计算机组成原理实验.ppt

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1、计算机组成原理实验,计算机组成原理实验绪论,内容提要 1. 实验装置各单元介绍 2. 实验设备的数据通路结构 3. 实验准备和实验注意事项,3,4,实验装置各单元介绍,1运算器单元(ALU UNIT) 2计数器与地址寄存器单元(ADDRESS UNIT) 3指令寄存器单元(INS UNIT) 4时序电路单元(STATE UNIT),5,实验装置各单元介绍 (续),5微控器电路单元(MICRO-CONTROLLER UNIT) 6.逻辑译码单元(LOG UNIT) 7主存贮器单元(MAIN MEM) 8输入设备单元 (INPUT DEVICE),6,实验装置各单元介绍 (续),9输出设备单元(O

2、UTPUT DEVICE) 10总线单元(BUS UNIT) 11控制信号发生单元(W/R UNIT) 12扩展总线单元(EXT BUS) 13外总线单元(EX UNIT),7,实验装置各单元介绍 (续),14逻辑信号测量单元(OSC UNIT) 15单片机控制单元(8051 UNIT) 16开关单元(SWITCH UNIT) 17指示灯单元(LED UNlT) 18PLD单元,8,实验设备的数据通路结构,9,实验准备和实验注意事项,1、完成实验的方法是先找到实验板上相应的丝印字及其对应的引出排针，将排针用电缆线连接起来，连接时要注意电缆线的方向，不能反向连接；如果实验装置中引出排针上已表明两

3、针相连，此时可以只使用一根线连接。 2、本实验装置的发光二极管的指示灯亮时表示信号为“0”，灯灭时表示信号为“1”。 3、实验接线图中带有圆圈的连线为实验中要接的线。,实验一 算术逻辑运算实验,内容提要 1. 实验目的 2. 实验原理 3. 实验内容 4. 实验步骤,11,算术逻辑运算实验目的,1了解运算器的组成结构； 2掌握运算器的工作原理； 3掌握运算器的数据传送通路； 4验证运算功能发生器(74LSl81)的组合功能。,12,算术逻辑运算实验原理,13,1、在运算器数据通路图中,DR1、DR2连接到74LS181时为什么要交叉？ 2、两个4位的74LS181是如何构成8位的ALU的？ 3

4、、两个三态门74LS245的控制有何限制？数据输入DR1、DR2时控制有何限制？,实验预习检查内容,14,算术逻辑运算实验内容,1输入数据通过三态门74LS245后经过数据总线在数据显示灯和数码显示管LED上直接显示。 2输入数据通过三态门74LS245后输入DR1(或DR2)、ALU，再在数据显示灯和数码显示管LED上显示。 3将输入DR1和DR2中的两个数进行算术逻辑运算，验证ALU的功能，结果在数据显示灯和数码显示管LED上显示。,15,算术逻辑运算实验步骤1-1,(1) 按下图连接实验线路，仔细查线无误后，接通电源。,16,算术逻辑运算实验步骤1-2,（2）用二进制数码开关输入数据65

5、(十六进制)，观察总线数据显示灯和LED的变化。设置：,17,算术逻辑运算实验步骤2-1,(1) 重新按下图连接实验线路，仔细查线无误后，接通电源,18,算术逻辑运算实验步骤2-2,使用以下操作步骤向DRl寄存器中置入数据65。设置：,19,算术逻辑运算实验步骤2-3,检查输入DRl寄存器中的数据是否正确。操作步骤如下，设置：,20,算术逻辑运算实验步骤2-3,检查输入DR2寄存器中的数据是否正确。操作步骤如下，设置：,21,算术逻辑运算实验步骤3,将输入DR1和DR2中的两个数进行算术逻辑运算，验证ALU的功能，结果在数据显示灯和数码显示管LED上显示 (1) 接线图同2，保持DR1,DR2

