JGXD-CPTH+ 八位、十六位計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)儀

一、系統(tǒng)簡介

CPT H+ 是計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀的優(yōu)點(diǎn),研制開發(fā)的 一款八位 、十六位 兼容設(shè)計(jì)的 計(jì)算機(jī)組成原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)儀， 系統(tǒng)由八位機(jī) 主板和 十六位機(jī)擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn) 。擴(kuò)展 實(shí)驗(yàn)板以十六位機(jī)模式，用1 2 萬門EP1 C6 芯片構(gòu)建模型機(jī)所有部件，并配置64K×16位存儲(chǔ)器， 通過VHDL語言編程，可設(shè)計(jì)16位機(jī)的部件和模型機(jī)，學(xué)生將設(shè)計(jì)好的電路下載到FPGA芯片上，實(shí)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(jì)性實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。 在對(duì)八位機(jī)了解的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生對(duì)十六位計(jì)算機(jī)組成原理有更深刻的理解，實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，為FPGA設(shè)計(jì)CPU打下 堅(jiān)實(shí) 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(yùn)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(diǎn)

（1）先進(jìn)的硬件設(shè)計(jì)，充分展示計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)模型，每個(gè)模塊均有數(shù)碼管實(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)電路以分立器件為主，同時(shí)配備CPLD，支持部分模塊的重構(gòu)。

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

（4）控制器的有機(jī)結(jié)合，只需撥動(dòng)選擇開關(guān)，就可實(shí)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(dòng)、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(shí)驗(yàn)。

（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(yùn)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(dòng)態(tài)顯示計(jì)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(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)時(shí)地觀測(cè)到指令與時(shí)序的關(guān)系，可有效的提高教學(xué)效果。

（12） 實(shí)驗(yàn)儀 提供LCD液晶顯示，通過實(shí)驗(yàn)儀或PC機(jī)鍵盤,在線動(dòng)態(tài)修改寄存器、程序/微程序計(jì)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(shí)驗(yàn)。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(diǎn)：

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(chǔ)器讀寫，管理模型機(jī)運(yùn)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(shí)驗(yàn)板的PC機(jī)調(diào)試軟件，可方便地進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)。

4、IDT71V016是64K×16位存儲(chǔ)器，是模型機(jī)的程序存儲(chǔ)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(jì)時(shí)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(gè)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(qǐng)標(biāo)志等。

7、K0（7…0）～K4（7…0）是40個(gè)開關(guān)，用于輸入外部信號(hào)，例如，在做單步實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(hào)等。

8、 EP1C6 右方的EX1座表示38 個(gè)擴(kuò)展的 IO 信號(hào),當(dāng)實(shí)驗(yàn)中需要另外的輸入輸出腳時(shí)可以使用這些擴(kuò)展腳。

9、提供FPGA實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)主板有：累加器A，暫存器W，運(yùn)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(jì)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

（1）寄存器讀寫實(shí)驗(yàn)

（2）運(yùn)算器八種運(yùn)算實(shí)驗(yàn)

（3）數(shù)據(jù)輸出/移位實(shí)驗(yàn)

（4）UPC實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)1：UPC加1實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)2：UPC打入實(shí)驗(yàn)

（5）PC實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)1：PC加1實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)2：PC打入實(shí)驗(yàn)

（6）存貯器讀寫實(shí)驗(yàn)

（7）微程序讀寫實(shí)驗(yàn)

（8）中斷實(shí)驗(yàn)

（9）模型機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)（微程控制器）

實(shí)驗(yàn)1：數(shù)據(jù)傳送/輸入/輸出實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)2：數(shù)據(jù)運(yùn)算實(shí)驗(yàn)（加/減法/或）

實(shí)驗(yàn)3：移位/取反實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn) 4：轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn) 5：調(diào)用實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn) 6：中斷實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn) 7：指令流水實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn) 8：RISC模型機(jī)

(10) 組合邏輯控制器實(shí)驗(yàn)

(11) 設(shè)計(jì)指令/微指令系統(tǒng).

(12) 擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)1：8255擴(kuò)展I/O口實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn) 2：8253擴(kuò)展定時(shí)器實(shí)驗(yàn)

注：實(shí)驗(yàn)（1）…（8）為手動(dòng)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(shí)驗(yàn)（可選配）

（13）十六位 ALU 實(shí)驗(yàn)

（14）十六位寄存器實(shí)驗(yàn)

（15）十六位寄存器組實(shí)驗(yàn)

（16）十六位指令計(jì)數(shù)器 PC 實(shí)驗(yàn)

（17）中斷控制實(shí)驗(yàn)

（18）十六位模型機(jī)的總體實(shí)驗(yàn)

 

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