新版计算机组成原理试验参考指导书.doc

“计算机构成原理”实验指引书杨伟丰 编写12月实验一 算术逻辑运算实验一、实验目1、掌握简朴运算器构成以及数据传送通路。2、验证运算功能发生器（74LS181）组合功能。二、实验内容运用算术逻辑运算器进行算术运算和逻辑运算。三、实验仪器1、ZY15Comp12BB计算机构成原理教学实验箱 一台2、排线 若干四、实验原理实验中所用运算器数据通路如图1-1所示。其中运算器由两片74LS181以并/串形式构成8位字长ALU。运算器两个数据输入端分别由两个锁存器（74LS273）锁存，锁存器输入连至数据总线，数据输入开关（INPUT）用来给出参加运算数据，并通过一三态门（74LS245）和数据总线相连。运算器输出通过一种三态门（74LS245）和数据总线相连。数据显示灯已和数据总线（“DATA BUS”）相连，用来显示数据总线内容。图1-l 运算器数据通路图图1-2中已将实验需要连接控制信号用箭头标明（其她实验相似，不再阐明）。其中除T4为脉冲信号，其他均为电平控制信号。实验电路中控制时序信号均已内部连至相应时序信号引出端，进行实验时，还需将S3、S2、S1、S0、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU_G、SW_G各电平控制信号与“SWITCH”单元中二进制数据开关进行跳线连接,其中ALU_G、SW_G为低电平有效，LDDR1、LDDR2为高电平有效。按动微动开关PULSE，即可获得实验所需单脉冲。五、实验环节l、按图1-2连接实验线路，仔细检查无误后，接通电源。（图中箭头表达需要接线地方，接总线和控制信号时要注意高低位一一相应，可用彩排线颜色来进行区别）图1-2 算术逻辑运算实验接线图2、用INPUT UNIT二进制数据开关向寄存器DR1和DR2置数，数据开关内容可以用与开关相应批示灯来观测，灯亮表达开关量为“1”，灯灭表达开关量为“0”。以向DR1中置入11000001（C1H）和向DR2中置入01000011（43H）为例，详细操作环节如下：一方面使各个控制电平初始状态为：CLR=1，LDDR1=0，LDDR2=0，ALU_G=1，SW_G=1，S3 S2 S1 S0 M CN=111111，并将CONTROL UNIT开关SP05打在“NORM”状态，然后按下图所示环节进行。 上面方括号中控制电平变化要按照从上到下顺序来进行，其中T4正脉冲是通过按动一次CONTROL UNIT触动开关PULSE来产生。置数完毕后来，检查DR1和DR2中存数与否对的，详细操作为：关闭数据输入三态门（SW_G=1），打开ALU输出三态门（ALU_G=0），使ALU单元输出成果进入总线。当设立S3、S2、S1、S0、M、CN状态为111111时，DATA BUS单元批示灯显示DR1中数；而设立成101011时，DATA BUS单元批示灯显示DR2中数，然后将批示灯显示值与输入数据进行对比。3、验证74LS181算术运算和逻辑运算功能（采用正逻辑）74LS181功能见表1-1，可以通过变化S3 S2 S1 S0 M CN组合来实现不同功能，表中“A”和“B”分别表达参加运算两个数，“+”表达逻辑或，“加”表达算术求和。表1-1 74LS181功能表S3S2S1S0M=0（算术运算）M=1（逻辑运算）CN=1无进位CN=0有进位0000F=F=A加1F=0001F=F=（）加1F=0010F=F=（）加1F=0011F=0减1F=0F=0100F=加F=加加1F=0101F=（）加F=（）加加1F=0110F=减减1F=减F=0111F=减1F=F=1000F=加F=加加1F=1001F=加F=加加1F=1010F=（）加F=（）加加1F=1011F=减1F=F=1100F=加F=加加1F=11101F=（）加F=（）加加1F=1110F=（）加F=（）加加1F=1111F=减1F=F=通过前面操作，咱们已经向寄存器DR1写入C1H，DR2写入43H，即A=C1H，B=43H。然后变化运算器控制电平S3 S2 S1 S0 M CN组合，观测运算器输出，填入表1-2中，并和理论值进行比较、验证74LS181功能。