6、中的数据不变，若不知道DR1,DR2中是否有数据，可按实验步骤2中的(3)去检查； (2) 通过“SWITCH UNIT”改变开关S3、S2、S1、S0、Cn、M的值，可将两数进行不同的运算(具体完成的操作见181的功能表)，然后填写下表：,22,算术逻辑运算实验步骤3,进位控制实验,实验二 进位控制实验,内容提要 1. 实验目的 2. 实验原理 3. 实验内容 4. 实验步骤,24,进位控制实验目的,1掌握运算器的工作原理、运算器的数据传送通路。 2验证带进位控制的运算器的功能； 3验证运算功能发生器(74LSl81)的组合功能。,25,进位控制实验原理,26,1、本次运算的进位是如何进行锁

7、存的？ 2、AR，Cn是如何控制带进位加法的？控制信号Cn设为0与锁存信号为0的含义是否相同？ 3、进行运算时为什么要关闭DR1,DR2?,实验预习检查内容,27,进位控制实验内容,通过输入两组不同的数据(一组产生进位，一组不产生进位)，完成指定的运算，观察进位显示，以及进位对ALU下一步操作的影响。,28,进位控制实验步骤1,按图22连接实验线路，仔细查线无误后，接通电源,29,进位控制实验步骤2-1,用二进制数码开关向DR1和DR2寄存器置数55H和AAH ，具体方法同实验一 。,30,进位控制实验步骤2-2,检查DR1和DR2中的数，检查方法见本实验一 。注意保持AR信号为1。,31,进

8、位控制实验步骤2-3,进位标志清零，具体操作方法是：让CLR开关做101操作。 实验板中“SWITCH UNIT”单元中的CLR开关为标志CY、ZI的清零开关，它为零时是清零状态，所以将此开关做101操作，即可使标志位清零。,32,进位控制实验步骤2-4,验证带进位的运算及进位锁存功能。,33,进位控制实验步骤2-5,输入另一组数据FFH，01H到DR1和DR2中，重复(2)、(3)、(4)、(5)的步骤，观察CY，ZI显示灯以及运算结果。,34,进位控制实验步骤2-6,当刚才运算的进位已经锁存到74LS74时，输入另一组数据FFH，01H到DR1和DR2中，观察进位灯及结果。,35,进位控制

9、实验步骤2-7,输入另一组数据0EH，01H到DR1和DR2中，观察进位灯及结果。,实验三 移位运算实验,37,实验目的,1了解移位发生器74LS299的功能。 2验证移位控制电路的组合功能。,38,实验原理,使用了一片74LS299作为移位发生器，其8位输入/输出端可连接至内部总线。74LS299移位器的片选信号为299B,在低电平时有效。T4为其控制脉冲信号，由“W/R UNIT”单元中的T4接至“STATE UNIT”单元中的单脉冲发生器KK2上而产生，S0、S1、M作为移位控制信号，此移位控制逻辑功能表如表3-1所示。,39,40,表3-1 移位控制逻辑功能表,41,实验内容,1输入数

10、据,进行移位操作,输出结果,并观察。,42,01101101 01101101 10110110 循环右移一次,43,001101101 01101101 001101101 01101101 10110110 100110110 100110110 010011011 带进位循环右移一次,进位,数据位,44,74LS299,开关单元,SW-B,299-B,45,实验四 静态随机存储器实验,47,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、存储器的组成方法。,48,实验原理,49,实验内容,1. 向存储器中指定的地址单元输入数据,地址先输入AR寄存器，在地址灯上显示;再将数据送

11、入总线后，存到指定的存储单元，数据在数据显示灯和数码显示管显示。 2. 从存储器中指定的地址单元读出数据, 地址先输入AR寄存器,在地址灯显示; 读出的数据送入总线, 通过数据显示灯和数码显示管显示。,50,实验线路,51,实验要求,实验五 数据传送实验,53,实验目的,1理解总线的概念及其特性: 三态控制,单向双向传送等； 2掌握总线传输控制特性； 3. 掌握组成计算机的五大部件之间的连接。,54,实验原理,55,实验内容,1输入设备将一个数打入R0寄存器； 2输入设备将另一个数(存储器地址)打入地址寄存器AR； 3将R0寄存器中的数写入到地址寄存器指定的存储器地址单元中； 4将存储器指定地

