《计算机组成原理》实验

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1、实验一、运算实验算术逻辑一、实验目的1、 掌握简单运算器的数据传送通路2、 验证运算功能发生器（74LS181）的组合功能二、实验设备CCT-IV计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。三、 实验原理实验中的运算器由两片74LS181构成。运算器的输出经过一个三态门74LS245和数据总线相连，运算器的两个数据输入端，分别由二个锁存器74LS273锁存，锁存器的输入端和数据总线相连，数据输入输出都通过总线完成；数据显示灯（“BUSUNIT”）与数据总线相连，用来显示数据总线内容。实验中的数据输入由数据开关（“INPUTDEVICE”）给出，并经过三态门74LS245和数据总线相连，数据输出可

2、以经总线输出至七段数码管（“OUTPUT DEVICE”）显示W/R UNITT4STATE UNITKK2ALU UNITAR AUJ3ALU-BS3-CN LDDR1LDDR2 BUS UNIT SW-BALU-B S3-CN LDDR1LDDR2 ARSWITCH UNIT SWJ3 SW-BINPUT DEVICE 图1-1算术逻辑运算实验接线图数据显示灯CNALU-BF3F0 CNCN+4 ALU(181)M A3A0B3B0B7B074LS245A7A0CN+4 F3F0ALU(181) CNM A3A0B3B0S3S2S1S0MQ7Q4 Q3Q0DR(273)D7D0Q7Q4 Q

3、3Q0DR(273)D7D0LDDR1 T4LDDR2三态门245SW-B数据开关图1-2运算器数据通路图12中T4为脉冲信号，其它均为电平信号。在实验中，只需将“W/R UNIT”的T4接至“STATEUNIT”的微动开关的输出端，按动微动开关，即可获得实验所需的单脉冲，而S3、S2、S1、S0、Cn、M、LDDR、ALU-B、SW-B各电平控制信号用“SWITCH UNIT”中的二进制数据开关来模拟，其中Cn、ALU-B、SW-B为低电平有效，LDDR1，LDDR2为高电平有效CnCyQ74LS74D+5VART4CnCn+4图1-3进位控制部件进位控制运算的实验，是在前面实验的基础上增加

4、进位控制部分（如1-3图所示），其中181的进位进入一个74锁存器，其写入是由T4的AR信号控制，T4是脉冲信号，实验时将T4连至“STATE UNIT”的微动开关KK2上。AR是电平控制信号，可用于实现带进位控制实验，而T4脉冲是将本次运算的进位结果锁存到进位锁存器中。四、 实验内容1、按图1-1实验接线图连接线路，仔细查线无误后，接通电源。2、用二进制数码开关分别向DR1和DR2寄存器置数01100101，10100111。打开数据输入三态门SW-B=0 关闭运算器输出三态门ALU-B=1向寄存器DR1传送数据，数据开关置01100101，LDDR1=1，LDDR2=0，按下KK2，产生T

5、4信号向寄存器DR2传送数据，数据开关置10100111，LDDR1=0，LDDR2=1，按下KK2，产生T4信号关闭数据输入三态门SW-B=1，打开运算器输出三态门ALU-B=0当置S3、S2、S1、S0、M为11111时，总线指示灯DR1中的数，而置成10101时总线指示DR2中的数。3、验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能，在给定DR1=65，DR2=A7的情况下，改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，填入表中，并和理论分析进行比较、验证，更改DR1，DR2的数据，再进行实验，进一步验证输入输出DR1:A=65、DR2:B=A7M=0M=1S3 S2 S1 S0Cn=1Cn=0C

6、n=*0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1表1-14、进位标志清零操作,S3S2S1S0M的状态置为00000，AR状态置为0，按动开关KK2。5、验证带进位运算及进位锁存功能，使Cn=1，Ar=0，SW-B=1来进行带位算术运算,做加法运算，首先向DR1，DR2置数，然后使ALU-B=0，S3S2S1S0，M状态为10010（加）及01100（减），此时数据总线上显示的数据为DR1加DR2加当前进位标志，这