表l-2 运算器功能实验表DR1DR2S3S2S1S0M=0（算术运算）M=1（逻辑运算）CN=1无进位CN=0有进位C1430000F=F=F=C1430001F=F=F=C1430010F=F=F=C1430011F=F=F=C1430100F=F=F=C1430101F=F=F=C1430110F=F=F=C1430111F=F=F=C1431000F=F=F=C1431001F=F=F=C1431010F=F=F=C1431011F=F=F=C1431100F=F=F=C1431101F=F=F=C1431110F=F=F=C1431111F=F=F=六、实验报告1、在显示成果后将批示灯显示值与输入数据进行比较；2、完毕表12，比较理论分析值与实验成果值,并对成果进行分析。七、实验思考题1、运算器功能是什么？ 核心某些是什么？实验二 进位控制实验一、实验目验证带进位控制算术运算功能发生器功能。 二、实验内容按给定数据完毕几种指定算术运算。三、实验仪器1、ZY15Comp12BB计算机构成原理教学实验箱 一台2、排线 若干四、实验原理进位控制运算器实验原理如图1-3所示，在实验1.1基本上增长进位控制某些，其中74LS181进位进入一种锁存器，其写入是由T4和AR信号控制，T4是脉冲信号，实验时将T4连至“SIGNAL UNIT”TS4上。AR是电平控制信号（低电平有效），可用于实现带进位控制实验，而T4脉冲是将本次运算进位成果锁存到进位锁存器中。图l-3 进位控制实验原理图五、实验环节1、按图1-4连接实验线路，仔细检查无误后，接通电源。（图中箭头表达需要接线地方，接总线和控制信号时要注意高低位一一相应，可用彩排线颜色来进行区别）。图1-4 进位控制实验接线图2、进位标志清零。详细操作办法如下：实验板中“SWITCH”单元中CLR开关为标志位CY、ZI清零开关，它为0时（开关向上为1，向下为0）是清零状态，因此将此开关做l01操作，即可使标志位CY、ZI清零（清零后CY、ZI批示灯亮）。3、用INPUT UNIT二进制数据开关向DR1存入11000001，向DR2存入01000011。详细操作环节如下：一方面使各个控制电平初始状态为：CLR=1，LDDR1=0，LDDR2=0，ALU_G=1，AR=1，SW_G=1，S3 S2 S1 S0 M CN=111111，并将CONTROL UNIT开关SP05打在“NORM”状态， SP06打在“RUN”状态，SP03打在“STEP”状态，SP04打在“RUN”状态。然后按下图所示环节进行。 上面方括号中控制电平变化要按照从上到下顺序来进行，其中T4正脉冲是通过按动一次CONTROL UNIT触动开关START来产生。4、验证带进位运算及进位锁存功能。进行带进位算术运算：前面操作已经向DR1、DR2置数，然后关闭数据输入三态门（SW_G=1）并使LDDR2=0，打开ALU输出三态门（ALU_G=0），使ALU单元输出成果进入总线，当S3 S2 S1 S0 M CN状态为100101时，DATA BUS批示灯显示数据为DR1加DR2加当迈进位标志得到成果。这个成果与否产生进位，则要使AR=0，然后按动触动开关START，若进位标志灯CY依然亮，表达无进位；若进位标志灯CY灭，表达有进位。在本例中DR1为11000001，DR2为01000011，成果为00000100；当AR=0时，按动开关START，CY灭，表达有进位。六、实验报告记录实验数据，总结收获。七、实验思考题1、74LS181能提高运算速度因素是什么？2、在定点二进制运算器中，减法运算普通通过什么方式实现？实验三 移位运算实验一、实验目验证移位控制功能。二、实验内容使用一片74LS299来实现移位控制。三、实验仪器1、ZY15Comp12BB计算机构成原理教学实验箱 一台2、排线 若干四、实验原理移位运算实验中使用了一片74LS299作为移位发生器，其八位输入/输出端以排针方式和总线单元连接。299_G信号控制其使能端，T4时序为其时钟脉冲，由S1 S0 M控制信号控制其功能状态，列表如下：表1-3 74LS299功能表299_GS1S0M功能000任意保持0100循环右移0101带进位循环右移0010循环左移0011带进位循环左移任意11任意装数五、实验环节1、按图1-5连接实验线路，仔细检查无误后接通电源。