DB-CPTH+ 型計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)箱
DB-CPTH+ 型計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)箱是上海頂邦公司推出的一款功能強(qiáng)、性能好，軟件硬件都是的高性能計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)儀產(chǎn)品，系統(tǒng)電路采用了多片CPLD大大提高了可靠性和功能提升的可能性，軟件提供了詳盡的信息窗口、運(yùn)行圖表和多類(lèi)幫助信息，使教學(xué)的過(guò)程輕松自如。
一、系統(tǒng)特點(diǎn)
（1） 結(jié)構(gòu)清晰、實(shí)時(shí)監(jiān)視器
各單元部件都以計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)模型布局，清晰明了，各寄存器、部件均有 8 位數(shù)據(jù)指示燈顯示其二進(jìn)制值，兩個(gè)8 段碼LED 顯示其十六進(jìn)制值，清楚明了，兩個(gè)數(shù)據(jù)流方向指示燈，以直觀反映當(dāng)前數(shù)據(jù)值及該數(shù)據(jù)從何處輸出，而又是被何單元接收的。這是該產(chǎn)品的“實(shí)時(shí)監(jiān)視器”,使得系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)時(shí)即使不借助PC 機(jī)，也可實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)流狀態(tài)及正確與否,改變了其它實(shí)驗(yàn)設(shè)備為監(jiān)控狀態(tài)必須加入讀操作的不真實(shí)實(shí)驗(yàn)方法，使得學(xué)生十分容易認(rèn)識(shí)和理解計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各部件可以通過(guò)J1、J2、J3 座之間不同的連線組合，可進(jìn)行各部件獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)，也可進(jìn)行各部件組合實(shí)驗(yàn)，再通過(guò)與控制線的組合，就可構(gòu)造出不同結(jié)構(gòu)及復(fù)雜程度的原理性計(jì)算機(jī)。
（2）開(kāi)放式設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的軟硬件對(duì)用戶的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有的開(kāi)放特性。與眾不同的是:各實(shí)驗(yàn)?zāi)K的數(shù)據(jù)線、地址線與系統(tǒng)之間的掛接是通過(guò)三態(tài)門(mén)，而不是其它實(shí)驗(yàn)設(shè)備所采用的扁平連線方法，而數(shù)據(jù)線、地址線是否要與系統(tǒng)連通，則由用戶連線控制，這樣，就真實(shí)的再現(xiàn)了計(jì)算機(jī)工作步驟。需要強(qiáng)調(diào)指出的是：用“連線跨接”并不能說(shuō)明其開(kāi)放特性，而所謂的開(kāi)放性應(yīng)指的是運(yùn)算器、控制器及微程序的格式及定義能否進(jìn)行修改和重新設(shè)計(jì)。DB-CPTH+系統(tǒng)的運(yùn)算器采用了代表現(xiàn)代科技的EDA 技術(shù)設(shè)計(jì)，隨機(jī)出廠時(shí)，已提供一套已裝載的方案，能進(jìn)行加、減、與、或、帶進(jìn)位加、帶進(jìn)位減、取反、直通八種運(yùn)算方式，若用戶不滿意該套方案，也可自行重新設(shè)計(jì)并通過(guò)JTAG 口下載。控制器微格式及定義可通過(guò)鍵盤(pán)和PC 機(jī)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，從而產(chǎn)生與眾不同的指令系統(tǒng)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)線、地址線、控制線均在總線插孔區(qū)引出，并設(shè)計(jì)了40 芯鎖進(jìn)插座，供用戶進(jìn)行RAM、8251、8255、8253、8259 等接口器件的擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)提供的兩種控制器之一的組合邏輯控制器已下載有一套完整的實(shí)驗(yàn)方案，用戶也可使用CPLD 工具在PC 機(jī)上進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)。
開(kāi)放式設(shè)計(jì)的特點(diǎn)還在于，用戶可以設(shè)計(jì)自己的指令/微指令系統(tǒng)。系統(tǒng)中已帶有兩套指令/微程序系統(tǒng)，用戶可參照來(lái)設(shè)計(jì)新的指令/微程序系統(tǒng)。
（3）支持中斷實(shí)驗(yàn)
采用層的器件設(shè)計(jì)而非有些產(chǎn)品所采用的集成器件 8259，從而讓學(xué)生可以從微程序?qū)用嫔蠈W(xué)習(xí)中斷請(qǐng)求、中斷響應(yīng)、中斷處理、中斷入口地址的產(chǎn)生、中斷服務(wù)程序及中斷返回（RETI）整個(gè)過(guò)程。專(zhuān)家指出：“中斷”是單片機(jī)、微機(jī)、DSP 等學(xué)科中的功能，故應(yīng)在計(jì)算機(jī)原組成原理這門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科中對(duì)其進(jìn)行充分的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)。
(4) 兩種控制器方式