12、址单元中的数读出用LED数码管显示。,56,实验线路,63H-20H 64H-21H,实验六 微控制器实验,内容提要 1. 实验目的 2. 实验原理 3. 实验内容 4. 实验步骤,58,微控制器实验目的,1掌握微程序控制器的组成原理; 2. 掌握微程序流程图的编制和微指令的设计方法。,59,实验原理,60,实验原理,在编制微程序之前，必须确定微指令的格式。在实验中使用的模型机的微指令格式如下表给定，长度共24位。,61,实验原理,S3-S0、M、Cn是ALU功能选择信号，每位的含义见实验一的74LS181逻辑功能表。,62,实验原理,WE是存储器读写控制信号，1为写操作，0为读操作。,63,

13、实验原理,A9和A8外设选择译码信号，当A9A8=00时，选中Y0，当A9A8=01时，选中Y1，当A9A8=10时，选中Y2，当A9A8=11时，选中Y3。 由图71，INPUT DEVICE使用Y0，MAIN MEM使用Y1，OUTPUT DEVICE使用Y2。,64,实验原理,A、B、C是三个译码字段，分别译出多个控制位， A、B、C字段的含义如下:,65,A,B,C 的含义,66,实验原理,注意：在本实验中，LDRi信号直接与寄存器单元的LDRO相连、RS-B信号直接与寄存器单元的RO-B相连。,67,实验原理,68,实验原理,P(1)-P(4)是4个测试字位，其功能是根据机器指令进行

14、译码，使微程序转入相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序、分支或循环运行。指令译码的译码电路如图6-3所示。图中I2-I7为指令寄存器的第2-7位输出。,69,实验原理,70,71,实验原理,SE5-SE1为微控制器微地址锁存器的强置位端，低有效，分别强行置位A4-A0，比如SE2=0,则A1=1。本电路主要是通过指令寄存器的各位的值、各个测试字段P(1)-P(4)，以及控制台信号SWA、SWB来强制改变微程序的执行流程。,72,实验原理,A5A0是下址字段，表示下一条微指令的地址。,73,实验内容,1、设计以下机器指令的微程序 IN 指令，其功能是：“INPUT DEVICE”中的开关状态R

15、0 机器码格式： XXXXXXXX ADD data 指令，其功能是：RO+dataR0 机器码格式： XXXXXXXX XXXXXXXX OUT 指令，其功能是：R0LED 机器码格式：XXXXXXXX 2、将微程序下载到控制存储器中并运行,74,实验步骤,1、写出每条机器指令的操作步骤和控制信号,如IN指令： (1)PC-AR 信号：PB-B、LDAR (2)PC+1 信号： LDPC (3)MEM-DB 信号：W/R=1、CE=0 (4)DB-IR 信号：LDIR、P(1) (5)INPUT-DB 信号：SW-B=0 (6)DB-R0 信号：LDR0=1,75,实验步骤,2、画出每条机器

16、指令的微程序流程图 在流程图中，每一个矩形框代表一条微指令。并非所有的控制信号都能安排在一条微指令中，确定微指令的原则是：（1）写总线的微操作不能安排在同一条微指令中；（2）当一微操作使用T4节拍时，其后续微操作不能与它安排同一条微指令中。 如IN指令的流程图如右图所示。,IN指令步骤和信号 (1)PC-AR 信号：PB-B、LDAR (2)PC+1 信号： LDPC (3)MEM-DB 信号：W/R=1、CE=0 (4)DB-IR 信号：LDIR、P(1) (5)INPUT-DB 信号：SW-B=0 (6)DB-R0 信号：LDR0=1,76,77,实验步骤,3、设计微指令 首先确定每条微指

17、令所需要的控制信号，其次对微指令的相应位进行设置就得到所要求的微指令。如代号为01的微指令需要PC-B、LDAR和LDPC三个控制信号，那么A字段、B字段和C字段分别就为110。 注意：不使用的位可用0来填充。,IN指令步骤和信号 (1)PC-AR 信号：PB-B、LDAR (2)PC+1 信号： LDPC (3)MEM-DB 信号：W/R=1、CE=0 (4)DB-IR 信号：LDIR、P(1) (5)INPUT-DB 信号：SW-B=0 (6)DB-R0 信号：LDR0=1,78,79,实验步骤,4.微指令16进制编码 将每个微地址和对应的微指令转换成16进制，并写在一行，格式为：$M*，

