中南大学信息科学与综合项目工程学院计算机组成原理虚拟试验参考指导书.doc

计算机组成原理实 验 指 导 书(虚拟试验系统)中南大学计算机软件系虚拟试验室12月试验1 1位全加器 试验目标n 掌握全加器原理及其设计方法。n 熟悉组成原理虚拟教学平台使用。 试验设备和非门（3片）、异或门（2片）、开关若干、指示灯若干 试验原理1位二进制加法器单元有三个输入量：两个二进制数Ai，Bi和低位传来进位信号Ci，两个输出量：本位和输出Si和向高位进位输出C(i+1)，这种考虑了全部三个输入量加法单元称为全加器。来试验要求利用基础门搭建一个全加器，并完成全加器真值表。 试验步骤各门电路芯片引脚显示于组件信息栏。 1. 测从组件信息栏中添加所需组件到试验步骤面板中，根据图1.1所表示搭建试验。图1.1 组合逻辑电路试验步骤图2. 打开电源开关，按表1设置开关值，完成表1-1。表1-1输入输出AiBiCiSiC(i+1)000001010011100101110111试验2 算术逻辑运算试验 试验目标n 了解运算器组成结构n 掌握运算器工作原理n 掌握简单运算器组成和数据传送通路n 验证运算功效发生器（74LS181）组合功效 试验设备74LS181（2片）,74LS273(2片), 74LS245(2片),开关若干,灯泡若干,单脉冲一片 试验原理试验中所用运算器数据通路图图2.1所表示，试验中运算器由两片74LS181以并/串形式组成8位字长ALU。运算器输出经过一个三态门（74LS245）和数据总线相连，运算器两个数据输入端分别由两个锁存器（74LS373）锁存，锁存器输入连至数据总线，数据开关用来给出参与运算数据(A和B)，并经过一个三态门（74LS245）和数据显示灯相连，显示结果。n 74LS181：完成加法运算n 74LS273：输入端接数据开关，输出端181。在收到上升沿时钟信号前181和其输出数据线之间是隔断。在收到上升沿信号后，其将输出端数据将传到181，同时，作为触发器，其也将输入数据进行保留。所以，经过增加该芯片，能够经过次序输入时钟信号，将不一样寄存器中数据经过同一组输出数据线传输到181芯片不一样引脚之中n 74LS245：相当于181输出和数据显示灯泡组件之间一个开关，在开始试验后将其打开，能够使181运算结果输出并显示到灯泡上图2.1 运算器通路图 试验步骤1. 选择试验设备：依据试验原理图，将所需要组件从组件列表中拖到试验设计步骤栏中。搭建试验步骤：将已选择组件进行连线（鼠标从一个引脚端点拖动到另一组件引脚端，即完成连线）。搭建好试验步骤图图2.2所表示。图2.2 运算器试验步骤图2. 初始化各芯片控制信号，仔细检验无误后点击 【电源开/关】按钮接通电源，用二进制数码开关向DR1 和DR2 寄存器置数。具体操作步骤图示以下：其中T4脉冲信号经过鼠标双击单脉冲产生。3. 检验DR1 和DR2 中存数是否正确，具体操作为：关闭数据输入三态门（SW-B=1），打开ALU 输出三态门（ALU-B=0），当置S3、S2、 S1、S0 、M 为时，总线指示灯显示DR1中数，而置成时总线指示灯显示DR2 中数。4. 验证74LS181 算术运算和逻辑运算功效（采取正逻辑）在给定DR1=65、DR2=A7 情况下，改变运算器功效设置，观察运算器输出，填入下表2-2中，并和理论分析进行比较、验证。74LS181功效见表2-1， A和B分别表示参与运算两个数，“+”表示逻辑或，“加”表示算术求和。表2-1S3 S2 S1 S0M=0（算术运算）M=1（逻辑运算）CN=1(无进位)CN=0(有进位)0 0 0 0F=AF=A加1F=0 0 0 1F=A+BF=(A+B)加1F=0 0 1 0F=A+F=(A+)加1F=B0 0 1 1F=0减1F=0F=00 1 0 0F=A+AF=A加A加1F=0 1 0 1F=（A+B）加AF=(A+B)加A加1F= 0 1 1 0F=A减B减1F=A减BF=0 1 1 1F=A减1F=AF=A1 0 0 0F=A加ABF= A加AB加1 F=+B1 0 0 1F=A加BF=A加B加1F=1 0 1 0F=（A+）加ABF=(A+)加AB加1F=B1 0 1 1F=AB减1F=ABF=AB1 1 0 0F=A加AF=A加A加1F=11 1 0 1F=(A+B)加AF=(A+B)加A加1F=A+1 1 1 0F=(A+)加AF=(A+)加A加1F=A+B1 1 1 1F=A减1F=AF=A 表2-2DR1DR2S3 S2 S1 S0M=0（算术运算）M=1（逻辑运算）CN=1(无进位)CN=0(有进位)65A70 0 0 0F=( )F=( )F=( )65A70 0 0 1F=( )F=( )F=( )65A70 0 1 0F=( )F=( )F=( )65A70 0 1 1F=( )F=( )F=( )65A70 