（图中箭头表达需要接线地方，接总线和控制信号时要注意高低位一一相应，可用彩排线颜色来进行区别）。图1-5 移位运算实验接线图2、按照如下环节用INPUT UNIT二进制数据开关把数据写入74LS299：一方面使各个控制电平初始状态为：299_G=1，SW_G=1，S1 S0 M =111，CLR= l01，并将控制台单元开关SP05打在“NORM”状态，SP06打在“RUN”状态,SP03打在“STEP”状态，SP04打在“RUN”状态。然后按下图所示环节进行。上面方括号中控制电平变化要按照从上到下顺序来进行，其中T4正脉冲是通过按动一次CONTROL UNIT触动开关START来产生。3、参照前面表格1-3，变化S0 S1 M 299_G状态，按动触动开关START，观测移位成果。六、实验报告对照表13，列表记录移位成果。七、实验思考题 1、本实验用到移位发生器是什么？其功能表是什么？实验四 存储器实验一、实验目1、掌握静态随机存储器RAM工作特性；2、掌握静态随机存储器RAM数据读写办法。二、实验内容运用静态随机存储器RAM进行单步读、写和持续写数据。三、实验仪器1、ZY15Comp12BB计算机构成原理教学实验箱 一台2、排线 若干四、实验原理实验所用半导体静态存储器电路原理如图1-6所示，实验中静态存储器由一片6116（2Kx8）构成，其数据线接至数据总线，地址由地址锁存器（74LS273）给出。地址灯LI01LI08与地址总线相连，显示地址内容。INPUT单元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1-6 存储器实验原理图地址总线为8位，接入6116地址A7A0，将6116高三位A8A10接地，因此其实际容量为256字节。6116有三个控制线：CE（片选线）、OE（读线）、/WE（写线）。本实验中将OE常接地，在此状况，当CE=0、WE=0时进行写操作，CE=0、WE=1时进行读操作，其写时间与T3脉冲宽度一致。实验时，将T3脉冲接至实验板上时序电路模块TS3相应插针中，其他电平控制信号由“SWITCH”单元二进制开关给出，其中SW_G为低电平有效，LDAR为高电平有效。五、实验环节1、形成时钟脉冲信号T3，详细接线办法和操作环节如下：（1） 将SIGNAL UNIT中CLOCK和CK，TS3和T3用排线相连。（2） 将SIGNAL UNIT中两个二进制开关 “SP03”设立为“RUN”状态、“SP04”设立为“RUN”状态（当“SP03”开关设立为“RUN”状态、“SP04”开关设立为“RUN”状态时，每按动一次触动开关START，则T3输出为持续方波信号。当“SP03”开关设立为“STEP”状态、“SP04”开关设立为“RUN”状态时，每按动一次触动开关START，则T3输出一种单脉冲，其脉冲宽度与持续方式相似。）2、按图1-7连接实验线路，仔细检查无误后接通电源。（图中箭头表达需要接线地方，接总线和控制信号时要注意高低位一一相应，可用彩排线颜色来进行区别）。图1-7 存储器实验接线图3、给存储器00、01、02、03、04地址单元中分别写入数据11、22、33、44、55，详细操作环节如下：（以向00号单元写入11为例）一方面使各个控制电平初始状态为：SW_G=1，CE=1，WE=1，LDAR=0，CLR= l01，并将CONTROL UNIT开关SP05打在“NORM”状态，然后按下图所示环节进行操作。图中方括号中控制电平变化要按照从上到下顺序来进行，其中T3正脉冲是通过按动一次CONTROL UNIT触动开关START来产生，而WE负脉冲则是通过让SWITCH单元WE开关做l01变化来产生。4、依次读出第00、01、02、03、04号单元中内容，在DATA BUS单元批示灯上进行显示，观测上述各单元中内容与否与前面写入一致。详细操作环节如下：（以从00号单元读出11数据为例） 其中AR值在ADDR BUS单元批示灯上显示，RAM相应单元值在DATA BUS单元批示灯上显示。六、实验报告1、按实验内容进行单步读、写、持续写。着重写明各开关状态，并按先后顺序写明操作环节；2、将存储器地址和其相应数据列表记录。七、实验思考题1、静态存储器是靠什么存储信息？