系統(tǒng)提供兩種控制器方式，即微程序控制器和組合邏輯控制器。在微程序控制器中，系統(tǒng)能提供在線編程，實(shí)時(shí)修改程序，顯示程序并調(diào)試進(jìn)行的操作環(huán)境。組合邏輯控制器，已下載有一套完整的實(shí)驗(yàn)方案，用戶也可使用CPLD 工具在PC 機(jī)上進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)。微程序控制器和組合邏輯控制器兩種類(lèi)型都有流水和非流水兩種方案。
（5） 三種工作方式
1、手動(dòng)方式——不連PC 機(jī)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)儀的開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用LCD 及各部件的8 個(gè)狀態(tài)LED，兩個(gè)LED 數(shù)碼管觀察運(yùn)行狀態(tài)和結(jié)果，手動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；
2、聯(lián)機(jī)方式——連PC 機(jī)，通過(guò)WINDOWS 調(diào)試環(huán)境及圖形方式進(jìn)行更為直觀的實(shí)驗(yàn)。在WINDOWS 調(diào)試環(huán)境中提供了功能強(qiáng)大的邏輯分析和跟蹤功能，既可以以波形的方式顯示各邏輯關(guān)系，也可在跟蹤器中，觀察到當(dāng)前狀態(tài)的說(shuō)明及提示；
3、脫機(jī)方式——不連PC 機(jī)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)儀的鍵盤(pán)輸入程序、微程序，用LCD 及各部件的8 個(gè)狀態(tài)LED，兩個(gè)LED 數(shù)碼管觀察運(yùn)行狀態(tài)和結(jié)果，手動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；
（6）完善的尋址方式
累加器尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、立即數(shù)尋址、存儲(chǔ)器尋址；
（7）運(yùn)算器和控制器采用CPLD LC4256芯片,支持VHDL語(yǔ)言、Verlog語(yǔ)言和圖形化語(yǔ)言.
（8）邏輯分析儀
對(duì)于教師而言，不難體會(huì)要講清時(shí)序關(guān)系是不容易的。而學(xué)生理解并利用時(shí)序關(guān)系則難上加難。而由于現(xiàn)代集成技術(shù)的迅猛發(fā)展，在實(shí)際工作中需要更多的利用邏輯分析工具進(jìn)行時(shí)序分析。 計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具備高性能邏輯分析功能，老師可通過(guò)電化教學(xué)設(shè)備向?qū)W生現(xiàn)場(chǎng)展示指令與時(shí)序的關(guān)系，可讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)直觀地觀測(cè)到指令與時(shí)序的關(guān)系，可有效的提高教學(xué)效果。
（8）豐富的調(diào)試手段，具有單步、微單步、運(yùn)行、暫停等功能。
（9）通過(guò)實(shí)驗(yàn)儀或PC機(jī)鍵盤(pán),在線動(dòng)態(tài)修改寄存器、程序/微程序計(jì)數(shù)器、程序/微程序存貯器的內(nèi)容。
（10）具有系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)功能，能精確顯示故障位置。
（11）支持USB通訊連接，可以適應(yīng)筆記本，臺(tái)式機(jī)等多種機(jī)型，運(yùn)行環(huán)境為Windows2000/XP/ Win7/Win8系統(tǒng)。
二、系統(tǒng)組成
系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)主板、調(diào)試軟件、內(nèi)置開(kāi)關(guān)電源組成。
采用數(shù)字電路設(shè)計(jì)“組成原理”，以便從層來(lái)展現(xiàn)“原理”之精髓，采用CPLD設(shè)計(jì)運(yùn)算器和微程序控制器。
系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主板有：寄存器組、運(yùn)算單元、累加器A暫存器W、直通/左移/右移單元、地址寄存器、程序計(jì)數(shù)器、堆棧、中斷源、輸入/輸出單元、存儲(chǔ)器單元、微地址寄存器、指令寄存器、微程序控制器、組合邏輯控制器、擴(kuò)展座、總線插孔區(qū)、微動(dòng)開(kāi)關(guān)/指示燈、邏輯筆、脈沖源、MCS-51智能管理單片機(jī)、24個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)、4*6矩陣鍵盤(pán)、字符式LCD、RS232口、USB通訊口。
三、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目
模型機(jī)模塊實(shí)驗(yàn)
（1）寄存器實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)1：A，W 寄存器實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)2：R0，R1，R2，R3 寄存器實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)3：MAR 地址寄存器，ST 堆棧寄存器，OUT輸出寄存器
（2）運(yùn)算器實(shí)驗(yàn) （加、減、或、與、帶進(jìn)位加、帶進(jìn)位減、A取反、A輸出，共8種運(yùn)算。）
（3）數(shù)據(jù)輸出實(shí)驗(yàn)/移位門(mén)實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)1：數(shù)據(jù)輸出實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)2：移位實(shí)驗(yàn) （位左移；位右移）
