計算機組成原理實驗與學習指導（簡體書）

本書包括計算機組成原理實驗的各方面，分析和講解各功能部件的組成及運行原理，講述如何設計新指令，展示高階語言的解析過程。本書以項目為主線，在闡述實驗原理的基礎上，詳細描述各實驗的具體過程。本書針對組成原理實驗箱和自主研發的類比軟體進行講解。類比軟體可以獨立完成所有實驗，用動畫形式展示資料的移動和變化，即時顯示控制信號和內部狀態變化。全書共11章，主要包括：硬體系統概述及類比軟體簡介，軟體系統及類比軟體發展環境使用，基礎組合語言程式設計實驗，運算器實驗，記憶體實驗，輸入/輸出I/O介面實驗，微程式控制器實驗，組合邏輯控制器實驗，中斷實驗，綜合設計，BASIC語言程式設計。本書提供配套電子課件。
本書是“計算機組成原理”、“計算機組成與結構”和“計算機組成與設計”等課程的配套實驗教材，也可以作為高等院校電腦或相關專業的“計算機組成原理”課程的實驗指導用書，還可供相關領域的工程技術人員學習、參考。

尹卓，任教于青島大學資訊工程學院，長期講授計算機組成原理實驗、組成原理課程設計、EDA技術等課程。主持校級創新型教學實驗室研究項目兩項，參與山東省教育廳高等學校教學改革立項項目一項。參與橫向課題兩項。

前 言
“計算機組成原理”是高等院校電腦相關專業的核心課程。本書是課程的配套實驗教材，本書的主要目的是：使學生在理解各模組功能的基礎上，通過自己的設計實踐，建立電腦系統的整體概念，培養獨立分析和解決問題的能力。
計算機組成原理實驗一般用實驗箱完成。雖然實驗箱功能完善，但通常受到場地和數量的制約、電路板的有限面積不能顯示更多資訊、資料傳送過程無法直觀體現等諸多局限。為此，開發了對應的類比軟體，軟硬結合，突破了限制，提高了實驗教學效率。對應不同系列的實驗箱，類比軟體也開發了數款。
類比軟體是獨立軟體，可脫離實驗箱在電腦上運行，支援WinXP/Win7/Win8等作業系統，能實現實驗箱的所有功能，且在實驗專案、顯示狀態、控制方式等各個方面都有質的飛躍。其介面不僅包括了實驗箱的所有顯示，還以直觀的方式表現了更多的內部資訊，便於掌握系統狀態。擁有獨特的“動畫顯示”能力，資料以動畫方式進行移動和變化，可以精確觀察每個節拍的實現過程，便於理解指令功能和設計新指令。軟體集成了彙編器、調試器等，能直接編譯新指令並驗證其功能。類比軟體擁有多種運行方式，可以單節拍、單指令、連續運行，可以調節運行速度，適應不同要求。控制模式可選擇手動、微程式、組合邏輯控制等，變換方便。類比軟體不僅能完成實驗箱的所有實驗項目，而且在具體的實驗內容、方式、現象和教學效果上都有極大的改進。
全書分11章。第1～2章是硬體系統概述及類比軟體簡介、軟體系統及類比軟體發展環境使用；第3章是基礎組合語言程式設計實驗；第4～6章是各功能部件實驗；第7～8章是兩種控制器實驗；第9章是中斷實驗；第10章是綜合設計；第11章是BASIC語言程式設計。
本書由尹卓主編，參與編寫的還有王勇、趙毅、杜祥軍、王霄鵬等多位教師，李建波老師對本書的編寫提出了眾多寶貴意見和建議，楊厚俊院長對全書進行了審閱。
本書提供配套電子課件，請登錄華信教育資源網（http://www.hxedu.com.cn）註冊下載，也可聯繫本書編輯（wangxq@phei.com.cn）進行索取。
由於時間倉促和作者水準所限，書中不足之處在所難免，對於本書內容和類比軟體的任何疑問與想法，都歡迎聯繫和探討。
電子郵箱：zuchengbook@163.com
bluesky_bluesea@yeah.net
微博：http://weibo.com/u/1403786364

