16位計算機(jī)組成原理實驗系統(tǒng)庫號M67728 16位計算機(jī)組成原理實驗系統(tǒng)庫號M67728 

結(jié)構(gòu)特點
本系統(tǒng)由鋁木合金箱體、性能穩(wěn)壓電源、系統(tǒng)控制部件、開放式實驗電路區(qū)等組成。實驗用信號線的連接采用排線，操作方便。基礎(chǔ)實驗基于中小規(guī)模集成電路，綜合性實驗基于在系統(tǒng)可編程器件，資源向?qū)W生開放，可以完成“計算機(jī)組成原理"、“計算機(jī)結(jié)構(gòu)與邏輯設(shè)計"、“在系統(tǒng)編程"、“VHDL設(shè)計"、“電子系統(tǒng)綜合設(shè)計"等課程的實驗，并可以進(jìn)行“集成電路設(shè)計"的驗證實驗。本實驗箱適用于本院校計算機(jī)和其它相關(guān)的相關(guān)課程的實驗。
二、技術(shù)性能
1、硬件系統(tǒng)采用性能單片機(jī)和LATTICE公司CPLD器件的有-機(jī)結(jié)合,使系統(tǒng)的硬件控制電路。
2、提供手動、自-動和聯(lián)機(jī)三種工作方式，滿足不同層次實驗的監(jiān)視需要。
3、具有系統(tǒng)檢測電路和系統(tǒng)保護(hù)電路設(shè)計,使實驗系統(tǒng)易于維護(hù)和使用。
4、系統(tǒng)自備雙通道邏輯示波器，便于實驗過程中時序信號的測量。
5、采用后置式USB接口，與PC機(jī)聯(lián)機(jī)實驗時可以通過集成調(diào)試軟件編輯、編譯、裝載、單步運(yùn)行、斷點運(yùn)行、運(yùn)行用戶程序，獲得實驗平臺中的信息，也可以通地用戶的操作改變實驗平臺中的信息。
6、實驗系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)，使實驗計算機(jī)具有結(jié)構(gòu)擴(kuò)展方便，實驗時只要少些接線即可。
7、本機(jī)配備的動態(tài)集成調(diào)試運(yùn)行軟件以圖形化的界面顯示模型機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)的流向和各種控制信號的狀態(tài)以及時序關(guān)系。
8、實驗箱在模型機(jī)工作狀態(tài)時，微指令的容納率制，一條機(jī)器指令的微程序不應(yīng)局限在固定數(shù)量的微指令中。可允許使用者設(shè)計256條機(jī)器指令。
8、配置LCD1602液晶顯示器和鍵盤為無PC機(jī)的客戶提供人機(jī)接口，在單機(jī)狀態(tài)下可以完成大部分的計算機(jī)組成原理實驗。
9、擴(kuò)展FPGA實驗?zāi)K，實現(xiàn)復(fù)雜模型機(jī)的設(shè)計實驗。包含硬布線控制器，可使用Verilog和VHDL對模型機(jī)微控制進(jìn)行二次開發(fā)。
10、零連線設(shè)計，在做單元實驗、模型機(jī)實驗時無需連接任何電路，同時兼容傳統(tǒng)的手工連線方式

三、硬件技術(shù)指標(biāo)
1、實驗電路工作電源：+5V/2A、±12V/0.5--A，每路均帶有短路保護(hù)和自-動關(guān)斷功能，每路帶電源指示。其中+5V電源設(shè)計有過壓、過流、欠壓保護(hù)功能，待電路中故障排除后，自-動恢復(fù)供電
2、實驗系統(tǒng)的字長標(biāo)配8位。用FPGA設(shè)計-時4位/8位/16位/32位兼容設(shè)計，有16位數(shù)據(jù)總線、16位地址總線、16位運(yùn)算器、16位寄存器，支持字／字節(jié)操作。
3、實驗系統(tǒng)的基本指令系統(tǒng)類PC 機(jī)，有多種指令格式，多種尋址方式。
4、主存儲器采用8K字節(jié)靜態(tài)存儲器6264，用于存放用戶程序和數(shù)據(jù)。
5、配運(yùn)算器模塊，由4片4位的算術(shù)邏輯單元功能發(fā)生器級聯(lián)而成。每片內(nèi)實現(xiàn)16種二進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算及16種邏輯運(yùn)算，可進(jìn)行8位、16位運(yùn)算器實驗。
6、控制器采用微程序方案實現(xiàn)，控存字長為24位，可用容量為1024字節(jié)，且用電可擦寫的E2ROM存儲器芯片組成，支持動態(tài)微程序設(shè)計。
