这是一本实验指导教材，重点讲解TECXPⅡ实验计算机系统的组成、功能、支持的实验项目，并具体地给出了两个CPU系统。全书共分7章： 第1章至第4章、第6章重点针对第一个CPU系统进行讲解，包括TECXPⅡ系统的硬件、软件组成概述，几种数字电路、实验计算机用到的关键芯片的实验，脱机的计算机部件、构建计算机整机系统的实验；第5章介绍TECXPⅡ的指令系统和汇编语言程序设计；第7章介绍第二个CPU的组成与设计。书中给出7个附录，对计算机硬件系统设计和工程实现做了详细说明。

本书是《计算机组成与体系结构(第3版)——基本原理、设计技术与工程实现》(主教材)的配套用书，补充了主教材中不宜过多讲解的计算机设计技术与工程实现方法，对教学的实验目的、实验内容、实验操作步骤以及实验之后应该理解或掌握的知识进行了具体说明。

本书可以作为计算机及相关专业的本科生的实验教材，也可供相关领域的技术人员参考。

主任： 李晓明副主任： 蒋宗礼卢先和委员： （按姓氏笔画为序）

马华东马殿富王志英王晓东宁洪  

刘辰孙茂松李仁发李文新杨波

吴朝辉何炎祥宋方敏张莉金海

周兴社孟祥旭袁晓洁钱乐秋黄国兴

曾明廖明宏秘书： 张瑞庆

FOREWORD本书是《计算机组成与体系结构(第3版)——基本原理、设计技术与工程实现》的配套教材，重点讲解教学实验设备和教学实验项目，并把不宜在主教材过多涉及的部分内容(计算机硬件系统的设计技术与工程实现方法)安排到本书中进行讲解。

教学实验设备TECXPⅡ计算机系统，是TECXP+的升级版，指令系统典型实用，硬件组成简单清晰，软件配置基本够用，是计算机组成原理课程比较理想的实验设备。该设备实现的功能有所增加，但使用方式和操作界面与此前的产品保持良好的一致性，避免增加授课教师的工作负担，而设计技术和实现手段有了重大改进升级，大幅降低了学生学习和完成实验的难度，主要体现在以下10个方面。

(1) 把硬布线控制器和微程序控制器拆分开来，用两个ABEL程序分别描述并独立实现，使描述控制器组成与功能的ABEL程序大为精简，使学生更容易看清学懂，使两种类型的控制器实现不再相互搅和，选用哪一种控制器就把哪一种控制器的.jed文件下载到控制器芯片。

(2) 取消原来在主板上的某些电路，把它们移入控制器芯片中实现，仅把指令寄存器IR设置在主板上。减少了所用器件数量，更重要的是确保设备主板上提供的都是核心必要电路，能更清楚地展现计算机功能部件及其相互连接与信息传输关系，有利于教师授课和学生的实验操作。非常明确地把设备主板上的电路区分成核心功能器件和辅助型元器件两大类，强调辅助电路只是用于硬件调试，学生会用即可，不属于计算机组成原理课的教学内容。

(3) 把指令计数器PC从运算器部件中移出，设置到控制器芯片中，确保读取指令操作能够在一个步骤中完成，使全部指令都能在2～4个步骤中完成，既易于实现也更为合理。

(4) 在描述CPLD芯片内部的电路组成与实现功能方面，选用的是ABELHDL硬件描述语言，用到的只限于数字电路和逻辑设计的基本知识，外加一点ABEL程序结构和语句规则、实现功能的有关规定，容易学懂，方便使用；最重要的变动是在ABEL程序中，改用真值表描述每一条指令的每一执行步骤使用的控制信号，使控制器设计中最为烦琐的工作变成只需在真值表中直接编辑这些控制信号，而不再是劳心费力地设计每一位控制信号的逻辑方程，极大地提高了ABEL程序的可读性，特别是在真值表的注释部分提供了汇编语句名称、指令在这一步骤执行的功能、标志位维护要求等注释信息之后，可以看清运算器、存储器、串行接口和输入输出设备这几个执行部件，在每一条的每一个执行步骤执行的是什么功能，以及向它们提供什么控制信号才能使其完成各自的功能，把计算机组成原理的核心内容直观清晰地展现出来。

