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本科实验课程报告（ 至第 1 学期）课程名称： 计算机构成原理 专业名称： 计算机科学与技术 行政班级： 1410081 学 号： 姓 名： 黄梦阳 指引教师： 李玉玲 报告时间： 年 12 月 4 日实验地点08A502起止时间/10/15/12/3序号实验项目学时数实验属性内容与规定1结识实验2验证性1.熟悉实验所用教学机基本构造和联机软件用法；2.练习惯用监控命令。2存储器实验2验证性1.验证半导体存储器RAM读写特性；2.对存储器进行扩展，并理解EEPROM读写特性。3运算器实验4验证性1.进一步理解AM2901运算器功能； 2.分析各种运算指令功能和实现过程，熟悉运算器基本构造。4微程序控制器实验4验证性1.分析各种指令执行流程，进一步理解微程序控制器构成构造，理解水平型微指令各字段作用。2.通过测试扩展指令功能进一步结识微程序控制器灵活性。5查询方式实验2验证性通过查询方式程序设计进一步熟悉查询方式数据传送过程和软件实现办法。6中断方式实验2验证性通过中断方式主程序和服务子程序分析和运营，进一步理解中断方式工作原理；学习和掌握中断产生、中断响应和中断解决有关技术。计算机构成原理实验教学大纲实验一： 实验地点： 实验日期： 成绩：1、 实验目（1）熟悉硬软件环境（2）学习和理解TEC-XP教学实验系统监控命令用法（3）理解TEC-XP教学实验系统指令系统2、 实验规定使用教学机前，熟悉TEC-XP教学机各个构成某些及用法3、 实验原理（1）TEC-XP 教学机面板构造： 控制部件重要由运算部件 ALU、控制部件组合逻辑控制器和微程序解决器、存储部件ROM 和 RAM、控制存储器等芯片构成。（2）工作模式选取00010或00110 ，00010更稳定： 持续运营程序、采用微程序控制器、联机、16 位机。（3）教学机监控命令格式及含义：汇编命令 Aadr：输入单条指令，并将汇编之后机器代码存入相应内存单元中。有错误提示，但功能并不完善；反汇编命令 Uadr：从指定或默认地址开始反汇编 15 条指令，并将成果显示解决；执行程序命令 Gadr：从指定或默认地址开始持续运营一种顾客程序；单条指令执行命令Tadr，Padr：从命令指定或 PC 指定地址开始单条执行；指令显示/修改寄存器内容命令Rreg：当 R 命令不带参数时只是显示所有寄存器内容；当 R 命令带参数时显示指定寄存器内容，并可修改其值；显示存储器内容命令 Dadr：从指定或默认地址开始显示内存 128 个存储字内容；修改存储器内容命令 Eadr：从指定或默认地址开始逐字显示每个内存字内容并等待顾客键入一种新值存回该单元，用空格切换各个单元，用回车结束 E 命令执行。4、 实验环节1.完毕教学机与PC机联机操作2.练习惯用TEC-XP教学机监控命令（1）R命令R；R R0；（2）D命令显示存储内容D 200（3）E命令修改存储器内容E 3.输入给定汇编程序，单步跟踪执行A ： MVRD R0， AAAA ;MVRD 与 R0 之间有一种空格，其她同： MVRD R1， 5555： ADD R0， R1： AND R0， R1： RET ;程序最后一种语句，必要为 RET 指令： 5、 实验成果及总结（1）实验成果：用反汇编命令 U 查看存储成功，并逐渐跟踪执行得出对的成果，即R0 5555 。（2）总结：输入汇编程序可以用反汇编命令查看，此时语言为易接受语言。实验二： 实验地点： 实验日期： 成绩：1、 实验目（1）理解计算机中半导体存储器 RAM和 E2PROM 功能和区别；（2）理解并掌握半导体存储器芯片扩展和验证方式。2、 实验规定实验前先复习存储器字、位扩展办法，并熟悉所做实验内容。3、 实验原理（1）随机存储器 RAM 读写特性是：在不断电状况下， CPU 可以对该存储器任何单元进行随机读写操作，其中内容可以长期保存；但该存储器是易失性存储器，一旦断电，其中数据均被清空。本实验要在监控状态下，分别使用不同监控命令对该 RAM 存储芯片读写特性进行验证。 