1、计算机组成与结构TEC+XP+学生实验讲义计算机组成与结构（面向信息科学与工程学院各本科专业）主编： 郝尚富河北北方学院信息科学与工程学院2010.11实验一基础汇编语言程序设计.实验二脱机运算器实验 实验三存储器部件教学实验实验四微程序控制器实验.实验五I/O 口扩展实验 实验六中断实验 附录一:教学机系统结构图.附录二TEC-XP 16系统各功能部件之间的连接关系和信息传送路径 附录三TEC-XP 16系统教学实验简明操作卡附录四指令汇总表附录五基本指令执行流程框图附录六扩展指令执行流程框图 附录七微程序表实验一基础汇编语言程序设计1.1实验目的:1.学习和了解TEC-XP教学实验系统监控
2、命令的用法；2.学习和了解TEC-XP教学实验系统的指令系统；3.学习简单的TEC-XP教学实验系统汇编程序设计；1.2实验内容：1. 学习联机使用TEC-XP教学实验系统和仿真终端软件 PCEC.2. 使用监控程序的R命令显示/修改寄存器内容、D命令显示存储器内容、E命令修改存储 器内容；3使用A命令写一小段汇编程序，U命令反汇编刚输入的程序， 用G命令连续运行该程序， 用 T、 P 命令单步运行并观察程序单步执行情况；1.3实验步骤1.3.1完成 TEC-XP 教学计算机与 PC 机的硬件连接：1将TEC-XP放在实验台上，打开实验箱的盖子，确定电源处于断开状态；2.将黑色的电源线一端接
3、220V交流电源，另一端插在 TEC-XP实验箱的电源插座里；3. 取出通讯线，将通讯线的 9芯插头接在TEC-XP实验箱上的串口 1上，另一端接到 PC 机的“ COM”1 或“ COM”2 （建议用 COM）2 串口上；4.将TEC-XP实验系统左下方的五个黑色的控制机器运行状态的开关置于正确的位置，在找个实验中开关应置为 00110（连续、内存读指令、组合逻辑（或微程序）、联机、 16 位）。5. 拨动教学计算机右侧面的船形开关打开电源，船形开关和 5V电源指示灯亮。特别注意：连接电源线和通讯线前 TEC-XP实验系统的电源开关一定要处于断开状态， 否则可能会对TEC-XP实验系统上的芯
4、片和 PC机的串口造成损害。1.3.2实现仿真终端软件与教学计算机的联接。1.打开PC机电源启动计算机；2.双击桌面上的PCEC16图标，出现如下图所示的界面：3.系统默认选择串口 1，用户可根据实际情况选择串口 1 或是串口 2（这里的串口指的是 和TEC-XP教学实验系统相连的 PC机的串口），按回车后出现如图界面：4.图中是系统设定的一些传输参数，建议用户不要改动，直接回车。按一下教学计算机 上的“ RESET按钮放开后再按一下“ START按钮，出现界面如图所示：5.此时表明TEC-XP机器联机通讯正常。1.3.3 实验注意事项：1.连接电源线和通讯线前 TEC-XP实验系统的电源开关
5、一定要处于断开状态，否则可能会对TEC-XP实验系统上的芯片和 PC机的串口造成损害；2.五个黑色控制开关的功能示意图如下： 单步 手动置指令 组合逻辑 联机 8 位上面下面 连续 从内存读指令 微程序 脱机 16 位3.几种常用的工作方式(开关拨到上方表示为 1，拨到下方为 0；)工作方式5 个拨动开关连续运行程序、组合逻辑控制器、联机、 16 位机 00110连续运行程序、微程序控制器、联机、 16 位机 00010单步、手动置指令、组合逻辑控制器、联机、 16 位机 11110单步、手动置指令、微程序控制器、联机、 16 位机1101016 位机、脱机运算器实验1XX001.3.4 监控
6、命令的使用：1 用 R 命令查看寄存器内容或修改寄存器的内容1)在命令行提示符状态下输入：R/ ;显示寄存器的内容注：寄存器的内容在运行程序或执行命令后会发生变化。2)在命令行提示符状态下输入：,也R R0/ ; 修改寄存器 R0 的内容，被修改的寄存器与所赋值之间可以无空格可有一个或数个空格主机显示 : 寄存器原值 :_ 在该提示符下输入新的值 0036 再用R命令显示寄存器内容，则 R0的内容变为0036。2 用 D 命令显示存储器内容在命令行提示符状态下输入：D2000 /会显示从2000H地址开始的连续128个字的内容；连续使用不带参数的 D命令，起始地址会自动加 128 （即80H）