(5) 对控制器的节拍发生器(Timing)、程序计数器(PC)、内存的地址寄存器(AR)、运算器的标志位寄存器(Flag)等时序逻辑电路，在ABEL程序中是通过逻辑方程描述的，即直接使用逻辑方程语句描述这些电路应该在什么条件下接收什么信息，或者在哪些时刻需要送出其输出到哪个部件，简明严谨、直观清楚，特别是为有关语句提供了较为详细的注释信息，在真值表的注释部分又提供了维护和使用这些时序电路的要求之后，使读懂和理解这些逻辑方程语句变得更为轻松。

(6) 在CPLD芯片内可以实现一个16个字的小ROM电路，用于编辑、保存测试程序，确保在监控程序尚不能运行或者尚未接入内存储器的情形下，也能调试控制器或者CPU的部分指令，检查新扩展的指令是否正确运行，这是一项颇有新意、简单有效的调试手段。

(7) 在CPLD芯片内设置用于中断的电路，此时可以通过关闭掉微程序控制器Am2910芯片的电源使其不运行，腾出了它与CPLD芯片进行连接的24个管脚，用于显示中断请求、响应、处理过程中的有关信号，更有利于学生理解中断的运行原理和运行机制。

(8) 为实验计算机设置3种运行方式，即正常方式(程序在内存中)、测试方式(程序在CPLD芯片内的ROM中)、手拨指令方式(指令来自钮子开关)，程序既可以连续运行，也可以单步骤运行。可以通过设备主板上的3个功能开关来选择这3种运行方式。

对这3种运行方式中的正常方式未做赘述，测试方式更多地用于调试扩展指令，手拨指令方式在此前的设备中也是有的，但多数人对此认识不足，较少使用，在这一款设备中我们进一步强调了它的功能，进行了必要说明，主要针对的还是硬件设计中的调试问题。

(9) 在设备的主板上加入了3个40管脚的器件插座，可以方便地插接多种型号的双列直插封装、不同管脚数的中小规模集成电路芯片，并能够实现各器件的各个管脚之间的随意连接，成为电子线路和逻辑设计实验的通用平台，给出的实验项目简单，大体对应主教材第2章的教学内容，对此前没有学习过数字电路与逻辑设计课程的同学显得尤为重要。

(10) 在设备主板上设置了6组8位的通用钮子开关，4组8位的通用指示灯，并在计算机部件之间传送信息的主要通路上设置了专用的指示灯和接线插针(孔)，能够更方便地支持手工的单个重要芯片的功能实验，芯片之间配合关系的实验，单个部件的功能实验，几个部件之间的连接和组合运行的实验，以及部件拆分和构建整机系统的实验，提供了其他同类实验设备难以实现的实验手段。可以这样说，计算机内部指令的执行步骤、数据存储、信息传送、运算功能和执行结果以及每个步骤用到的控制信号的状态等都可以通过指示灯清楚地看到，在实验计算机系统内部发生的每一点变化、每一项操作及其效果都清楚地显示在实验计算机的主板上，无须通过其他手段将其采集起来并传送到PC的屏幕上进行显示。

