計算機組成原理與系統結構實驗儀

一、計算機組成原理與系統結構實驗儀-概述：

CPTH+計算機組成原理與系統結構實驗儀是我公司最新推出的八位機帶十六位機接口的計算機組成原理和系統結構實驗儀。CPTH+在原CPTH主板的基礎上增加十六位機接口，通過選配CPT16十六位機擴展實驗板（也稱FPGA實驗板），完成十六位機計算機組成原理實驗。

CPTH+主板以八位機模式，用TTL74系列器件+CPLD構建模型機部件，讓學生以可視方式觀察CPU內各部件工作過程和模型機的實現。CPT16_1C6實驗板以十六位機模式，用15萬門EP1C6Q240C8N FPGA芯片構建模型機所有部件，并配置64K×16位存儲器，在對八位機了解的基礎上，讓學生對十六位計算機組成原理有更深刻的理解，實現質的飛躍，為FPGA設計CPU打下基礎。

二、系統使用

CPTH+有兩種使用方式：八位機和十六位機兩種實驗方式。

（1）八位機方式：

CPTH+主板是八位機模式，只需把通信選擇開關“KT"撥向“CPTH"一側，即可構成八位計算機組成原理和系統結構的實驗系統。具體使用詳見《CPTH計算機組成原理和系統結構實驗指導書》。

（2）十六位機方式：

把選配的CPT16十六位機擴展實驗板，對應插入“CPTH+主板"上的座，然后把通信選擇開關“KT"撥向“CPT16"一側，即可構成十六位計算機組成原理的實驗系統。具體使用詳見《CPTH+_1C6 十六位機擴展實驗板使用手冊》說明。

三、八位機簡介

（一）系統特點

（1）先進的硬件設計，充分展示計算機結構模型，每個模塊均有數碼管實時監視，模塊間線條明快，數據/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。

（3）開放的軟硬件設計，支持用戶新建指令/微指令的系統設計。

（4）控制器的有機結合，只需撥動選擇開關，就可實現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、聯機、軟件模擬三種實驗方式。

（6）提供三總線接口和鎖緊插座，支持I/O擴展。

（7）提供多種指令系統，支持基本模型機、指令流水線、RISC模型機實驗。

（8）強大的指令功能，支持多種尋址方式和中斷、子程序調用等。

（9）豐富的調試手段，具有單步、微單步、運行、暫停等功能。

（10）提供聯機調試軟件，自帶編譯器、支持匯編語言源程序調試，圖形化動態顯示計算機結構模型的數據/指令流向,方便用戶觀察指令、微指令運行過程。

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

（12）實驗儀提供LCD液晶顯示，通過實驗儀或PC機鍵盤,在線動態修改寄存器、程序/微程序計數器、程序/微程序存貯器的內容。

（13）實驗儀提供串口/USB接口,聯接PC機仿真調試。

*(14)對于CPTH+的用戶，可選配我公司廠生產的CPT16十六位機擴展板，完成十六位計算機組成原理實驗，詳見《CPT16十六位機擴展板簡介》。

（15）強大的軟件模擬調試功能

“軟件模擬調試"是指無硬件的情況下,只利用計算機即可進行八位機的編輯、編譯、改錯、調試。計算機組成原理是一門實踐性很強的學科，長期以來學時的緊缺成為該科目的主要矛盾。學校即使能做到“人手一機"，也不可能讓學生把實驗設備帶出實驗室，也不可能二十四小時開放。“軟件模擬調試"為讓實驗室向學生寢室、實驗課時向業余時間延伸提供了條件，同時也確保了實驗室的有效管理，因為“軟件模擬調試"只需給學生一張光盤/U盤即可運行。這已成為很多學校采用的實驗方式。

（二）系統組成

系統由實驗主板、仿真調試軟件、內置開關電源組成。

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芯鎖緊擴展座、二進制開關電平輸出/顯示，邏輯筆、管理單片機89S52、4×6鍵盤，字符式LCD，RS232/USB通訊接口，* CPT16十六位機擴展接口，通信選擇開關。

（三）實驗項目

（1）寄存器讀寫實驗

（2）運算器八種運算實驗

（3）數據輸出/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）模型機綜合實驗（微程控制器）

實驗1：數據傳送/輸入/輸出實驗

實驗2：數據運算實驗（加/減法/或）

實驗3：移位/取反實驗

實驗 4：轉移實驗

實驗 5：調用實驗

實驗 6：中斷實驗

實驗 7：指令流水實驗

實驗 8：RISC模型機

(10) 組合邏輯控制器實驗

(11) 設計指令/微指令系統.

(12) 擴展實驗

實驗1：8255擴展I/O口實驗

實驗 2：8253擴展定時器實驗

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.

四、十六位機（FPGA）簡介

（一）主要功能

    FPGA（CPT16_1C6）實驗板主要是基于EDA設計的計算機組成原理的實驗板，它的核心器件是Altera公司的Cyclone 系列15萬門EP1C6Q240C8N的FPGA芯片。用該FPGA實驗板，通過VHDL語言編程，可設計16位機的部件和模型機，學生將設計好的電路下載到FPGA芯片上，實現16位機的部件和模型機功能；也可完成其它設計性實驗和課程設計實驗。

（二）硬件組成

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

  （2）ispLSI 1032E是邏輯控制芯片，負責單片機和模型機總線切換。

  （3）EP1C6是模型機主控芯片，相應管腳已連好，JTAG (By.II)是EP1C6芯片的標配下載接口，再配合FPGA實驗板的PC機調試軟件，可方便地進行各種實驗。

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

  （5）六位8段數碼管，用于顯示模型機內部寄存器、總線的值，在設計時可將需要觀察的內部寄存器、總線值送A，再通過OUT指令送到數碼管顯示。三只GAL16V8是六位數碼管16進制譯碼器。

  （6）L7～L0是8個發光二極管，用于顯示模型機內部狀態，例如：進位標志、零標志、中斷申請標志等。

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

   (8) EP1C6 右方的EX1座表示46 個擴展的IO 信號,當實驗中需要另外的輸入輸出腳時可以使用這些擴展腳。

（三）實驗項目

（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）十六位指令計數器PC 實驗

（17）中斷控制實驗

（18）十六位模型機的總體實驗