7、。3.用E命令修改存储器内容在命令行提示符状态下输入：E2000 /屏幕显示 :2000 地址单元的原有内容 : 光标闪烁等待输入输入 0000依次改变地址单元 20012005 的内容为 :1111 2222 3333 4444 5555注意：用E命令连续修改内存单元的值时，每修改完一个，按一下空格键，系统会自动给 出下一个内存单元的值，等待修改；按回车键则退出 E命令。4 用 D 命令显示这几个单元的内容D2000 /可以看到这六个地址单元的内容变为 0000 1111 2222 3333 4444 5555。5. 用 A 命令键入一段汇编源程序，主要是向累加器送入数据和进行运算，执行程序
8、并观 察运行结果。1 ） 在命令行提示符状态下输入：A 2000 / ;表示该程序从 2000H （内存RAM区的起始地址）地址开始屏幕将显示：2000：输入如下形式的程序：2000: MVRD R0, AAAA ; MVRDf R0之间有且只有一个空格，其他指令相同2002: MVRD R1， 55552004: ADD R0 ， R12005: AND R0 ， R12006: RET ;程序的最后一个语句，必须为 RET指令2007:（直接敲回车键，结束 A命令输入程序的操作过程）若输入有误，系统会给出提示并显示出错地址，用户只需在该地址重新输入正确的指令即 可。2）用U命令反汇编刚输入
9、的程序在命令行提示符状态下输入：U 2000 / （在相应的地址处会得到输入的指令及其操作码）注：连续使用不带参数的 U 命令时，将从上一次反汇编的最后一条语句之后接着继续反汇 编。3)用 G 命令运行前面键入的源程序G 2000/程序运行结束后，可以看到程序的运行结果，屏幕显示各寄存器的值，其中 R0和R1的值均为5555H,说明程序运行正确。4)用 P 或 T 命令，单步执行这段程序，观察指令执行结果 在命令行提示符状态下输入：T2000 /寄存器R0被赋值为AAAAHT/寄存器 R1 被赋值为 5555HT/做加法运算，和放在 R0, R0的值变为FFFFHT/做与运算，结果放在 R0，
10、 R0 的值变为 5555H用 P 命令执行过程同上。注：T总是执行单条指令，但执行 P命令时，则把每一个 CALL语句连同被调用的子程序 次执行完成。T、P命令每次执行后均显示所有通用寄存器及状态寄存器的内容，并反汇编出下 一条将要执行的指令。1.3.5 TEC-XP 教学机指令系统TEC-XP教学机实现了 29条基本指令，用于编写教学机的监控程序和支持简单的汇编语言 程序设计。同时保留了 19条扩展指令，供学生在教学实验中完成对这些指令的设计与调试。按照指令的功能和它们的执行步骤，可以把该机的指令划分为如下 4 组。A组：基本指令 ADD SUB AND OR XOR CMP TEST M
11、VRR DEC INC、SHL SHR JR、 JRC JRNC JRZ JRNZ 扩展指令 ADC SBB RCL RCR ASR NOT CLC STC El、DI、JRS JRNS JMPRB组：基本指令 JMPA LDRR STRR PUSH POP PUSHF POPF MVRD IN、OUT RETC 组：扩展指令 CALR LDRA STRA LDRX STRXD组：基本指令 CALA扩展指令IRET教学机的指令格式支持单字和双字指令，第一个指令字的高 8 位是指令操作码字段，低 8位和双字指令的第二个指令字是操作数 地址字段，分别有 3 种用法，如下图所示。操作码DRSRIO
12、端口地址 / 相对偏移量（ OFFSET）立即数 / 直接内存地址 / 变址偏移量这 8 位指令操作码（记作“ IR15IR8 ”），含义如下：1. IR15、IR14用于区分指令组：0X表示A组，10表示B组，11表示C D组；C D组的 区分还要用IR11 , IR11=0为C组，IR11=1为D组。2.IR13 用于区分基本指令和扩展指令：基本指令该位为 0，扩展指令该位为 1；3. IR12 用于简化控制器实现，其值恒为 0；4.IR11IR8 用于区分同一指令组中的不同指令。教学机的指令根据指令字长、操作数不同可划分为如下 6 种指令格式：1 . 单字、无操作数指令：格式：操作码00