7、个结果是否产生进位，则要按动开关KK2，若进位标志灯亮，表示没进位；反之，有进位，更改DR1，DR2的数据，再进行实验，进一步验证，并将结果记录到下表。S3 S2 S1 S0 M=1 0 0 1 0S3 S2 S1 S0 M=0 1 1 0 0ABCn=1Cn=0Cn=1Cn=0DR1DR2CyFCyFCyFCyF表1-2实验二、存储器实验一、实验目的掌握静态随机存储器RAM工作特性及数据的读写方法二、实验设备CCT-IV计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。三、 实验原理数据灯 OED7D06116A10A8A7A0CEWE T3地址灯AD7AD0AR（273）LDART3三态门245S

8、W-B数据开关图2-1存储器实验原理图实验所用的半导体静态存储器电路原理如图所21所示，实验中的静态存储器由一片（）构成，其数据线接至数据总线，地址线由地址锁存器（74LS273）给出。地址灯AD0-AD7与地址线相连，显示地址线内容。数据开关经一三态门（74LS245）连至数据总线，分时给出地址和数据。因地址寄存器为8位，6116的地址A7-A0，而高三位A8-A10接地，所以其实际容量为256字节。6116有三个控制线：CE（片选线）、OE（读线）、WE（写线）。当片选取有效（CE=0）时，OE=0时进行读操作，CE=0、WE=1时进行写操作，其写时间与T3脉冲宽度一致。实验时将T3脉冲接

9、至实验板上时序电路模块的TS3相应的插孔中，其脉冲宽度可调，其它电平控制信号由“SWITCH UNIT”单元的二进制开关模拟，其中SW-B为低电平有效，LDAR为高电平有效。四、实验内容W/R UNITT3 WE STATE UNIT TS3 SIGNAL UNITH23MAIN MEND7D0 A7A0 W/R CE W/R EXT BUS AD0AD7 BUS UNIT D0D7 ADDRES UNITLDAR SW-B LDAR CE WESWITCH UNIT SWJ3 SW-BINPUT DEVICE2-2存储器实验接线图1. 形成时钟脉冲信号T3，具体接线方法和操作步骤如下：接通电

10、源,调节电位器W1使H24端输出实验所期望的频率的方波（可用示波器观察）将时序电路模块中的和H23排针相连，CLR置1在时序电路模块中有两个二进制开关“STOP”和“STEP”。将“STOP”开关置为“RUN”状态、“STEP”开关置为“EXEC”状态时，按动微动开关START，则T输出连续的方波信号民，此时调节电位器W1，用示波器观察，使T3输出实验要求的脉冲信号。当“STOP”开关置为“RUN”状态、“STEP”开关置为“STEP”状态时，每按动一次微动开关START，则T3输出一个单脉冲，其脉冲宽度与连续方式相同。2. 按图22连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。由于存储器模块内部连线

11、已经好，因此只需完成实验电路的形成，控制倍模拟开关、时钟脉冲信号T3与存储模块的外部连接。3. 给存储器的00、01、02、37地址单元中分别写入数据11、12、，具体步骤如下：(以向0号单元写入11为例)数据开关置00000000，SW-B=1打开输入三态门SW-B=0，不选内存CE1传送至地址寄存器LDAR1，按下START数据开关置数00010001,打开内存地址输入门LDAR0选择内存CE0，写入内存WE1，按下START4. 依次读出第00、01、02、37单元中的内容，观察上述各单元中的内容是否与前面写入的一致。具体操作步骤如下：(以从0号单元读出11数据为例)数据开关置00000

12、000，SW-B=1打开输入三态门SW-B=0，不选内存CE1传送至地址寄存器LDAR1，按下START关闭输入三态门SW-B=1，选择内存CE0，读内存WE0重复上面四步，开关数据每次加1比较前面输入数据及后面输出数据是否一致，并填入下表地址内容地址内容地址内容地址内容0000-00000000-00000000-10000000-00000010-00000011-00000000-00010001-00000000-10010010-00010011-00010000-00100000-10100000-10100000-00010010-00100011-00100000-001100