7、實驗系統(tǒng)工作頻率源由555時基電路和74LS123可再觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器組成產(chǎn)生，頻率范圍為330HZ～580HZ。可以同時產(chǎn)生四種不同時序的時鐘信號。
8、實驗系統(tǒng)配有微程序手動輸入并顯示模塊，裝有24個微程序輸入開關(guān)，用于輸入微程序。
9、配有手動16位數(shù)據(jù)輸入模塊和16位數(shù)據(jù)輸出（數(shù)據(jù)顯示)模塊。
10、配8個控制開關(guān)，2個微動開關(guān)，用于手動控制整機(jī)的運(yùn)行和切換運(yùn)行方式等。
11、配2位七段數(shù)碼管以顯示程序運(yùn)行的結(jié)果。另配置6個數(shù)碼管，用于交通燈顯示。
12、配微地址發(fā)生器模塊和微地址顯示模塊、微地址控制模塊。
13、配數(shù)據(jù)總線顯示模塊，用于顯示數(shù)據(jù)總線上的動態(tài)數(shù)據(jù)。
14、配總線地址顯示模塊，用于顯示地址總線上的動態(tài)地址。
15、配有一個雙向通用移位寄存器，以實現(xiàn)邏輯移位功能。
16、具有進(jìn)位控制邏輯。
17、配有指令寄存器和地址寄存器。
18、主機(jī)上設(shè)計有后臺管理CPU，用于聯(lián)機(jī)時數(shù)據(jù)和命令的傳送控制。
19、配有并行I/O接口電路8255，實現(xiàn)帶輸入輸出接口的模型機(jī)的設(shè)計。
20、配有定時/計數(shù)器接口電路8253。實現(xiàn)帶定時/計數(shù)器功能的模型機(jī)的設(shè)計。
21、配有中斷控制器8259。實現(xiàn)帶中斷功能的模型機(jī)的設(shè)計。
22、配有雙端口存儲器IDT7132。
23、模數(shù)A/D和數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)數(shù)模和模數(shù)的轉(zhuǎn)換。
24、配置ALTERA EPM240模塊，實現(xiàn)具備多功能復(fù)雜模型機(jī)的設(shè)計實驗。
25、配置LCD1602液晶顯示器，用于顯示實驗過程中各各部件單元的即時數(shù)據(jù)，同時配置6個鍵盤，為無電腦的情況下提供人機(jī)接口，在單機(jī)狀態(tài)下可以完成大部分的計算機(jī)組成原理實驗。
26、自設(shè)計計算機(jī)原理和結(jié)構(gòu)實驗單元
1）承載片上調(diào)試器以及實驗電路，連接計算機(jī)和基礎(chǔ)實驗主板。
2）基于FPGA設(shè)計技術(shù)，由Altera Cyclone IV EP4CE6E、嵌入式STM32和時鐘電路、USB通信電路等組成。



四、軟件技術(shù)指標(biāo)
1、支持Win XP／Vista／Win7／Win8／Win10操作系統(tǒng)，兼容32/64位。
2、USB通信，即插即用。
3、軟件具有通用匯編器，允許用戶自定義指令系統(tǒng)助記符，可對編輯窗口的源程序匯編生成可執(zhí)行機(jī)器碼，須同時支持源程序調(diào)試和反匯編調(diào)試。
4、支持單元部件的聯(lián)機(jī)實驗，軟件應(yīng)實時顯示當(dāng)前微控制撥碼開關(guān)的狀態(tài)，并能跟蹤數(shù)據(jù)流向，單元部件實驗的微操作既可通過撥碼開關(guān)輸入，也可在界面上點擊輸入。
5、用戶可在調(diào)試過程中即時觀察“模型機(jī)結(jié)構(gòu)圖"窗口中的數(shù)據(jù)變化，以及總線、寄存器的數(shù)據(jù)，可以直觀地看到各種信號彼此之間的先后時序關(guān)系。
6、具有整機(jī)硬件檢測功能，在聯(lián)機(jī)狀態(tài)下，能對實驗箱整機(jī)進(jìn)行各部件功能檢測，幫助老師查找出有故障的部件。
7、可以支持實驗平臺內(nèi)部狀態(tài)的修改與獲取。
8、支持單節(jié)拍、單周期、單步跟蹤、單步調(diào)用、斷點和運(yùn)行的調(diào)試功能。
9、微程序調(diào)試的數(shù)據(jù)流向示意圖是由軟件自-動分析生成。
10、源程序編輯窗口須支持語法高亮顯示。
11）支持32路邏輯分析功能，幫助用戶理解各控制信號、數(shù)據(jù)總線、地址總線及其時序關(guān)系。