由于是联机测试，需要将 TEC-XP 功能开关先置为 00110。（2）扩展用 E2PROM 芯片，其读操作和 RAM 同样，而其写操作， 由于要先擦除信息再写入，因而需要一定延迟时间，大概为 1 毫秒。在对 E2PROM 进行写操作时， 应加入一段延时子程序调用，以完毕对的读写。4、 实验环节1. TEC-XP 教学机既有 RAM 存储区读写特性验证（ 1）检查 FPGA 下方插针按下列规定短接标有“ /MWR”“ RD”插针左边两个短接；标有“ /MRD”“ GND”插针右边两个短接；标有“ ROMLCS”和“ RAMLCS”插针短接。（ 2）使用 E 命令修改 RAM 中某存储单元值在命令行提示符状态下输入：E 屏幕将显示： 内存单元原值：按如下形式输入： 原值： 2222（空格）原值： 3333（空格）原值： 4444（空格）原值： 5555注意： E 命令之后地址应为 25FFH 之间某一种单元。（ 3）使用 D 命令查看所修改单元内容D 这里查看到数据，应与上一步中输入数据一致。（ 4）断电后重新启动教学机，使用 D 命令再次查看所修改单元内容D 这里发现本来置入到这几种内存单元值已经变化。因而，顾客使用 RAM 时，必要在每次断电重启后，重新写入所需要数据。（ 5）使用 A 命令输入一段指令序列A 按如下形式输入： MVRD R0， AAAA： MVRD R1， 5555： AND R0， R1： RET：这里，对 RAM 使用 A 命令写入持续指令不会出错。（ 6）单步方式执行以上指令序列，观测成果T R0 值变为 AAAAH，别的寄存器值不变。TR1 值变为 5555H，别的寄存器值不变。TR0 值变为 0000H，别的寄存器值不变。（ 7）教学机断电重启后，以上数据依然会丢失2. 扩展容量读写特性验证（ 1） 用 E 修改扩展单元内容， 并用 D 查当作果假定第 2 步中扩展连接采用是默认地址 4000H5FFFH，使用 E 命令修改该地址范畴内某几种单元，再用 D 命令查看数据修改状况。将教学机断电后重新启动，再次查看以上修改单元值，分析因素。（ 2）控制程序实验使用 E2PROM 芯片不能直接用 A 命令输入程序，单字节指令也许会写进去，双字节指令低位会出错（建议试一试例如： A 5000： mvrd r0,aaaa,该指令与否写进 5000 开始地址，需要 U 命令验证）。因而， 可以将程序放到 RAM（ 6116）中，使用程序读写扩展空间 5000H500FH 单元。从 H 单元开始输入主程序：（ ） MVRD R0， 0030MVRD R2， 0010 ； R2 记录循环次数MVRD R3， 5000 ； R3 内容为 16 位内存地址（ ） STRR R3， R0 ；将 R0 寄存器内容放到 R3 给出内存单元中CALA 2200 ；调用程序地址为 2200 延时子程序INC R0 ； R0 加 1INC R3 ； R3 加 1DEC R2 ； R2 减 1JRNZ ； R2 不为 0 跳转到 HRET（ 3）延时子程序从 2200H 单元开始输入延时子程序：（ 2200） PUSH R3MVRD R3， 0001（ 2203） DEC R3JRNZ 2203POP R3RET（ 4）运营程序，查当作果在命令提示符下输入： G ， 运营主程序。使用 D 命令查看 5000H500FH 单元中数据.5、 实验成果及总结在扩展容量读写特性验证中，第（3）步中第二行代码：由于时间设定不够，数据会写丢，因此将0001改为1000，方可保存到单元中。通过这次实验，咱们理解了存储器基本功能，掌握了数据存储过程，熟悉理解了存储器构成和控制。实验三： 实验地点： 实验日期： 成绩：1、 实验目（1）进一步理解 AM2901 运算器功能与详细用法；（2）深化运算器部件构成、设计、控制与使用等知识。2、 实验规定（1）实验前，认真理解 AM2901 运算器基本构造，预习所需实验内容，并在课前填写实验环节表格，对于实验数据和实验成果进行预期性分析，以提高实验效率；（2）实验过程中，要按对的流程操作，防止损坏设备，分析也许遇到各种现象，判断成果与否对的，记录运营成果。