13、10-00000000-10110010-00110011-00110000-01000000-10110000-11000010-01000011-01000000-01010011-00000000-11010010-01010011-01010000-01100000-10110000-11100010-01100011-01100000-01110100-00000000-11110010-01110011-0111表2-1实验四、模型机设计与实现一、实验目的1、 掌握部件单元实验的基础上，进一步将其组成系统构造一台基本模型计算机2、 为其定义五条机器指令，并编写相应的微程序，具体上机

14、调试掌握整机概念二、实验设备CCT-IV计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。三、实验原理部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本次实验将能在微程序控制下自动产生名部件单元控制信号，实现特定指令的功能。这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到一条机器指令执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。本实验采用五条机器指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移）其指令格式如下（前4位为操作码）：助记符机器指令码说明IN0000-0000“INPUT

15、 DEVICE”中的开关状态R0ADD addr0001-0000*-*R0+addrR0STA addr0010-0000*-*R0addrOUT addr0011-0000*-*addrBUSJMP addr0100-0000*-*AddrPC其中IN为单字长（8位），其余为双字长指令，*-*为addr对应的二进制地址码。为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，还必须设计三个控制台操作微程序。存储器读操作(KRD)：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA为“00”时，按START微动开关，可对RAM连续手动读操作。存储器写操作(KWE)：拨动总清开关CLR

16、后，控制台开关SWB、SWA为“01”时，按START微动开关，可对RAM连续手动写入。启动程序(RP)：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA为“11”时，按START微动开关，即可转入到第01号“取址”微指令，启动程序运行。上述三条控制台指令用两个开关SWB、SWA的状态来设置，其定义如下：SWBSWA控制台指令001011读内存(KRD)写内存(KWE)启动程序(RP) 表6-1根据以上要求设计数据通路框图，微代码定义如表6-2所示242322212019181716151413121110987654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCA5A5A5A5A5A015选择

17、000001LDRi010LDDR1011LDDR2100LDIR101LOAD110LDAR 987选择000001P(1)010011100P(4)101110LDPC 121110选择000001RS-B010011100101ALU-B110PC-B 表6-2当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试为P(1)测试。由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P(1)的测试结果出现多路分支。本机用指令寄存器的前4位(IR7-IR4)作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定微地址单元。控制台操作为P(4)测试，它以控制台开关SWB、SWA作为测试条件，出现了3路分支，占用3个固

18、定微地址单元。当分支微地址单元固定后，剩下的其它地方就可以一条微指令占用控存一个微地址单元。注意：微程序流程图上的单元地址为8进制。当全部做程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表6-2即将图6-3的微程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制代码表”。下面介绍指令寄存器(IR)：指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到缓冲寄存器中，然后再传送到指令寄存器。指令划分为操作码和地址码，由二进制数构成，为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试P(1)，通过节拍脉冲T4的控制以便识别所要求的操作。“指令译码器”(实验板上标有“INS DECODE”的芯片)，根据

19、指令中的操作码译码强置微控器单元的微地址，使下一条微指令指向相应的微程序首地址。本系统有两种外部I/O设备，一种是二进制代码开关，它作为输入设备(INPUT DEVICE)另一种是数码块，它作为输出 设备(OUTPUT DEVICE)。例如：输入时，二进制开关数据直接经过三态门送到 外部数据总线上，只要开关状态不变，输入的信息也不变。输出时，将输出数据送到外部数据总线上，当写信号民(W/R)有效时，将数据打入输出锁存器，驱动数码块显示。表6-3 二进制代码表微地址S3 S2 S1 S0 M Cn WE A9 A8A.BCUA5UA0000000000110 0 00 0 01 0 00 1 0

20、 0 0 0010000000111 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 0020000000011 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 0030000000011 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0040000000010 1 10 0 00 0 00 0 0 1 0 1050000000110 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 0061001010110 0 11 0 10 0 00 0 0 0 0 1070000000011 1 00 0 00 0 00 0 1 1 0 110.0000000000 0 10 0 00 0 00 0 0 0