18、前面2个*表示该微指令的在微控制器中的地址，后面6个*表示该微指令代码。如： $M00018110：表示在控制存储器地址00h处的代码是018110h。 $M0101ED82：表示在控制存储器地址01h处的代码是01ED82h。,80,实验步骤,5建立联机操作文件 为了从PC机下载工作程序和微程序，需要建立联机操作文件，该文件是普通的文本文件，扩展名为TXT，可用记事本来建立的，要求每个微地址及微指令代码占一行。 例如，下面是一个实验的文件(文件名：sample.txt)： $M00018108 $M0101ED82 $M0200C048 $M0300E004,81,实验步骤,6下载微程序至控

19、制存储器 按下图连接实验线路，使用唐都CMPP软件将微程序下载到实验箱的控制存储器中。方法是，在正确连接计算机与实验箱的串口线的情况下，从桌面上启动软件，然后在菜单中选择转储/装载进行下载。,82,实验步骤,7在唐都软件界面上的微指令区检查微程序是否正确。 单步运行 将编程开关MJ20置于“RUN(运行)”状态。 实验板的“STEP及STOP开关保持原状。 拨动CLR开关使CLR从1-0-1，此时微地址寄存器MA5MA0清零，从而确定本机的运行入口微地址为000000(二进制)。 按动“START”键，启动时序电路，则每按动一次启动键，读出一条微指令，此时实验台上的微地址显示灯和微命令显示灯将

20、显示所读出的一条微指令。,实验七 基于微控器的模型机的设计与实现,杨宏雨 2005.11,84,一实验目的,1在掌握实验六原理的基础上，结合前面的部件单元电路实验，构造一个较完整的冯.诺依曼结构的模型计算机； 2使用实验六定义的3条机器指令编写相应的程序，具体上机调试掌握整机概念。,85,二实验内容,用实验六中所设计的3条机器指令编写一汇编语言程序，运行该程序并观察程序运行的结果。要求该程序必须包含IN、ADD和OUT指令并且程序的长度在4条指令以上。,86,三实验步骤,1微指令16进制编码 将实验六的每个微地址和对应的微指令转换成16进制，并写在一行，格式为： $M* 前面2个*表示该微指令

21、在微控制器中的地址，后面6个*表示该微指令代码。,87,三实验步骤,2工作程序16进制编码 利用所设计的3条机器指令编写工作程序，然后将工作程序中对应的每条机器指令和它在内存中的地址用16进制来表示，格式为： $P* 前面2个*表示该内存的地址，后面2个*表示该地址的数据。例如： OUT $P0220 表示在内存地址02h处的数据是20h。,88,三实验步骤,3联机操作文件的建立 为了从PC机下载工作程序和微程序，需要建立联机操作文件，该文件是普通的文本文件，扩展名为TXT，可用记事本来建立，要求： a、测试用的工作程序排在文件的前面，每个内存地址及代码占一行； b、微指令代码排在文件的后面，

22、每个微地址及微指令代码占一行；,89,三实验步骤,例如，下面是一个实验的文件(文件名：a.txt)：,90,三实验步骤,4连接实验线路。 5下载工作程序和微程序 使用唐都软件将工作程序和微程序下载到实验箱的内存和控制存储器中。外接电源线的实验箱用CMPP软件，启动软件后在菜单中选择转储/装载进行下载。,91,三实验步骤,6调试 可以使用单步微指令方式或单步机器指令方式或连续运行方式执行工作程序。在执行过程中，可以通过联机软件的数据通路图观察信息在计算机中的传送路径，更有利于掌握数据的通路结构。这样也可以直接验证程序和微程序的正确性。 如果运行结果不正确，则重新修改程序或微程序，每次修改后，需要重新将工作程序和微程序下载到实验箱中。,92,注意： 运行过程中要注意观察模型机中的数据传输情况。如果运行情况不符合设计要求，要进行单步调试，并认真观察软件中的数据显示和实验箱上相应信号灯的变化情况，结合实验原理，争取自己能够找到问题所在并学会解决问题。,93,