（4）微程序計(jì)數(shù)器UPC 實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)1：uPC 加一實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)2：uPC 打入實(shí)驗(yàn)
（5）PC 實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)1：PC 加一實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)2：PC 打入驗(yàn)
（6）存儲(chǔ)器EM 實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)1：PC/MAR 輸出地址選擇
實(shí)驗(yàn)2：存儲(chǔ)器EM 寫(xiě)實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)3：存儲(chǔ)器EM 讀實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)4：存儲(chǔ)器打入IR指令寄存器/uPC實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)5：使用實(shí)驗(yàn)儀小鍵盤(pán)輸入EM
（7）微程序存儲(chǔ)器UM 實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)1：微程序存儲(chǔ)器uM 讀出
實(shí)驗(yàn)2：使用實(shí)驗(yàn)儀小鍵盤(pán)輸入uM
（8）中斷實(shí)驗(yàn)
（9）模型機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)（微程序控制器）
實(shí)驗(yàn)1：數(shù)據(jù)傳送實(shí)驗(yàn)/輸入輸出實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)2：數(shù)據(jù)運(yùn)算實(shí)驗(yàn)（加/減/與/或）
實(shí)驗(yàn)3：移位/取反實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)4：轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)5：調(diào)用實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)6：中斷實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)7：指令流水實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)8：RISC 模型機(jī)
（10）組合邏輯控制
實(shí)驗(yàn)1：組合邏輯控制器
實(shí)驗(yàn)2：用CPLD實(shí)現(xiàn)運(yùn)算器功能
（11）設(shè)計(jì)指令/微指令系統(tǒng)
（12）模型機(jī)擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)
擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)一：用8255 擴(kuò)展I/O 端口實(shí)驗(yàn)
擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)二：用8253 擴(kuò)展定時(shí)器試驗(yàn)
注：實(shí)驗(yàn)（1）～（8）為手動(dòng)微代碼控制，（9）～（12）為微程序或組合邏輯控制。
四、上位軟件截圖
(1) 具有微程序?qū)崟r(shí)流程圖界面，可從微程序運(yùn)行角度來(lái)觀察和調(diào)試計(jì)算機(jī)指令運(yùn)行過(guò)程。
(2) RISC結(jié)構(gòu)模型計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)圖形調(diào)試界面。(調(diào)試時(shí)需調(diào)入RISC微指令系統(tǒng)和程序riscfile.mic)
（3）指令流水結(jié)構(gòu)模型計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)圖形調(diào)試界面。(調(diào)試時(shí)需調(diào)入指令流水微指令系統(tǒng)和程序INSFILE2.mic)
(4) 重疊結(jié)構(gòu)模型計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)圖形調(diào)試界面。(調(diào)試時(shí)需調(diào)入重疊結(jié)構(gòu)微指令系統(tǒng)和程序INSFILE1.mic)
(5) 運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器等計(jì)算機(jī)各部件的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖形調(diào)試界面,豐富的調(diào)試手段，具有單步、微單步、運(yùn)行、暫停等功能,圖形畫(huà)面以不同顏色實(shí)時(shí)顯示不同數(shù)據(jù)流向，簡(jiǎn)潔明了，生動(dòng)形象。
(6)圖示幫助界面，點(diǎn)擊相應(yīng)的寄存器或存儲(chǔ)器模塊，即可查看該單元硬件電路圖。
（7）提供邏輯分析儀功能：老師可通過(guò)電化教學(xué)設(shè)備向?qū)W生現(xiàn)場(chǎng)展示指令與時(shí)序的關(guān)系，可讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)直觀地觀測(cè)到指令與時(shí)序的關(guān)系，可有效的提高教學(xué)效果。