与本套教材配套的还有电子版教学课件，重点教学与实验内容的动画演示。这些文件将放置在清华大学出版社的网站，供用户单位随时下载使用。

由于作者水平所限，书中可能有一些不足甚至不当之处，欢迎读者批评指正。

计算机组成与体系结构（第3版）实验教程

编者2017年6月

CONTENTS

教学计算机主板照片1

第1章TECXPⅡ计算机硬软件系统组成、构建与工程实现3

1.1TECXPⅡ计算机硬、软件系统的组成概述3

1.2部件拆分与整机构建设计6

1.3控制器部件的设计技术和实现方法7

第2章电子线路实验10

2.1反相器SN74LS04和与非门SN74LS00的实验11

2.2译码器SN74LS139器件和三态门SN74LS244器件的实验13

2.3寄存器器件SN74LS377、SN74LS374芯片的实验15

2.4计数器器件SN74LS161的实验18

第3章芯片级实验19

3.1认知主板上元器件布局和开关、指示灯的使用方法19

3.2单独RAM6116或ROM58C65芯片的读写实验20

3.3单独MACH芯片的运算器设计实验23

第4章脱机的计算机部件实验28

4.1脱机的运算器部件实验28

4.2脱机基本存储器部件实验30

4.3脱机的串行接口读写与输入输出实验(选做)33

第5章监控程序使用和汇编语言程序设计实验36

5.1使用监控程序的实验36

5.2汇编程序设计实验38

第6章部件组合和构建计算机整机系统的实验46

6.1硬布线控制器部件设计和构建CPU系统(运算器+控制器)实验46计算机组成与体系结构（第3版）实验教程6.2主机系统(CPU+内存)的设计与实现实验51

6.3整机系统(CPU+内存+串口和输入输出设备)的设计与实现实验51

6.4微程序控制器设计和CPU(控制器+运算器)系统实现的实验(选做)53

6.5中断功能的设计、线路实现和三级嵌套的中断实验61

第7章FPGACPU系统的设计与实现66

7.1FPGACPU系统概述66

7.2运算器部件的功能、组成与设计68

7.3控制器部件的功能组成与设计72

附录A硬件描述语言ABELHDL知识简单介绍80

附录BMACH器件的编程方法和操作步骤——LC4256V器件83

附录CMACH芯片的下载(编程)操作86

附录DPCB板的设计与制作概述——Altium Designer软件使用简介88

附录EVHDL语言入门性知识和FPGACPU设计简介104

附录F教学计算机指令级的软件模拟系统107

附录GBASIC语言程序设计114

参考文献119

本书是《计算机组成与体系结构》（第3版）的配套实验教材，重点讲解教学实验设备和教学实验项目，还会把不宜在主教材过多涉及的部分内容（计算机硬件系统的设计技术与工程实现方法）安排到这本书中进行讲解。本书给出了TEC-XP-Ⅱ实验计算机系统的组成概述，硬件领域的芯片级实验内容、部件级实验内容、部件组合与构建整机系统实验内容，软件领域给出了监控程序使用和汇编语言程序设计的实验内容。还包括不同层次的中断实验内容。书中对实验计算机系统的组成和实现的实验功能讲解清楚，实验的可操作性强，既要突出原理知识，又要提升实验技能，与主教材融会贯通，相互配合，把理论教学和实验教学结合好，有利于提高教学质量。

本版教材有多种配套的教学资源：主教材，实验教材，教学课件，教学重点难点内容的动画演示软件系统，自主研发的配套的教学实验计算机系统，教学实验计算机系统的软件模拟系统等，从而能提供一套完整的供参考的教学方案。

l  《计算机组成与体系结构（第3版））——基本原理、设计技术与工程实现》（978-7-302-46554-6）：本书主要提供“计算机组成和体系结构”课程的教学内容，包括计算机组成的原理知识，计算机硬件的设计技术，以及简单的实例计算机系统的工程实现，重点强调计算机硬件系统的组成原理、设计技术、工程实现三个方面的内容。作为计算机硬件课程的教材，本书涉及数字电路基础与逻辑设计基础知识、完整的计算机组成原理知识与设计实现技术、计算机系统结构的基础知识和概念等三门课程的有关内容，期望在有限的学时范围内，初步学习到计算机专业关键的三门硬件类课程的基本知识，强调所学知识的系统性和实用程度，强调培养学生的开创意识和实际工作能力。

l  PPT电子课件：可在清华大学出版社网站下载。本书是学习“计算机组成原理”和《计算机体系结构》等计算机硬件课程的优秀教材，配套教学资源丰富。本书的PPT电子课件、教学重点难点内容的动画演示软件系统等，可在清华大学出版社官网http://www.tup.com.cn下载。