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EL-JY-II计算机组成原理实验系统(16位)实验指导书 第二版
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更新于2023-03-16
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本文档位EL-JY-II计算机组成原理实验系统配套文档,方便在校学生和工程技术人员参考学习
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目 录
第一部分 EL-JY-II 计算机组成原理实验系统介绍…………………… 1
第二部分 使用说明及要求 ……………………………………………… 12
实验一 运算器实验 ..………………………………………………… 16
实验二 移位运算实验 ….…………………………………………… 25
实验三 存储器读写和总线控制实验…………………………………… 29
实验四 微程序控制器原理实验 ……………………………… 38
实验五 微程序设计实验... ……………………………………………… 46
实验六、 简单模型机组成原理实验 ……………………… 55
实验七、 带移位运算的模型机组成原理实验 ………………… 66
实验八、 复杂模型机组成原理实验 ………………………… 77
实验九、 复杂模型机的 I/O 实验 ……………………………………… 91
实验十、 具有简单中断处理功能的模型机实验………………………… 101
实验十一、基于重叠和流水线技术的 CPU 结构实验………………… 111
实验十二、RISC 模型机实验…………………………….………… 120
实验十三、 存储器扩展实验…………………………….………………….. 127
实验十四、可重构原理计算机组成实验………………………………… 132
附录、实验用机器指令集……………………………………………………….136
计算机组成原理实验指导书 - 1 -
第一部分 EL-JY-Ⅱ计算机组成原理实验系统介绍
EL-JY-Ⅱ型计算机组成原理实验系统是为计算机组成原理课的教学实验而研制的,
涵盖了目前流行教材的主要内容,能完成主要的基本部件实验和整机实验,可供大学本
科、专科、成人高校以及各类中等专业学校学习《计算机组成原理》、《微机原理》和《计
算机组成和结构》等课程提供基本的实验条件,同时也可供计算机其它课程的教学和培
训使用。
一、基本特点:
1、 本系统采用了新颖开放的电路结构:
(1)、在系统的总体构造形式上,采用“基板+ CPU 板”的形式,将系统的公共部
分,如数据的输入、输出、显示单片机控制及与 PC 机通讯等电路放置在基板上,
它兼容 8 位机和 16 位机,将微程序控制器、运算器、各种寄存器、译码器等电路
放在 CPU 板上,而 CPU 板分为两种:8 位和 16 位,它们都与基板兼容,同一套系
统通过更换不同的 CPU 板即可完成 8 位机或 16 位机的实验,用户可根据需要分别
选用 8 位的 CPU 板来构成 8 位计算机实验系统或选用 16 位的 CPU 板来构成 16 位
计算机实验系统;也可同时选用 8 位和 16 位的 CPU 板,这样就可用比一套略多的
费用而拥有两套计算机实验系统,且使用时仅需更换 CPU 板,而不需做任何其它
的变动或连接,使用十分方便。
(2)、本系统提供有面包板和 CPLD 实验板(可选),学生能自己设计实验内容,
达到开拓思维,提高创新和设计能力的目的。
2、 本系统上安装有 63 个拨动开关、4 个按钮开关和 65 个发光二极管,既可在单片
机的控制下进行编程和显示,完成实验,也可与 PC 机联机使用,可在 PC 机上进
行编程、传送、装载程序、调试和运行等操作;还可以手动的方式完成全部的实验,
并具备单步执行一条微指令、单步执行一条机器指令、连续运行程序、联机打印等
功能,几种操作方式可按需要任意选择一种使用,切换方便。
3、 控制器采用微程序方案,支持动态微程序设计,微程序指令的格式及定义均可
由用户自行设计并装入由 EEPROM 构成的控存中。
4、 在显示功能上,采用了红、黄、绿三种颜色的指示灯以及数码管多种形式的显