13、00 0000基本指令：PSHFPOPF RET;状态标志（C、Z、V、S、P1、P0）入栈；弹出栈顶数据送状态标志寄存器；子程序返回扩展指令：CLC；清进位标志位 C=0STC；置进位标志位 C=1EI；开中断，置中断允许位DI；关中断，置中断允许位IRET；中断返回INTE=1INTE=02. 单字、单操作数指令：格式：操作码DR 00000000 SROFFSETI/O PORT基本指令：DECDRINC DRSHLDRSHRDRJRDR- DR-1DR- DR+1DR逻辑左移，最低位补DR逻辑右移，最高位补0，最高位移入 C0，最低位移入 COFFSETJRCOFFSETJRNC OF
14、FSETJRZ OFFSETJRNZ OFFSET IN I/O PORT OUTI/O PORTPUSHPOPDR扩展指令：RCLDRRCRDRASRDRNOTDRJMPRCALRSRSRSR无条件跳转到 ADR ADR掠PC值+OFFSETC=1 时，C=0 时，Z=1 时，Z=0 时，R( I/O PORT，从外设I/O PORT端口读入数据到 R0 I/O PORT RQ将R0中的数据写入外设I/O PORT端口 SR入栈当 当 当 当跳转到 跳转到 跳转到 跳转到ADR，ADR，ADR， ADR，ADR原 PC值+OFFSET ADR原 PC值+OFFSET ADR原 PC值+OFF
15、SET ADR原 PC值+OFFSET弹出栈顶数据送 DRJRSOFFSETJRNS OFFSET3 单字、双操作数指令： 格式：DR与 C循环左移，C移入最低位，最高位移入DR与 C循环右移，C移入最高位，最低位移入DR算术右移，最高位保持不变，最低位移入DR求反，即 DR- /DR无条件跳转到SR指向的地址 调用SR指向的子程序当S=1时，跳转至U ADR ADR掠PC值+OFFSET 当S=0时，跳转到 ADR ADR掠PC值+OFFSET操作码DRSR基本指令：ADDDR，SRDR- DR+SRSUBDR，SR；DR- DR-SRANDDR，SR；DR- DR and SRCMPDR，
16、SR；DR-SRXORDR，SR；DR- DR xor SRTESTDR，SR；DR and SRORDR，SR；DR- DR or SRMVRRDR，SR；DR- SRLDRRDR，SR；DR- SRSTRRDR，SR；DR - SR扩展指令：ADCDR，SR；DR-DR+SR+CSBBDR，SR；DR- DR-SR-C4 双字、单操作数指令：格式：操作码0000 0000ADR基本指令：JMPA ADR ；无条件跳转到地址 ADRCALA ADR ;调用首地址在ADR的子程序5 双字、双操作数指令：格式 1：操作码DR 00000000 SRDATA基本指令：MVRD扩展指令：LDRAST
17、RADR， DATADR， ADR ADR，SR;DR- DATA;DR- ADR；ADR -SR格式 2：操作码DRSRADR扩展指令：LDRX DR， OFFSETSR ； DR- OFFSET+SR STRX DR， OFFSETSR ； OFFSET+SR- DR例 1: 设计一个小程序 , 用次数控制在终端屏幕上输出 0 到9 十个数字符。 在命令行提示符状态下输入：A 2020 /屏幕将显示： 2020 ：从地址 2020H 开始输入下列程序 :2020:MVRD R2,00OA ；送入输出字符个数2022:MVRD R0,0030 ；“ 0”字符的 ASCII 码送寄存器 R02