1 0 0F=( )F=( )F=( )65A70 1 0 1F=( )F=( )F=( )65A70 1 1 0F=( )F=( )F=( )65A70 1 1 1F=( )F=( )F=( )65A71 0 0 0F=( )F=( )F=( )65A71 0 0 1F=( )F=( )F=( )65A71 0 1 0F=( )F=( )F=( )65A71 0 1 1F=( )F=( )F=( )65A71 1 0 0F=( )F=( )F=( )65A71 1 0 1F=( )F=( )F=( )65A71 1 1 0F=( )F=( )F=( )65A71 1 1 1F=( )F=( )F=( ) 思索和分析1. 运算器关键由哪些器件组成？怎样连接这些器件？试验3 存放器试验 试验目标n 掌握静态存放随机存放器RAM工作特征n 掌握静态存放随机存放器RAM读写方法 试验设备74LS273（一片），静态存放器MEMORY 6116（一片），和门（一片），和非门（一片），单脉冲（一片）,开关若干，灯泡若干 试验原理在微机系统中，常见静态RAM 有6116、6264、62256 等。在本试验中使用是6116。6116 为2K8 位静态RAM，其逻辑图3.1以下：图3.1 6116逻辑图其中A010 为11 根地址线，I/O07 为8 根数据线，CS 为片选端，OE 为数据输出选通端，WR 为写信号端。其工作方法见下表3-1：表3-1工作方法表控制信号CSOEWR数据线读LLH输入写LXL输出非选HXX高阻态试验所用半导体静态存放器电路原理图3.2 所表示，试验中静态存放器一片6116（2K8）组成，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AD0AD7 和地址线相连，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。图3.2 存放器试验原理图因地址寄存器为8 位，接入6116 地址A7A0，而高三位A8A10 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）。当片选有效（CE=0）时，OE=0时进行读操作，WE=0 时进行写操作。本试验中将OE 常接地，在此情况下，当CE=0、WE=0 时进行读操作，CE=0、WE=1 时进行写操作，其写时间和T3 脉冲宽度一致。控制信号SW-B 为低电平有效，控制信号LDAR 为高电平有效。 试验步骤1. 选择试验设备：依据试验原理图，将所需要组件从组件列表中拖到试验设计步骤栏中。搭建试验步骤：将已选择组件进行连线（鼠标从一个引脚端点拖动到另一组件引脚端，即完成连线）。搭建好试验步骤图图3.3所表示。图3.3 存放器试验步骤图2. 初始化各芯片控制信号，仔细检验无误后点击 【电源开/关】按钮接通电源。3. 写存放器。给存放器00、01、02、03、04 地址单元中分别写入数据11H、12 H、13 H、14 H、15 H。由图3.2 存放器试验原理图看出，因为数据和地址全由一个数据开关给出，所以要分时地给出。下面写存放器要分两个步骤，第一步写地址，先关掉存放器片选（CE=1），打开地址锁存器门控信号（LDAR=1），打开数据开关三态门（SW-B=0），由开关给出要写入存放单元地址，双击单脉冲产生T3 脉冲将地址输入到地址锁存器；第二步写数据，关掉地址锁存器门控信号（LDAR=0），打开存放器片选，使之处于写状态（CE=0，WE=1），由开关给出此单元要写入数据，双击单脉冲产生T3 脉冲将数据写入到目前地址单元中。写其它单元依次循环上述步骤。写存放器步骤图3.4所表示（以向00 号单元写入11H 为例）。图3.4 写存放器步骤图4. 读存放器。依次读出第00、01、02、03、04 号单元中内容，观察上述各单元中内容是否和前面写入一致。同写操作类似，读每个单元也需要两步，第一步写地址，先关掉存放器片选（CE=1），打开地址锁存器门控信号（LDAR=1），打开数据开关三态门（SW-B=0），由开关给出要写存放单元地址，双击单脉冲产生T3 脉冲将地址输入到地址锁存器；第二步读存放器，关掉地址锁存器门控信号（LDAR=0），关掉数据开关三态门（SW-B=1），片选存放器，使它处于读状态（CE=0，WE=0），此时数据总线上显示数据即为从存放器目前地址中读出数据内容。读其它单元依次循环上述步骤。读存放器操作步骤图3.5所表示（以从00 号单元读出11H 数据为例）图3.5 读存放器步骤图 思索和分析1. 由两片6116（2K*8）怎样扩展成（2K*16）或（4K*8）存放器？怎样连线？