作 者
2016年3月

目 錄
第1章 硬體系統概述及類比軟體簡介 1
1.1 實驗箱硬體系統概述 1
1.1.1 硬體系統的技術指標 1
1.1.2 硬體系統的構成 1
1.1.3 硬體系統使用簡要說明 3
1.2 類比軟體簡介 6
1.2.1 類比軟體的軟硬體層次 6
1.2.2 類比軟體的硬體子系統 6
1.2.3 類比軟體的檔組成 6
1.2.4 類比軟體的主要技術指標 7
1.2.5 類比軟體主介面 7
第2章 軟體系統及類比軟體發展環境使用 9
2.1 實驗箱軟體系統 9
2.1.1 系統支援的實驗專案 9
2.1.2 軟體系統的組成 9
2.1.3 指令系統綜述 15
2.1.4 指令匯總表 18
2.2 模擬軟體發展環境使用 19
2.2.1 實驗系統總體概述 19
2.2.2 主介面各部分介紹 20
2.2.3 功能表區的二級視窗簡介 23
第3章 基礎組合語言程式設計實驗 26
3.1 實驗箱的基礎組合語言程式設計實驗 26
3.1.1 實驗目的 26
3.1.2 實驗要求 26
3.1.3 實驗內容 26
3.1.4 實驗步驟 27
3.1.5 組合語言程式設計 31
3.1.6 實驗報告要求 35
3.2 類比軟體的基礎組合語言程式設計實驗 35
3.2.1 實驗目的 35
3.2.2 實驗要求 35
3.2.3 實驗內容 35
3.2.4 實驗步驟 36
3.2.5 組合語言程式設計 42
3.2.6 實驗報告要求 42
第4章 運算器實驗 43
4.1 實驗箱的運算器實驗 43
4.1.1 實驗相關電路及工作原理 43
4.1.2 實驗目的 49
4.1.3 實驗要求 50
4.1.4 實驗內容及步驟 50
4.1.5 實驗報告要求 53
4.2 類比軟體的運算器實驗 53
4.2.1 實驗系統類比硬體基本組成 53
4.2.2 實驗目的 58
4.2.3 實驗內容 58
4.2.4 實驗步驟 58
4.2.5 實驗報告要求 78
第5章 記憶體實驗 79
5.1 實驗箱的記憶體實驗 79
5.1.1 實驗相關工作原理 79
5.1.2 實驗目的 80
5.1.3 實驗內容及步驟 80
5.1.4 實驗報告要求 84
5.2 類比軟體的存儲系統硬體介紹 84
5.2.1 硬體總體框圖 84
5.2.2 記憶體系統 85
5.3 類比軟體的記憶體實驗 86
5.3.1 實驗目的 86
5.3.2 實驗內容 86
5.3.3 實驗步驟 86
5.3.4 實驗報告要求 93
第6章 輸入/輸出I/O介面實驗 94
6.1 實驗箱的輸入/輸出I/O介面實驗 94
6.1.1 實驗相關工作原理 94
6.1.2 實驗目的 101
6.1.3 實驗說明 101
6.1.4 實驗內容 102
6.1.5 實驗步驟 102
6.1.6 實驗報告要求 107
6.2 類比軟體的輸入/輸出I/O介面硬體介紹 107
6.2.1 硬體總體框圖 107
6.2.2 輸入/輸出I/O介面系統 108
6.3 類比軟體的輸入/輸出I/O介面實驗 109
6.3.1 實驗目的 109
6.3.2 實驗內容 109
6.3.3 實驗步驟 109
6.3.4 實驗報告要求 113
第7章 微程式控制器實驗 114
7.1 實驗箱的微程式控制器實驗 114
7.1.1 微程式控制器 115
7.1.2 微程式技術資料匯總 121
7.1.3 實驗目的 129
7.1.4 實驗說明 129
7.1.5 實驗內容 129
7.1.6 實驗步驟 129
7.1.7 實驗報告要求 137
7.2 類比軟體的微程式控制器實驗 138
7.2.1 微程式控制器工作原理 138
7.2.2 實驗目的 142
7.2.3 實驗內容 142
7.2.4 實驗步驟 142
7.2.5 實驗報告要求 150
第8章 組合邏輯控制器實驗 151
8.1 實驗箱的組合邏輯控制器實驗 151
8.1.1 組合邏輯控制器 151
8.1.2 指令執行流程框圖 153
8.1.3 指令執行流程表 154
8.1.4 實驗目的 159
8.1.5 實驗內容 159
8.1.6 實驗步驟 159
8.1.7 實驗報告要求 161
8.2 類比軟體的組合邏輯控制器實驗 161
8.2.1 組合邏輯控制器工作原理 161
8.2.2 組合邏輯存儲檔 163
8.2.3 實驗目的與內容 164
8.2.4 實驗步驟 164
8.2.5 實驗報告要求 166
第9章 中斷實驗 167
9.1 實驗箱的中斷實驗 167
9.1.1 相關硬體簡介 167
9.1.2 實驗目的 168
9.1.3 實驗說明 168
9.1.4 實驗內容 168
9.1.5 實驗步驟 169
9.1.6 實驗報告要求 171
9.2 類比軟體的中斷實驗 172
9.2.1 中斷相關知識 172
9.2.2 實驗目的 174
9.2.3 實驗內容 174
9.2.4 實驗步驟 174
9.2.5 實驗報告要求 178
第10章 綜合設計 179
10.1 綜合設計基礎知識 179
10.2 類比軟體中設計實現新指令 182
10.2.1 實驗目的 182
10.2.2 實驗內容 182
10.2.3 實驗步驟 182
10.2.4 設計新指令 191
10.2.5 實驗報告要求 191
第11章 BASIC語言程式設計 192
11.1 BASIC相關知識 192
11.2 類比軟體中BASIC語言程式設計實驗 193
11.2.1 實驗目的 193
11.2.2 實驗內容 193
11.2.3 實驗要求 193
11.2.4 實驗步驟 193
附錄A 總體框圖 198
附錄B 各開關、指示燈說明 199
附錄C 運算器線路邏輯圖 200
附錄D 記憶體、介面、中斷線路邏輯圖 201
附錄E 16位元微程式控制器線路邏輯圖 202
附錄F 16位元組合邏輯控制器線路邏輯圖 203
附錄G 56位微碼簡明操作卡 204
附錄H 常用器件引腳圖 205
參考文獻 207