示方法,使整个系统更加美观大方。
二、系统组成:
本系统由两大部分组成:
计算机组成原理实验指导书 - 2 -
1、基板:
本部分是 8 位机和 16 位机的公共部分,包括以下几个部分:
1)数据输入和输出电路
2)显示及监控电路
3)脉冲源及时序电路
4)数据和地址总线
5)8255 扩展实验电路
6)单片机控制电路和键盘操作部分
7)与 PC 机通讯的接口电路
8)主存储器电路
9)微代码输入及显示电路
10)电源电路
11)CPLD 实验板(选件)
12)自由实验区(面包板)
2.CPU 板:
本 CPU 板为 16 位机,其数据总线为 16 位,地址总线为 8 位,包括以下几个部分:
1) 运算器电路
2)微程序控制器电路
3) 寄存器堆电路
4) 程序计数器电路
5) 指令寄存器电路
6) 指令译码电路
7) 地址寄存器电路
8) 数据和控制总线电路
其中,运算器电路中的累加器电路由 74LS181 及其外围电路组成,此外所有的
其它电路都由 ALTERA 公司的 FPGA— EP1K10 实现。板上的 JTAG 口、芯片
EPC2LC20、跳 线 J1—J6 用于配置 EP1K10
。当 跳线 J1—J6 均跳至 EPC2 OFF 时 ,可
通过 JTAG 口直接配置 EP1K10,但断电后需重新配置。当跳线 J1—J6 均跳至 EPC2
ON 时,通过 EPC2LC20 来配置 EP1K10。系统出厂时,已将配置文件烧录进
EPC2LC20。由于 EPC2LC20 为非易失性器件,故每次上电时可自动配置 EP1K10,
无需重新烧录。
计算机组成原理实验指导书 - 3 -
三、16 位 CPU 板原理说明
(1) 运算器电路
运算器电路包括累加器电路和移位寄存器电路。其中累加器电路由 4 片 74LS273 和
4 片 74LS181 组成,其原理如下:
其控制逻辑由 EP1K10 内部产生,其原理如下:
累加器电路的外部接口有:LDR1、LDR2、ALU_G、AR、S3—S0 M CN,其功能见
计算机组成原理实验指导书 - 4 -
实验一。CY 为进位单元,对应于 CY 指示灯。
移位寄存器由 EP1K10 实现,其框图如下:
T4 为移位时钟,M、S0、S1 为功能选择(见实验二),G_299 为输出控制,低电平
时将寄存器的值送上数据总线。CY 为进位单元,对应于 Z 指示灯。DATAL、DATAH
接至数据总线。
(2)微程序控制电路
微程序控制电路电路中,由三片 2816 作为 24 位微程序存储器,EP1K10 产生控制
逻辑。开关 K1、K2、K3 的不同组合控制微程序的读、写和运行,六个黄色 LED 为微
地址指示灯。微控器原理如下图(除 2816、74LS245 和 74LS374 外,其余芯片功能均
由 EP1K10 实现。不详之处请查阅 EP1K10 的源程序)。以微程序的运行为例:在 T2
时刻,将 MS24—MS1 的 24 位微程序打入微指令寄存器,然后由译码电路对 MS24—
MS7 进行译码,产生地址寄存器、指令寄存器等等电路的控制信号。MS6—MS1 指示
下一个微地址,在 T3 时刻,由机器指令译码器产生的强制微地址信号对 MS6—MS1
微地址的某几位强行置位,形成下一个微地址输出。微控器的外部接口有:uAJ1、
LDRO1、LDRO2、ALU_GOUT、G_299OUT、AROUT、STATUS 、AO1、BO1、WEO、
WEI、LARI。在读、写微程序时,uAJ1 用于从外部输入微地址;LDRO1、LDRO2、
ALU_GOUT、G_299OUT、AROUT、STATUS 为运算器电路的控制信号,只要将它们
接至运算器电路相应的接口上(STATUS 接 S3—S1MCN)就能实现微程序对运算器的
控制。AO1、BO1 通常接至底板 I/O 控制电路的 1A1B 上,用于外部 I/O 设备的选通控
制。WEO 为微控器的读写输出,WEI 为外部读写控制电路的输入,控制总线上的
WR
为外部读写控制电路的输出,其控制电路为:
通常将 WEO 与 WEI 相连,实现微程序对外部读写的控制。LARI 为地址控制器的输
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