试验4 总线基础试验 试验目标n 掌握静态存放随机存放器RAM工作特征n 掌握静态存放随机存放器RAM读写方法 试验设备74LS374（一片），74LS245（一片），74LS273（一片），静态存放器MEMORY 6116（一片），8位数据排线（一片），和门（两片），和非门（一片），单脉冲（三片）,开关若干，灯泡若干。 试验原理总线传输试验框图图4.1所表示，它将多个不一样设备挂至总线上，有存放器、输入设备、输出设备、寄存器。这些设备全部需要有三态输出控制，根据传输要求合适有序控制它们，就可实现总线信息传输。图4.1 总线传输试验框图总线基础试验要求以下：依据挂在总线上多个基础部件，设计一个简单步骤。（1）输入设备将一个数输入R0 寄存器。（2）输入设备将另一个数输入地址寄存器。（3）将R0 寄存器中数写入到目前地址存放器中。（4）将目前地址存放器中数用LED 数码管显示。 试验步骤1. 选择试验设备：依据试验原理图，将所需要组件从组件列表中拖到试验设计步骤栏中。搭建试验步骤：将已选择组件进行连线（鼠标从一个引脚端点拖动到另一组件引脚端，即完成连线）。搭建好试验步骤图图4.3所表示。2. 初始化各芯片控制信号，仔细检验无误后点击 【电源开/关】按钮接通电源。图4.2 总线基础试验步骤图3. 试验具体操作步骤图4.2 所表示。首先应关闭全部三态门（SW-B=1，CS=1，R0-B=1，LED-B=1），并将关联信号置为：LDAR=0，LDR0=0，W/R（RAM）=1，W/R（LED）=1。然后参考以下操作步骤，先给数据开关置数，打开数据输出三态门，开关LDR0置1，并双击旁边单脉冲，使产生一个上升沿将数据输入到R0 中；然后继续给数据开关置数，开关LDAR置1 ，并双击旁边单脉冲，使产生一个上升沿将数据输入到AR 中；关闭数据开关三态门 ，打开R0 寄存器输出控制（开关LDR0和开关R0-B全部置0），使存放器处于写状态（W/R=0、CS=0）将R0 中数写到存放器中；关闭存放器片选，关闭R0 寄存器输出（开关R0-B置0），使存放器处于读状态（W/R=1、CS=0）。图4.3 试验步骤图试验5 模型机试验 试验目标n 掌握微程序执次序强制改变原理n 掌握机器指令和微程序对应关系n 掌握机器指令实施步骤n 本试验提供了五条机器指令，编写对应微程序，并调试验证，形成整机概念。 试验设备74LS181芯片两片，memory 6116一片，微程序控制存放器芯片一片，编译器芯片一片，八位同时计数器芯片一片，ALU_G芯片一片，PC_G芯片一片，74LS273芯片若干，输入，输出芯片各一片，选择器芯片若干，连接器芯片若干，灯泡若干，开关若干等。 试验原理模型机在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令功效。这里，计算机数据通路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指令实施结束一个指令周期全部由微指令组成序列来完成，即一条机器指令对应一段微程序。本试验采取五条机器指令： IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），其指令格式以下（前位为操作码）：助记符 机器指令码 说 明IN 0000 0000 “INPUT DEVICE”中开关状态 ROADD addr 0001 0000 二进制加法 R0+addr R0STA addr 0010 0000 存数 RO addrOUT addr 0011 0000 输出 addr LEDJMP addr 0100 0000 无条件转移 addr PC其中IN 为单字长（位）指令，其它为双字长指令，为addr 对应二进制地址码。图5.1 模型机数据通路图依据模型机数据通路图（图5.1所表示）和指令要求定义微代码以下：表1 微代码定义微程序24212019181716151312109761控制信号S3S0MCNRDM17M16ABPuA5uA0表2 A、B、P字段A字段B字段P字段151413控制信号121110控制信号987控制信号000000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPC表中A5A0 为6 位后续微地址，A、B、C 为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位。P 字段中P（1）P（4）是四个测试字位。其功效是依据机器指令及对应微代码进行译码，使微程序转入对应微地址入口，从而实现微程序次序、分支、循环运行。B 字段中RS-B、RD-B、RI-B 分别为源寄存器选通信号、目标寄存器选通信号及变址寄存器选通信号，其功效是依据机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1 及R2 选通译码。A 字段中LDRI 为从输入设备组件中读入数据使能控制信号。