21、0 1110000000111 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 1120000000111 1 01 1 01 1 00 0 0 1 1 1130000000111 1 01 1 01 1 00 0 1 1 1 0140000000111 1 01 1 01 1 00 1 0 1 1 0150000001010 0 00 0 10 0 00 0 0 0 0 1160000000011 1 00 0 00 0 00 0 1 1 1 1170000000010 1 00 0 00 0 00 1 0 1 0 1200000000111 1 01 1 01 1 00 1 0 0 1 02

22、10000000111 1 01 1 01 1 00 1 0 1 0 0220000000010 1 00 0 00 0 00 1 0 1 1 1230000000110 0 00 0 00 0 00 0 0 0 0 1240000000000 1 00 0 00 0 00 1 1 0 0 0250000011100 0 01 0 10 0 00 0 0 0 0 1260000000011 0 10 0 01 1 00 0 0 0 0 1270000011100 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 0300000011010 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 1本实验设计

23、机器指令程序如下：地址内容助记符说明0000-00000000-0000IN“INPUT DEVICE”R00000-00010001-0000ADD0AHR0+0AHR00000-00100000-10100000-00110010-0000STA0BHR00BH0000-01000000-10110000-01010011-0000OUT0BH0BHBUS0000-01100000-10110000-01110100-0000JMP00H00HPC0000-10000000-00000000-10010000-10100000-00010000-1011四、实验内容1、按连线图连接实验线路

24、2、写程序(手动写入)先将机器指令对应的微代码正确写入2816中，由于在实验五微程序控制实验中已将微代码写入EEPROM苦尽甜来中，对照表6-2校验正确后就可使用。使用KWE和KRD微程序进行机器指令程序的装入和检查。A 使编程开关处于“RUN”，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态。B 拨动总清开关CLR(01)，微地址寄存器清零，程序计数器清零。然后使控制台SWB、SWA开关置为“01”，按动一次启动开关START，微地址显示灯显示“010001”，再按动一次启动开关START，微地址显示灯显示“010100”，此时数据开关的内容置为要写入的机器指令，按动一次我START键

25、，即完成该条指令的写入。若仔细阅读KWE的流程，就不难发现，机器指令的首地址只要第一次给入即可，PC会自动加1，所以，每次按动START，只有在微地址灯显示“010100”时，才设置内容，直到所有机器指令写完。C 写完程序后须检验。拨动总清开关处于CLR(01)后，微地址清零 ，PC程序计数器清零，然后使控制台开关SWB、SWA为“00”，按动启动开关START，微地址灯显示“010000”后按START，微地址灯显示“010010”时，第三次按START，微地址灯显示为“010000”，些时总线单元 的显示灯显示为该首地址的内容。不断按动START，可检查后续单元内容，注意：每次仅在微地址灯

26、显示为“010000”时，显示灯的内容才是相应地址中的机器指令内容。(1) 运行程序单步运行程序A使编程开关处于“RUN”状态STEP为“STEP”状态，“STOP”为“RUN”状态。B拨动总清开关CLR(01)后，微地址清零，PC计数器清零，程序首地址为00H。然后使控制台SWB、SWA开关置为“11”，按动一次启动开关START，微地址显示灯由显示“000000”到“010011”后，按动一次启动开关START，微地址显示灯显示“000001”，每按动一次START键执行一条微指令，每条指令由若干条微指令组成。C单步运行一条微指令，每按动一次START键，即单步运行一条微指令。对照微程序流程图，观察微地址显示灯是否和流程一致。D 运行结束后，可检查存数单元(0B)中的结果是否和理论值一致。连续运行程序A 使“STATE UNIT”中的STEP开关置于“EXEC”状态。STOP开关置为“RUN”状态。B 拨动CLR开关，清微地址及PC计数器，按动START，系统连续运行程序，稍后将STOP拨至“STOP”时，系统停机。C 停机后，可检查存数单元(0B)结果是否正确。(2) 填写每一条微指令执行过程中各寄存器的变化MPC微指令机器码PC指令机器码ARBUS灯IRDRDR2R0lEDIN