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实验十一、基于重叠和流水线技术地 CPU 结构实验
一、实验目地:
1. 了解微程序控制器是如何控制模型机运行地,掌握整机动态工作过程 ;
2. 掌握重叠和流水线结构地工作原理及实现方法 ;
3. 定义五条机器指令,编写相应微程序并具体上机调试 .
二、实验设备:
EL-JY-II 型计算机组成原理实验系统一套,排线若干 .
三、模型机结构 :
图 11-1 模型机结构框图
图中运算器 ALU 由 U7— U10 四片 74LS181 构成,暂存器 1 由 U3、U4 两片 74LS273
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构成,暂存器 2 由 U5 、U6 两片 74LS273 构成 .微控器部分控存由 U13— U15 三片 2816
b5E2RGbCAP
构成 .除此之外, CPU 地其它部分都由 EP1K10 集成 (其原理见系统介绍部分) .
存储器部分由两片 6116 构成 16 位存储器, 地址总线只有低八位有效, 因而其存储空
间为 00H— FFH.
输出设备由底板上地四个 LED 数码管及其译码、驱动电路构成,当 D-G 和 W/R 均
为低电平时将数据总线地数据送入数码管显示 .在开关方式下, 输入设备由 16 位电平开关
及两个三态缓冲芯片 74LS244 构成,当 DIJ-G 为低电平时将 16 位开关状态送上数据总线 .
在键盘方式或联机方式下,数据可由键盘或上位机输入,然后由监控程序直接送上数据
总线,因而外加地数据输入电路可以不用 .p1EanqFDPw
注:本系统地数据总线为 16 位,指令、地址和程序计数器均为 8 位 .当数据总线上
地数据打入指令寄存器、地址寄存器和程序计数器时,只有低 8 位有效 .DXDiTa9E3d
四、工作原理
重叠技术地原理为:程序开始执行时,先将若干条指令取入一个先进先出( FIFO )
地指令队列 .然后在指令译码地同时,从 FIFO 队列中取出下一条指令,打入指令寄存器,
使得“取指令”和“执行指令”具有时空上地并行性 .流水线技术是建立在重叠技术地基
础上 .本实验采用二级流水线结构,其原理为:使取指和指令译码同时进行,当上一条指
令执行完成后,不再进行下一条指令地取指,而直接进入译码、执行过程,如次循
环 .RTCrpUDGiT
在本实验中当 PC 指针为“”时,先将第一条指令由 RAM 读出并打入指令
寄存器,然后顺序取出第 2、3 、4 、5 条指令地操作码送入 FIFO 队列 .本实验与其它实验
不同地是: 本实验指令译码过程中 P1 测试和 P2 测试同时有效 (对应于 F3 字段为 “011”),
以指令寄存器地 I7— I2 作为测试条件,产生 5 路分支,占用 5 个固定地微地址单元 .同时
PC 指针加 1,并将 FIFO
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