系统包含到微程序步骤图5.2所表示，这里“取指”是公用微指令，为了能确定不一样机器指令有各自不一样微程序转向，我们在这里以指令寄存器前位（IR7IR4）作为测试条件，引入了P（1）指令测试字段，如此，对于五条机器指令，就能够有五路P（1）测试分支，对于每一指令分别给予微程序解释。由图5.2微程序步骤图中能够看到，在实施机器指令IN时候要实施三条微指令：01、02和10，每个微指令需要一个CPU周期来实施，所以实施一条机器指令IN需要三个CPU周期。图5.2 微程序步骤图当全部微程序设计完成后，应将每条微指令代码化，表3即为将图5.2 微程序步骤图按微指令格式转化而成二进制微代码表。表3 二进制代码表微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE M17 M16ABPA 5A0000 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 01 0 00 1 0 0 0 0010 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 0020 0 0 0 0 0 0 0 11 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 0030 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0040 0 0 0 0 0 0 0 10 1 10 0 00 0 00 0 0 1 0 1050 0 0 0 0 0 0 1 10 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 0061 0 0 1 0 1 0 1 10 0 11 0 10 0 00 0 0 0 0 1070 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 1 1 0 1100 0 0 0 0 0 0 0 00 0 10 0 00 0 00 0 0 0 0 1110 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 1120 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 1 1 1130 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 1 1 1 0140 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 1 1 0150 0 0 0 0 0 1 0 10 0 00 0 10 0 00 0 0 0 0 1160 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 1 1 1 1170 0 0 0 0 0 0 0 10 1 00 0 00 0 00 1 0 1 0 1200 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 0 1 0210 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 1 0 0220 0 0 0 0 0 0 0 10 1 00 0 00 0 00 1 0 1 1 1230 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 00 0 00 0 0 0 0 1240 0 0 0 0 0 0 0 00 1 00 0 00 0 00 1 1 0 0 0250 0 0 0 0 1 1 1 00 0 01 0 10 0 00 0 0 0 0 1260 0 0 0 0 0 0 0 11 0 10 0 01 1 00 0 0 0 0 1270 0 0 0 0 1 1 1 00 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 0300 0 0 0 0 1 1 0 10 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 0本试验设计机器指令程序如表4所表示。表4 试验中机器指令解释表地址(二进制)内容(二进制)助记符说 明0000 00000000 0000IN将输入数据送R0寄存器0000 00010001 0000ADD 0AHRO+0AHR00000 00100000 1010地址0000 00110010 0000STA 0BHR00BH0000 01000000 1010地址0000 01010011 0000OUT 0BH0BHLED0000 01100000 1011地址0000 01110100 0000JMP 00H00HPC0000 10000000 0000跳转地址0000 10100000 0001加数，可自定0000 1011求和结果保留在0B单元中本程序使用五条机器指令编写指令程序，内存映象(装入起始地址00H)如表4。