主頁 > 技術(shù)文章 > 計算機組成原理實驗臺研制及性能 2017-04-04

計算機組成原理實驗臺研制及性能

概述：該設(shè)備是有機綜合體，一機多用，節(jié)省資源，效益顯著。具有很強的開放性能、擴展性能；實驗臺外形規(guī)格：160×75×78cm。二者組合在一個實驗臺上，提高了規(guī)劃化程度，管理水平，資源共享，節(jié)省資金，節(jié)省實驗室，減少管理人員，是學(xué)校上規(guī)模、上檔次的理想選擇。
▲ 計算機組成原理部分：
硬軟件配置相對完整、可支持8位或16位字長、可以選用組合邏輯控制器或微程序控制方案、文字與圖紙資料相對齊全、主要用于“計算機組成原理”課程的教學(xué)與實驗的計算機系統(tǒng)。
該系統(tǒng)是一臺硬件組成相對完備的計算機系統(tǒng)，CPU、主存、I/O接口及總線等有一定的典型性，并能驅(qū)動最常用的計算機輸入/輸出設(shè)備，用戶可把該機的組成與設(shè)計，作為計算機組成原理課程授課的實例內(nèi)容，理論聯(lián)系實際，保證課程各主要章節(jié)教學(xué)內(nèi)容的理論深度和較高的實用性。
該系統(tǒng)提供計算機組成原理課所要求的教學(xué)實驗功能，實驗手段實用先進，學(xué)生可深入到計算機CPU內(nèi)部，查看、測試各主要信號與部件工作狀態(tài)，修改已實現(xiàn)的設(shè)計，增加自己新的設(shè)計，達到“親口嘗梨”的效果，并充許學(xué)生從頭完成另一套全新設(shè)計。能有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計與動手實踐的基本技能，增強學(xué)生的創(chuàng)新意識。
該系統(tǒng)有很高的易學(xué)易用性。這主要體現(xiàn)在以下諸方面：
該系統(tǒng)中的硬軟件組成是最小配置，體現(xiàn)的是計算機硬件系統(tǒng)組成的基本原理和基礎(chǔ)知識，不過多地涉及系統(tǒng)性能完善及合理性等問題。這包括小巧的指令系統(tǒng)，最小的監(jiān)控程序，簡單的控制設(shè)計，小的主存和簡單的輸入/輸出接口等。
該系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計成全暴露方式。全部線路做在一、二塊印制電路板上，以互不遮蓋方式插接在一起；全部線路芯片以芯片插座與線路板連接；邏輯線路按功能部件劃分在印制板的不同區(qū)域；主板上安裝有一定數(shù)量的開關(guān)、按鍵與指示燈；線路板上布有適當(dāng)?shù)牧繙y孔，一定數(shù)量的跳線夾，用以人為設(shè)置機器故障可變更設(shè)計。
該系統(tǒng)提供適當(dāng)?shù)能浖С峙c常規(guī)輸入/輸出外設(shè)接入支持，它即是學(xué)習(xí)計算機組成原理知識的必備部分，也提供了完成多項教學(xué)實驗的最先進的實驗手段。配備適當(dāng)?shù)能浖到y(tǒng)是我們突出強調(diào)的重要目標(biāo)之一。
該系統(tǒng)提供最齊全的設(shè)計、實現(xiàn)、操作使用的資料。這是保證教師與學(xué)生在教學(xué)過程中用好、學(xué)好有關(guān)知識的重要條件。包括全部圖紙、器件清單、印制板上的器件布局、可編程器件的邏輯內(nèi)容，指令格式與功能，微指令格式及微程序清單，組合邏輯的指令執(zhí)行流程表化簡后的全部程序、交叉匯編程序源程序清單。
▲ 微機接口及應(yīng)用部分：