18、024:OUT 80;输出保存在R0低位字节的字符2025:DEC R2；输出字符个数减 12026:JRZ 202E;判 10个字符输出完否 ,已完，则转到程序结束处2027:PUSH R0;未完，保存 R0的值到堆栈中2028:IN 81;查询接口状态，判字符串行输出完成否 ,2029:SHR R0;202A:JRNC 2028;未完成 , 则循环等待202B:POP R0;已完成，准备输出下一字符并从堆栈恢复 R0的值202C:INC R0;得到下一个要输出的字符202D:JR 2024202E:RET;转去输出字符202F:/用“G命令运行程序在命令行提示符状态下输入:G 2020/执
19、行结果为: 0123456789 思考题 :1.若把IN 81, SHR RO, JRNC 2028 三个语句换成 4个MVRR R0 R0语句,该程序执行过程 会出现什么现象 ? 试分析并实际执行一次。2.若要求在终端屏幕上输出A到Z共26个英文字母，应如何修改程序 ？请验证之。例 2:从键盘上连续打入多个属于 0到 9的数字符并在屏幕上显示 , 遇到非数字字 符结束输入过程。 在命令行提示符状态下输入:A 2040/屏幕将显示:2040:从地址 2040H 开始输入下列程序 : (2040)MVRD R2,0030 ； 用于判数字符的下界值MVRD R3,0039 ； 用于判数字符的上界值
20、 (2044) IN 81 ； 判键盘上是否按了一个键 ,SHR R0 ； 即串行口是否有了输入的字符SHR R0JRNC 2044 ； 没有输入则循环测试IN 80 ； 输入字符到 R0MVRD R1,00FFAND R0,R1 ； 清零 R0 的高位字节内容CMP R0,R2 ; 判输入字符字符O否JRNC 2053 ； 为否 , 则转到程序结束处CMP R3,R0 ; 判输入字符w字符 9 否JRNC 2O53 ； 为否 , 则转到程序结束处OUT 8O ； 输出刚输入的数字符JMPA 2O44 ； 转去程序前边 2O44 处等待输入下一个字符(2O53) RET 在命令行提示符状态下输
21、入：G 2040 /光标闪烁等待键盘输入，若输入 O-9 十个数字符，则在屏幕上回显；若输入非数字符，则 屏幕不再显示该字符，出现命令提示符，等待新命令。思考题，本程序中为什么不必判别串行口输出完成否 ？设计打入AZ和09的程序，遇到其它字符结束输入过程。例 3：计算 1 到 10 的累加和。 在命令行提示符状态下输入：A 2060 /屏幕将显示：2060：从地址 2060H 开始输入下列程序：(2060)MVRD R1,0000 ； 置累加和的初值为 0MVRD R2,00OA； 最大的加数MVRD R3,0000(2066) INC R3 ； 得到下一个参加累加的数ADD R1,R3 ；
22、累加计算CMP R3,R2 ； 判是否累加完JRNZ 2066 ； 未完 , 开始下一轮累加RET 在命令行提示符状态下输入：G 2060 /运行过后，可以用R命令观察累加器的内容。 R1的内容为累加和。结果为： R1=0037 R2=00OA R3=00OA例 4 ：设计一个程序在显示器上循环显示 95 个（包括空格字符）可打印字符。在命令行提示符状态下输入：A 20A0 /屏幕将显示：20A0：从地址 20A0H 开始输入下列程序：A 20A0;从内存的20A0单兀开始建立用户的第一个程序20A0: MVRD R1,7E；向寄存器传送立即数20A2: MVRD R0,20;20A4: OU
23、T 80;通过串行接口输出 R0 低位字节内容到显示器屏幕20A5: PUSH R0;保存R0寄存器的内容到堆栈中20A6: IN 81;读串行接口的状态寄存器的内容20A7: SHR R0；R0寄存器的内容右移一位，最低位的值移入标志位 C20A8: JRNC 20A6；条件转移指令，当标志位 C不是1时转到20A6地址20A9: POP R0;从堆栈中恢复 R0寄存器的原内容20AA: CMP R0,R1；比较两个寄存器的内容是否相同，相同则标志位 Z=120AB: JRZ 20A0；条件转移指令，当标志位 Z为1时转到20A0地址20AC: INC R0;把R0寄存器的内容增加120AE