本程序从输入设备组件中读入数据，和内存组件中地址为OAH中数据进行相加，和存入内存中OBH中，并在输出设备组件中显示，本程序不停循环运行，直到用户中止试验。平台中模型机搭建说明以下：模型机组成结构复杂，引脚很多，所以连线很复杂，模型机连线图图5.3所表示，在搭建模型机图时候最好参考图5.1中模型机结构图，这里将模型机分成五个部分来让大家看清模型机中各个组件连线方法。这五个部分包含：模型机各个组件之间数据连线、模型机微控中控制信号连线、模型机脉冲信号连线、模型机中用来对组件进行功效控制开关连线及开关值设置、模型机通用寄存器连线。图5.3 模型机连线总图1）各个组件之间数据信号连线图5.4所以为模型机各个组件之间数据信号连线图，在平台菜单栏“试验参考图”中“模型机各个部件连接关系图”能够看得更清楚，其中大多数用到了4、8、3连线组，同时能够看到大多数组件是和数据总线相连接。组件之间通路能够参考图1中各个组件连接关系。图5.4各个组件数据信号连线图）微程序控制信号连线图5.5所以为模型机微程序控制信号连线图，在平台菜单栏“试验参考图”中“模型机控制信号连法图”能够看得更清楚，其中关键是展示微控制存放器24个控制信号应该怎样连接到其它各个组件，以控制它们工作。图5.5微程序控制信号连法图微控制存放器输出24为信号中A、B和P字段需要经过个译码器译码出多个控制信号，如表5所表示，其中LDRI信号对应图1模型机结构图中使能控制信号，是用于微程序实施时条件测试。 表5A、B、P字段译码信号A字段B字段P字段151413控制信号121110控制信号987控制信号000000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPCB字段中RS-G、RD-G、RI-G分别为源寄存器选通信号、目标寄存器选通信号及变址寄存器选通信号，其功效是依据机器指令进行三个工作寄存器R0、R1及R2选通译码，其原理图图5.6，图中I0I3为指令寄存器第03位，LDRi为打入工作寄存器信号译码器使能控制位。图5.6中RS-B、RD-B、RI-B分别对应B字段中RS-G、RD-G、RI-G，图5.6中R0-B、R1-B、R2-B分别对应图5.5中RegChoose组件R0-G、R1-G及R2-G信号。图5.6 寄存器译码器3）脉冲信号连线图5.7所以为模型机脉冲信号连线图，在平台菜单栏“试验参考图”中“模型机脉冲信号连接方法图”能够看得更清楚，其中关键是展示从时序产生器产生四个脉冲信号T1T4怎样和其它组件连接，T1T4连接也能够参考图5.1中T1T4控制组件。图5.7脉冲信号连法图 试验步骤1. 选择试验设备，将所需要组件从组件列表中拖到试验设计步骤栏中2. 搭建试验步骤：依据本节模型机连线说明来搭建试验步骤。老师权限用户能够在系统菜单栏中选择“试验”,再选择“模型机试验”即可。3. 模型机试验图搭建好后，输入机器指令:选择菜单中“工具”，再选择“模型机调试”，在指令输入窗口中输入以下指令：00000000000100000000100100100000000010110011000000001011010000000000000000000001然后点击“输入”按钮，即可将程序输入到内存中，图5.8所表示。图5.8 输入程序示意图本试验设计机器指令程序以下：地址（二进制）内容（二进制）助记符说明0000 00000000 0000IN R0“INPUT DEVICE”-R00000 00010001 0000ADD 0AH,R0R0+0AH-R00000 00100000 10100000 00110010 0000STA R0,0BHR0-0BH0000 01000000 10110000 01010011 0000OUT 0BH0BH-LED0000 01100000 10110000 01110100 0000JMP 00H00H-PC0000 10000000 00000000 1010运算数据自定0000 1011求和结果4. 模型机运行方法是在模型机调试窗口中运行。在模型机调试窗口中运行：在模型机调试窗口中点击“指令实施”选项卡，在模型机调试窗口中点击“下一时钟”，模型机机实施到下一个时钟，点击“下一微指令”，模型机机实施到下一个微指令，点击“下一指令”，模型机机实施到下一条指令，图5.9所表示。 图5.9在模型机调试窗口中运行示意图（6）模型机运行时候，观察各个组件状态，思索模型机运行原理。