通用微機接口實驗系統(tǒng)適用于86系列微機原理課程，綜合了各學(xué)校講課及實驗老師的意見，增添了系統(tǒng)的開放能力和靈活性。為提高學(xué)生獨立思維和動手能力，對計算機硬件要求較高的專業(yè)，提供了開放的實驗平臺并新增加了微機控制實驗，使這門課程的實驗更加深入完整。為適合基礎(chǔ)教學(xué)的需要，增添了數(shù)字電路的實驗線路，可進行TTL集成電路的實驗。這一嶄新的系統(tǒng)實現(xiàn)了專業(yè)基礎(chǔ)課（數(shù)字電路）、專業(yè)課（微機原理）、課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計（微機應(yīng)用）的三合一，真正做到了一機多用。
本系統(tǒng)如與微機結(jié)合，充分利用了微機自身的軟件、硬件的強大功能和豐富資源，學(xué)生在實驗時可通過微機鍵盤直接輸入?yún)R編語言程序（8088或8086）或C語言等其他高級語言程序，并可隨意調(diào)試更改，控制程序運行。實驗電路的連接，采用了國家專利獲獎產(chǎn)品“自鎖緊”插座及導(dǎo)線，使接線更方便、接觸更可靠、使用更耐久。
配合本系統(tǒng)，我們特為教師提供了教師實驗指導(dǎo)書，書中對上述二十多個實驗都寫有實驗?zāi)康�，實驗電路以及匯編語言和C語言的參考程序清單（提供程序軟盤），供教師參考，減輕了教師備課和輔導(dǎo)實驗的工作量。此外還提供參考教材和學(xué)生用實驗指導(dǎo)書。
二、計算機組成原理.微機接口及應(yīng)用綜合實驗臺技術(shù)指標(biāo)與配置：
▲ 計算機組成原理單元
1、機器字長8位或16位，即運算器、主存、數(shù)據(jù)總線均可以是8位或16位，但地址總線都是16位。
2、指令系統(tǒng)，基本指令系統(tǒng)分為8位或16位兩種，支持多種基本尋址方式。其中一部分指令已實現(xiàn)，用于設(shè)計監(jiān)控程序和用戶的常規(guī)匯編程序，尚保留多條指令供實驗者自己實現(xiàn)。請注意，由8位字長和16位字長分別構(gòu)成的是兩套完全不同的指令系統(tǒng)，甚至于都很難考慮它們之間的兼容性，故由8位字長或16位字長組成的是兩種完全不同的計算機系統(tǒng)。
3、主存最大尋址空間是36K字節(jié)（8位機）或18K字節(jié)（16位機），基本容量為8K（字節(jié)或16位的字）容量的ROM和2K（字節(jié)或16位的字）容量的RAM存儲區(qū)域。還可以進一步的完成容量擴展的教學(xué)實驗。
4、原理上講，主振可在幾百KHZ～2MHZ之間的選擇。
5、運算器由2片或4片位片結(jié)構(gòu)器件級聯(lián)而成，片間用串行進位方式傳遞進位信號。ALU實現(xiàn)8種算術(shù)與邏輯運算功能，內(nèi)部包括16個雙端口讀出、單端口寫入的通用寄存器，和一個能夠自行移位的乘商寄存器。設(shè)置C（進位）、Z（結(jié)果為0）、V（溢出）和S（符號位）四個狀態(tài)標(biāo)志位。
6、控制器采用微程序和硬布線兩種控制方案實現(xiàn)，可由實驗者自行選擇。實驗人員可方便地修改已有設(shè)計，或加進若干條自己設(shè)計與實現(xiàn)的新指令，新老指令同時運行。
7、主機上安裝有一路INTEL8251串行接口，可直接接計算機終端，或接入一臺PC機作為自己的仿真終端。選用了MAX202倍壓線路，以避免使用+12V和-12V電源。
8、在主板上設(shè)置了一定擴展實驗用的器件插座，提供擴展內(nèi)存和各種輸入/輸出接口實驗所需的地址、數(shù)據(jù)的控制等信號，以便支持在主板上完成這種擴展實驗。
9、在主板的右一角位置，設(shè)置了完成中斷教學(xué)實驗的全套擴展實驗。
10、在主板上設(shè)置有一些撥數(shù)開關(guān)和微型開關(guān)、按鍵和指示燈，支持最低層的手工操作方式的輸入/輸出和機器調(diào)試。板上還有支持教學(xué)實驗用的一定數(shù)量的跳線夾。