24、: JR 20A4；无条件转移指令，一定转移到 20A4 地址20AF: RET；子程序返回指令 , 程序结束 在命令行提示符状态下输入：G 20A0/运行过后 , 可以观察到显示器上会显示出所有可打印的字符。2.1实验目的深入了解AM2901运算器的功能与具体用法， 4片AM2901的级连方式，深化运算器部件的组成、设计、控制与使用等知识。2.2实验说明脱机运算器实验，是指让运算器从教学计算机整机中脱离出来，只能通过开关、按键控制 教学机的运算器完成指定的运算功能，并通过指示灯观察运算结果。下面先把前边讲过的、与该实验直接有关的结论性内容汇总如下。1.12 位微型开关的具体控制功能分配如下：
25、A 口、B 口地址：送给 AM2901器件用于选择 源与目的操作数的寄存器编号；I8-I0 ：选择操作数来源、运算操作功能、选择操作数处理结果和运算器输出内容的 3 组 3位的控制码；SCi、SSH和SST:用于确定运算器最低位的进位输入、移位信号的入 /出和怎样处理 AM2901产生的状态标志位的结果。2.开关位置说明：做脱机运算器实验时， 要用到提供 24位控制信号的微动开关和提供 16 位数据的拨动开关。 微动开关是红色的，一个微动开关可以提供 12 位的控制信号，标有 micro switch 1 和 micro switch 2 ;数据开关是黑色的，左边的标有 SWH勺是高8位，右边
26、的标有 SWL勺是低8位。微动开关与控制信号对应关系见表 （ 由左到右 ）：Micro switch 1 Micro switch 2I8-I6I5-I3I2-I0SSTSSHSCIB PORT A PORT脱机运算器实验的环境图：TEC-XP16 系统脱机运算器实验微型开关各字段的控制功能表：运算器组成线路和信息连接关系图：2.3实验步骤1. 将教学机左下方的 5个拨动开关置为1XX00 （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.按下表所列的操作在机器上进行运算器脱机实验，将结果填入表中：其中 D1 取为0101H, D2取为1010H
27、;通过两个12位的红色微型开关向运算器提供控制信号，通过 16位数据开关向运算器提供数据，通过指示灯观察运算结果及状态标志。运算I8-I0SSTSSHSCiBA压START前压 START后ALU输出CZVSALU输出CZVS *D1+0-R001100011100100000000不用0101随机01010000*D2+0-R101100011100100000001不用1010000010100000R0+R1-R0011000001001000000000001000021210101F0F10F0F0E0ERO-R1-R0 011001001 001 00 01 00000001000
28、01000R1-R0-R1011001001 00100010001000010001000R0V R1-R0011011001001000000010F0F1000R0A R1-R00111000010010000000000010101100001011000R0R00111100010010000000000010E0E100001011000（RO R0011111001OO1OOOOOOOOFEFE0E0E1001 2*R0-R011100001100100000000不用FEFE1001FDFC0001R0/2-R010100001100100000000不用FDFC00017EFE0001注：用*标记的运算，表示 D1、D2的数据是由拨动开关 SW给出的，开关给的是二进制的 信号，注意二进制和十六进制间的转换。按“ START按键之前，ALU输出的是计算结果，参照 ALU的操作周期的时序可知 A B 口 数据锁存是在时钟的下降沿，通用寄存器的接收是在低电平，所以要想寄存器接收 ALU的计算结果必须按一次“ START按键。实验三 存储器部件教学实验3.1实验目的1.深入理解计算机内存储器的功能、组成知识； 2深入地学懂静态存储器芯片的读写原理和用他们