12）支持脫離硬件的純軟件仿真運(yùn)行：
12.1）支持單元部件的手動仿真實驗；
12.2）支持模型機(jī)整機(jī)的微程序仿真實驗；
12.3）支持仿真運(yùn)行狀態(tài)下的通用匯編器；
12.4）支持仿真運(yùn)行狀態(tài)下的自定義指令集設(shè)計和微程序編寫；
12.5）支持仿真運(yùn)行狀態(tài)下的寄存器、存儲器的在線修改；
12.6）支持仿真運(yùn)行狀態(tài)下的動態(tài)數(shù)據(jù)流向顯示；
12.7）支持仿真運(yùn)行狀態(tài)下的32路邏輯分析功能；
12.8）適合學(xué)有余力的學(xué)生在離開實驗室之后繼續(xù)進(jìn)行計算機(jī)組成原理、計算機(jī)結(jié)構(gòu)的實驗；也適用于實驗課時緊張、實驗設(shè)備有限的情況下，有助于教師靈活安排時間，學(xué)生可在PC上隨-時進(jìn)行實驗。
13）另配置自設(shè)計的實驗軟件提供操作實驗電路的虛擬界面。
13.1）學(xué)生所有的操作都是在計算機(jī)的虛擬界面上完成，甚至不需要實驗板具有實際的開關(guān)按鍵、指示燈數(shù)碼管等元件，從而降低了實驗板的故障率和日常維護(hù)成本。具有真實感的虛擬實驗平臺，并且基于原理圖的虛擬實驗平臺，使學(xué)生將注意力集中在實驗原理上，無需將精力消耗在開關(guān)等元件與原理的對應(yīng)上。
13.2）實驗過程可視化：在虛擬實驗平臺上操作，以信息流方式顯示CPU的指令執(zhí)行過程。
13.3支持用戶自定義實驗內(nèi)容、自定義虛擬實驗平臺、自定義CPU數(shù)據(jù)通路。系統(tǒng)提供虛擬實驗平臺設(shè)計工具，用戶可為自己的實驗定制虛擬實驗界面。
13.4模型機(jī)實驗時，以彩色流程方式可動態(tài)顯示實驗CPU的運(yùn)行狀態(tài)。CPU內(nèi)部狀態(tài)通過調(diào)試電路傳遞到用戶界面，以數(shù)據(jù)記錄和圖形化兩種形式顯示。亮顯示當(dāng)前的控制信號、變化的數(shù)值以及信息流動，方便學(xué)生調(diào)試設(shè)計，加深對指令執(zhí)行過程的理解。也可用于教學(xué)演示。
五、實驗項目（提供源程序）
1、單元手動實驗
1）8位算術(shù)邏輯運(yùn)算實驗
2）帶進(jìn)位控制8位算術(shù)邏輯運(yùn)算實驗
3）16位機(jī)運(yùn)算器實驗（算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、移位運(yùn)算、進(jìn)位控制與零標(biāo)志）
4）存儲器實驗
5）微控制器實驗
2、綜合實驗
6）基本模型機(jī)的設(shè)計與實現(xiàn)含（通用寄存器實驗，地址總線組成實驗）
7) 帶移位運(yùn)算的模型機(jī)的設(shè)計與實現(xiàn)
8) 復(fù)雜模型機(jī)的設(shè)計與實現(xiàn)
9)大規(guī)模集成電路應(yīng)用實驗__可重構(gòu)原理計算機(jī)組成設(shè)計實驗
10)大規(guī)模集成電路應(yīng)用實驗二__擴(kuò)展準(zhǔn)雙向I/O口實驗
11)大規(guī)模集成電路應(yīng)用實驗三__基于RISC處理器構(gòu)成的實驗計算機(jī)的設(shè)計與實現(xiàn)
3、設(shè)計性實驗
12）數(shù)據(jù)通路實驗
13) 中斷控制器實驗
14）乘法器設(shè)計實驗
15）硬布線控制器實驗
16）擴(kuò)展8259中斷控制器實驗
17）基于流水技術(shù)構(gòu)成模型計算機(jī)的實驗
18）密碼器設(shè)計
19）4位算術(shù)邏輯單元設(shè)計
20）16位微控制器實驗
21）32位數(shù)據(jù)通路設(shè)計
22)32位硬布線控制器設(shè)計
六、實驗箱配置表
序號 名稱 說明 數(shù)量
1 VV511-M67728實驗主機(jī)箱 含詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)里軟硬件 1臺
2 杜邦8芯排線 40cm 5根
3 杜邦5芯排線 40cm 2根
4 杜邦4芯排線 40cm 2根
5 交流電源線1根 長1.5米 1根
6 軟件光盤 聯(lián)機(jī)調(diào)試軟件和實驗例程 1套
7 實驗指導(dǎo)書 1套