（3）实验之后，认真写出实验报告，涉及对遇到各种现象分析，实验环节和实验成果。3、 实验原理控制信号表：4、 实验环节（1）实验方式设立将 TEC-XP 教学机左下方 5 个功能开关设立为 1*00（单步、16 位、脱机）；先按一下“ RESET”按键，再按一下“ START”按键，进行初始化。（2）逐条指令执行，并核对成果完毕初始化后，请按顺序控制运算器执行每条指令，每条指令执行时请记录按 START前和按 START 后两个时刻状态，若与预期成果不同，请查找问题并思考因素。5、 实验成果及总结运算I8-0SSTSSHSCIBA按START前按START后ALU输出SVZCALU输出SVZCMVRD R0，010100000000000不用0101随机0101随机MVRD R1，101000000000001不用1010随机1010随机ADD R0，R10010000000000011111随机21210000SUB R0，R100100010000000101010000F0F10001SUB R1，R00010001000100000F0F00010E0E0001OR R0，R10010000000100000F0F00010F0F0001AND R0，R10010000000000010F0F00010F0F0001XOR R0，R10010000000000010000000100000001(R0R1)-R0001000000000001F0F00001E1E010012*R0-R000100000000不用F0F01001FEFE1000R0/2-R000100000000不用FDFC100070F01000运算I8-0SSTSSHSCIBA按START前按START后ALU输出SVZCALU输出SVZCMVRD R0，010100000000000不用0101随机0101随机MVRD R1，101000000000001不用1010随机1010随机MVRD R2，011000000000010不用0110随机0110随机SUB R0，R1001000100000001F0F1随机E0E11000ADD R2，R10010000001000011120100021300000SHL R100100000001不用101000000000SHL R000100000000不用F0F1000078781000ADC R0，R100100100000000198981000C8C81100SBB R0，R10010010000000017878110058570101MVRD R4，000000000100不用0000010100000101TEST RO,R40010000000001000000010100000101通过实验掌握了运算器工作原理，熟悉了算术/逻辑运算运算过程以及控制这种运算办法，理解了进位对算术与逻辑运算成果影响实验四： 实验地点： 实验日期： 成绩：1、 实验目（1）进一步理解微程序控制器功能和构成构造；（2）学习教学计算机各类指令指令格式、寻址方式及执行流程；（3）学习微程序控制器设计过程和有关技术。2、 实验规定（1）实验之前，认真准备，对于该实验基本原理、微指令格式、以及有关机器指令微程序等内容预先做好分析和设计；（2）实验过程中，应认真进行实验操作，仔细思考实验关于内容，把难点内容通过实验理解清晰，争取最佳实验效果；（3）实验之后，应认真思考，写出实验总结，涉及实验中遇到重要问题和分析、解决办法。3、 实验原理TEC-XP 教学机微指令共 48 位，由 16 位下址字段和 32 位操作控制字段形成，其格式如图 4-3 所示。（1）下址字段a) 8 位微下址用于给出下一条将要执行微指令地址。微程序顺序执行，即把已增 1 后微指令地址作为下地址b) 4 位测试控制码 CI30用于决定微程序中微指令寻址方式（顺序寻址、跳跃寻址）。本实验中只使用到0000（初始化，使微下址=0）、0010（指令功能分支，做 MAPROM 映射）、0011（条件转移，由 SCC 决定与否转移）、1110（顺序寻址，将当前微地址加 1 作为微下址）这四个命令码。