11、實驗機硬件系統(tǒng)，主要功能部件劃分在大一些的水平放置的一塊印制電路板的不同區(qū)域，微程序控制器的主要部分劃分在小一些的垂直插接的一塊印制電路板上，所有器件都用插座插接在印制板上，便于更換器件。
12、實驗計算機使用單一的5V、最大電流3A的直流模塊電源，所耗電流在1.5～2A之間。電源模塊安裝在水平電路板右上角位置，220V交流電通過電源線插送到電源插座上，并用一個開關(guān)控制交流電源的接通或斷開。
13、板上安裝了很多發(fā)光二極管指示燈，用于顯示重要的數(shù)據(jù)或控制信號的狀態(tài)。
▲微機接口及應(yīng)用單元：
1、系統(tǒng)組成：一塊PC總線擴展卡、一塊主板、鍵盤顯示實驗板及連接電纜。
2、實驗內(nèi)容：I/O地址譯碼、8255、8253、ADC0809、DAC0832等接口電路；邏輯電平開關(guān)、發(fā)光二極管顯示、七段譯碼管顯示、時鐘、信號發(fā)生器、邏輯筆等輔助電路。
3、實驗插座：一個40芯、二個20芯、一個16芯、二個14芯組件插座供擴展實驗電路使用。
4、TTL實驗電路：與、或、非、觸發(fā)器等。
5、+5V、±12V電源盒。
三、實驗內(nèi)容：
▲計算機組成原理單元
該實驗分為基本實驗和可選實驗，基本實驗指學(xué)習(xí)計算機組成原理課通常要完成的實驗項目，通過這些實驗可達到學(xué)習(xí)基本原理和訓(xùn)練基本技能的目的。可選實驗是指教學(xué)機支持的那些難度較大的需要較長時間完成的實驗項目，這些實驗可作為課程設(shè)計的內(nèi)容或用作畢業(yè)設(shè)計的題目。
A、基本實驗　
1．基礎(chǔ)匯編語言程序設(shè)計 5．串行口輸入輸出實驗
2．脫機運算器實驗 6．微程序控制器實驗
3．組合邏輯控制器實驗 7．編程序控制器實驗
4．主存儲器實驗　
B、可選實驗（課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計）
1、故障診斷的設(shè)計與實現(xiàn)
2、用一臺正確運行的實驗機輔助調(diào)試另一臺實驗機
3、實驗機的監(jiān)控程序、交叉匯編程序的修改與擴充的實驗
4、擴充的輸入/輸出接口、設(shè)備與驅(qū)動程序的實驗
5、設(shè)計與實現(xiàn)一套全新指令系統(tǒng)的CPU　　
6、軟盤驅(qū)動器的接口與驅(qū)動線路實驗
▲計算機組成原理.微機接口及應(yīng)用綜合實驗臺微機接口及應(yīng)用單元　　　　　　　　　　
A、第一類：TTL集成電路實驗（數(shù)字電路課）
1．與、或、非門等門電路實驗　　　　　　
2．組合邏輯電路實驗（半加器、全加器等）
3．觸發(fā)器實驗（RS、D、JK等）
4．集成計數(shù)器及寄存器
5．譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器等
6．單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等波形實驗
B、第二類：微機接口實驗（微機原理課）
1．I/O地址譯碼實驗
2．簡單并行接口實驗
3．可編程并行口實驗（一）（二）
4．串行通訊實驗（8251、8250）
5．A/D、D/A轉(zhuǎn)換實驗
6．可編程定時器/計數(shù)器實驗
7．七段數(shù)碼顯示實驗
8．中斷實驗和DMA通訊實驗
C、趣味性實驗及控制實驗（微機應(yīng)用課）
1．競賽搶答器實驗
2．?dāng)?shù)字錄音機實驗
3．電子琴實驗（加選件）　　　　　　
4．交通燈控制實驗
5．繼電器控制實驗
6．步進電機控制實驗（加選件）
7．直流小電機控制實驗（加選件）
8．集成電路測試實驗
9．8279鍵盤、顯示控制實驗（加選件）

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