB_SRMCYS1QA'SLSRQH'S0移位寄存器（299）OE1T4CP运算器单元S1S0AJ5CLR+5VOE2.图2.3移位寄存器原理图2．寄存器堆单元寄存器堆单元电路原理图如图2.4所示。由三个寄存器R0、R1、R2组成，分别由三个带输出使能的寄存器74LS374来实现。三个寄存器的输入已经接到了“总线单元”的内部总线上，而三片的输出共同连接至排针RJ1引出，它们输出分别由各自的输出使能信号B_R0、B_R1、B_R2控制，低电平有效。它们的打入时钟信号由各自门控信号C_R0、C_R1、C_R2和