c) 4 位转移条件编码 SCC30当 CI30=0011 时，由这四位编码决定转移判断测试条件，若选中条件满足，则使用微下址寻址下一条微指令，否则做顺序寻址，同 CI30=1110（2）操作控制字段a) MIQ、REQ、WE这 3 位控制信号用于对存储器或 I/O 接口进行读写操作时控制。详细定义如附录表 4-3 所示。b) I8-I6、I5-I3、I2-I0、A 口和 B 口、SST2-0： 详细定义参照实验二。c) SSH、SCI1-0： 本实验中控制方式如附录表 4-3 所示。d) DC1用于选取把哪一组数据发送到 CPU 内部总线（ IB）上。 在微指令执行过程中，若不使用内部总线，则普通将其设立为 000，可以为是无效状态。e) DC2用于控制数据接受及有关内部功能。4、 实验环节（1）设定工作方式接通 TEC-XP 教学机电源，将功能开关拨为 11010，即设为单步、手动执行指令，使用微程序控制器，联机操作。（2）验证 A 组基本指令加法指令 ADD R0,R1 微程序依照如下所示 ADD 指令格式，可得到指令 ADD R0 ，R1 机器代码为 0001，其中高 8 位为 ADD 指令操作码（详见代码表 4-1），接下来两个 4 位分别相应 R0 和 R1 寄存器。先按下 RESET 按键，复位系统，然后通过 16 位数据开关 SW 拨入指令代码，再按下 RESET 按键，此时批示灯 Microp 亮，其他灯全灭。注意：在本实验中， 选取是微程序控制器， Microp 批示灯会始终点亮。在完毕以上设立后，接下来每次按下 START 按键，控制器就会执行一条微指令，请在实验前看懂如下微指令， 在实验中验证每条微指令，并记录每条微指令执行时微地址、微下址批示灯状态。（3）验证 B 组基本指令传送指令 MVRD R0,D 微程序指令 MVRD 是将及时数传送到指定寄存器数据传送类指令，该指令是双字长双操作数指令。其指令格式如下所示，则指令 MVRD R0 ，D 机器代码高 16 位为 0000，其中高 8 位为 MVRD 指令操作码（详见代码表 4-1），接下来 4 位相应目寄存器 R0。本次实验中，只是验证指令微程序，至于该指令所传送数据 D 可采用存储单元中随机值。先按下 RESET 按键，复位系统，然后通过 16 位数据开关 SW 拨入指令代码，再按下 RESET 按键，此时批示灯 Microp 亮，其他灯全灭。在完毕以上设立后，接下来每次按下 START 按键，控制器就会执行一条微指令，请在实验前看懂如下微指令， 在实验中验证每条微指令。5、 实验成果及总结表4-6 加法指令ADD R0 ，R1微程序表4-6 传送指令MVRD R0 ，D微程序微程序控制器构成中核心成分是控制存储器(CM)，由ROM器件实现，用于存储按一定规则组织好所有控制信号。微程序控制器工作原理：是根据读来机器指令操作码找到与之相应一段微程序入口地址，并按由指令详细功能所拟定顺序，逐条从控制存储器中读出微指令，以“驱动”计算机各功能部件对的运营。微程序控制基本思想，就是仿照普通解题程序办法，把操作控制信号编成所谓“微指令”，存储到一种只读存储器里当机器运营时，一条又一条地读出这些微指令，从而产生全机所需要各种操作控制信号，使相应部件执行所规定操作。微程序控制器同组合逻辑控制器相比较,具备规整性,灵活性,可维护性等一系列长处,因而在计算机设计中逐渐取代了初期采用组合逻辑控制器,并已被广泛地应用.在计算机系统中,微程序设计技术是运用软件办法来设计硬件一门技术 。实验五： 实验地点： 实验日期： 成绩：1、 实验目（1） 熟悉和理解查询方式数据传送过程；（2） 学习 TEC-XP 教学实验系统汇编程序设计办法。2、 实验规定使用教学机前，熟悉查询方式数据传送原理和 TEC-XP 教学机指令系统。3、 实验原理本次实验是将 PC 键盘和显示屏作为 TEC-XP 教学机外设，采用程序查询方式进行数据输入输出操作。（1）TEC-XP 教学机串口状态寄存器：TEC-XP 教学机是通过串口（ 可编程串行接口 8251A）与 PC 连接，在联机操作中，PC 机对教学机访问是通过对其数据端口和控制状态端口来完毕。 TEC-XP 教学机COM1 口（左侧） 数据端口地址为 80H， 控制与状态口地址为 81H； COM2（右侧） 数据端口地址为 82H，控制与状态口地址为 83H。TEC-XP 教学机状态字格式如下所示。其中， TxRDY 为发送就绪位（ 1就绪； 0未就绪）， RxRDY 为接受就绪位（ 1就绪； 0未就绪）。注意： 当教学机与 PC 要传送数据时，必要先查询相应收发状态位。（2）程序查询方式数据传送程序查询方式数据传送基本过程是： CPU 传送数据之前先检查外设状态，若没有准备好，则继续查询等待，直至外设就绪即进行数据传送。在 TEC-XP 教学机上， 所要查询是与 PC 连接 TEC-XP 串口状态字。由于本实验室中 TEC-XP 教学机所用都是串口 1，则其状态端口地址均为 81。a.TEC-XP 教学机接受输入数据时当 TEC-XP 教学机需要从键盘上接受输入数据时，需要检测所读状态字次低位 RXRDY状态。由于读入数据前提是键盘按键被按下， 因此执行 IN 80 指令（从串口 1 数据端口中读取数据） 时， 必要确认输入数据已到达接口中。因而， IN 80 指令总是需要查询等待至 RXRDY 状态位就绪才可执行。 b.TEC-XP 教学机输出显示数据时当 TEC-XP 教学机需要向显示屏上输出显示数据时，需要检测所读状态字最低位TXRDY 状态。若单个数据输出时，可直接使用 OUT 80 指令，从串口 1 数据端口中输出数据，因而，可不必进行状态检测。但若要持续输出各种数据时， 为保证每一种数据输出都能被显示屏接受到，则必要要查询等待TXRDY 状态位就绪才可执行 OUT 80 指令，以免后一种数据将前一种还没来得及输出数据覆盖，而导致数据丢失。4、 实验环节（1）完毕 TEC-XP 教学机与 PC 机联机操作汇编实验中程序执行控制由组合逻辑控制器实现， 因而，功能开关状态设定为 00110。（2）输入给定汇编程序， 持续执行，并观测成果如下程序段完毕功能为：采用程序查询方式，从 PC 机键盘接受一种字符至 TEC-XP教学机，并将接受到字符输出显示至 PC 机屏幕上。： IN 81 ;从串行接口状态端口读入状态字，保存于 R0 低 8 位： SHR R0： SHR R0 ;将状态字次低位 RXRDY 移出至标志位 C 上： JRNC ;若接受未就绪，即 C=0，则跳转（查询等待）： IN 80 ;若接受就需，即 C=1，则读入输入字符至 R0 低 8 位： OUT 80 ;将读入字符输出至 PC 机屏幕显示： RET ： （3）试将以上程序段中 OUT 80 指令删除，持续执行程序，观测与之前成果区别。（4）试编写完毕如下功能汇编程序，并在 TEC-XP 上运营成功。设计一种循环程序，将内存 2080H 起始 10 个字符依次显示到屏幕上，并将其转化为小写字母再写回原存储区域。规定：使用子程序完毕大小写字母转换。5、 实验成果及总结实验六： 实验地点： 实验日期： 成绩：1、 实验目（1） 加深理解计算机系统中断工作原理及解决过程。（2） 学习和掌握中断产生、中断响应、中断解决等技术。2、 实验规定（1）实验前做好预习，理解 TEC-XP 教学机中断实现原理；（2）熟悉 TEC-XP 教学机指令系统，可以编写完毕中断功能汇编程序。3、 实验原理TEC-XP 教学机中提供应用外部中断源有三个，由教学机面板右下角三个无锁按键作为其硬件中断源， 从右到左依次简称为 P1、P2、P3 中断源。 TEC-XP 在响应这三个中断源中断祈求时，采用是向量地址转移法，即中断源祈求可通过硬件电路产生一种向量地址，在该地址中存储一条转移指令，执行该指令即可转入相应中断服务程序。P1、P2、P3 中断向量地址由 TEC-XP 内部构造拟定，分别为 2420H、2430H 和 2440H，顾客中断使用时，应在相应地址中写入转移指令，从而转向顾客自定义中断服务程序。4、 实验环节（1）该显示子程序保存于 2200H 单元，代码如下：2200：PUSH R0 ； 保护待显示字符所在寄存器 R02201：IN 81 ；查询接口状态，判断字符输出与否完毕2202：SHR R02203：JRNC 2201 ；未完毕， 则循环等待2204：POP R0 ； 显示完毕，则恢复寄存器， R0 出栈2205：OUT 80 ；输出 R0 值2206：RET（2）P1 中断服务程序段入口为 2420H，代码如下：2450：*EI ；开中断（指令编码： 6E00）2451：MVRD R0 ，42 ；将字符“ B”赋值给 R0， B 即 Begin 缩写。2453：CALA 2200 ；调用子程序，完毕显示2455：MVRD R0 ，49 ；将字符“ I”赋值给 R0， Interrupt 缩写。2457：CALA 2200 ；调用子程序，完毕显示2459：MVRR R0 ，R3 ；将要显示字符R3 内容送 R0245A：CALA 2200 ；调用子程序，完毕显示245C：IN 81 ；判键盘上与否按了一种键245D：SHR R0 ；即串口与否有输入字符245E：SHR R0245F：JRNC 245C ；若没有，等待2460：IN 80 ；输入字符到 R0，实际读入该字符没有用处2461：MVRD R0 ，0045 ；将字符“ E”赋值给 R0， E 即 End 缩写。2463：CALA 2200 ；调用子程序，完毕显示2465：MVRD R0 ，0049 ；将字符“ I”赋值给 R0， Interrupt 缩写。2467：CALA 2200 ；调用子程序，完毕显示2469：MVRR R0 ，R3 ；将 R3 内容送 R0246A：CALA 2200 ；调用子程序，完毕显示246C：POP R3 ； R3 出栈246D：POP R0 ； R0 出栈246E：*IRET ；中断返回（指令编码： EF00）（3）2404：JR 2420 ；跳转到一级中断服务程序2408：JR 2430 ；跳转到二级中断服务程序240C：JR 2440 ；跳转到三级中断服务程序（4）：*EI：MVRD R0 ，0036 ； 将字符 6 ASCII 码送寄存器 R0：CALA 2200 ；输出该字符：MVRD R0 ，4000 ；延时子程序：DEC R0：JRNZ ：JR ；跳到 循环执行该程序200A：RET（5）在监控状态命令行，使用 G 命令执行主程序，详细命令如下：G 1）无中断祈求在没有任何中断祈求时，主程序运营成果是：在屏幕上持续显示字符“ 6”。2）单级中断主程序运营过程中，按下 P1 按键，则进入 P1 中断服务程序，屏幕上会中断字符“ 6”显示，显示字符串“ BI1”，然后等待按键，屏幕上状态无变化。键入任一按键，屏幕上显示字符串“ EI1”，返回中断，继续执行主程序，循环显示字符“ 6”。再次提交 P2、P3 中断祈求，查当作果。3）中断嵌套主程序运营过程中，按下 P1 按键，则进入 P1 中断服务程序，屏幕上会中断字符“ 6”显示，显示字符串“ BI1”，然后等待按键，屏幕上状态无变化。此时，按下 P2 按键，则中断 P1 服务程序，执行 P2 中断服务程序，屏幕上显示字符串“ BI2”，等待按键。再按下 P3 按键，再次发生中断嵌套，屏幕上显示字符串“ BI3”，等待按键。（6）尝试修改主程序和中断服务程序代码，主程序等待中断时循环显示字符“ M”，各级中断服务程序只循环显示 16 个字符“ 1、2、3”即产生中断返回。2450：*EI ；开中断（指令编码： 6E00） 2451：MVRD R2 ，10 ； 2453：MVRR R0 ，R3 ； 2454：CALA 2200 ； 2456：IN 81 ； 2457：SHR R0； 2458：SHR R0； 2459：JRNC 2456； 245D：DEC R2 ； 245E：JRNZ 2453； 245F：POP R3 ； 2460：POP R0 ； 2461： *IRET；（指令编码： EF00）5、 实验成果及总结指引教师评语 指引教师(签字)： 年 月 日实验成绩先进良好中档及格不及格（注：学生成绩要有汇总表）