动态存储器又是靠什么存储信息？2、静态存储器和动态存储器优缺陷？实验五 总线控制实验一、实验目1、理解总线概念及其特性；2、掌握总线传播控制特性。二、实验内容变化输入寄存器地址值，在输出单元数码管上会显示出该地址下存储器RAM值。三、实验仪器1、ZY15Comp12BB计算机构成原理教学实验箱 一台2、排线 若干四、实验原理总线是各种系统部件之间进行数据传送公共通路，是构成计算机系统骨架。借助总线连接，计算机在系统各部件之间实现传送地址、数据和控制信息操作。因而，所谓总线就是指能为各种功能部件服务一组公用信息线。地址总线数据总线输入单元地址寄存器寄存器输出单元存储器总线传播实验框图如图1-8所示，它将几种不同设备挂至总线上，有存储器、输入设备、输出设备、寄存器。这些设备都需要有三态输出控制，按照传播规定恰当有序控制它们，就可实现总线信息传播。图1-8 总线示意图五、实验环节1、依照挂在总线上几种基本部件，设计一种简朴流程：（1）输入设备将一种数写入地址寄存器。（2）输入设备将另一种数写入到存储器当前地址单元中。（3）将存储器当前地址单元中数用LED数码管显示。2、按照图1-9实验接线图进行连线，仔细检查无误后，接通电源。（图中箭头表达需要接线地方，接总线和控制信号时要注意高低位一一相应，可用彩排线颜色来进行区别）。图 19 总线控制实验接线图3、详细操作环节图示如下：一方面使各个控制电平初始状态为：SW_G=1，CE=1，WE=1，LDAR=0，299_G（LED_G）=1，PC_G（WE）=1，CLR= l01，并将CONTROL UNIT开关SP05打在“NORM”状态，然后按下图所示环节进行。图中方括号中控制电平变化要按照从上到下顺序来进行，其中LDAR正脉冲是通过让SWITCH单元LDAR开关做010变化来产生，而WE和PC_G（WE）负脉冲则是通过让SWITCH单元WE和PC_G开关做101变化来产生。 完毕上述操作后，在OUTPUT UNIT数码管上观测成果。六、实验报告变化寄存器地址值，列表记录存储器RAM值。七、实验思考题1、什么叫总线？总线控制方式有哪些？2、画出单总线构造示意图。实验六 时序实验一、实验目1、掌握时序产生器构成原理和设计思想，提高对基本逻辑部件分析和设计能力；2、观测、分析和测量实验箱控制时序，提高实际动手能力；3、增长对系统时序理解，进一步深化理解计算机工作原理。二、实验内容通过联机软件示波器观测控制时序。三、预备知识1、复习关于时序电路内容；2、弄清实验电路中各某些之间关系以及信号之间逻辑关系；3、掌握联机软件用法，参见附录2。四、实验仪器1、ZY15Comp12BB计算机构成原理教学实验箱 一台2、排线 若干3、8芯鳄鱼夹线 一根4、PC机 一台五、实验原理实验所用时序电路原理如图1-10所示，可产生4个相位等间隔时序信号TS1TS4，其中CK为时钟信号，由实验台右上方方波信号源提供，可产生频率可调方波信号。实验者可自行选取方波信号频率（通过调节电位器RW1）。为了便于控制程序运营，时序电路发生器设立了一种启停控制触发器，使TS1一TS4信号输出可控。图中STEP（单步）、STOP（停机）分别是来自实验板SIGNAL UNIT二进制开关SP03、SP04状态。START信号来自实验板CONTROL UNIT一种微动开关START按键信号。当SP03、SP04开关状态都为RUN时，一旦按下启动键，运营触发器始终处在“1”状态，即原理图中P17始终为“1”，因而时序信号TS1TS4将周而复始地发送出去。当SP03为1（STEP）时，一旦接下启动键，机器便处在单步运营状态。此时只发送一种微指令周期时序信号就停机。图1-10 时序电路原理图六、实验环节1、一方面按照图1-11进行接线，用8芯鳄鱼夹线将输出信号引入示波器输入通道。将SP03和SP04开关状态均设为“RUN”状态，按动START触动开关，时序信号TS1TS4将周而复始地发送出去。2、联机并用联机软件示波器功能来观测输出波形，这时用联机软件示波器功能就可以观测届时序信号，将该信号与图112所示波形对比（软件详细用法见附录2中软件操作阐明）。通过调节RW1可以使输出波形频率在100Hz到300Hz之间变化。（注意：开关单元拨位开关CLK置为高电平，若采样有失真时请把采样频率调高某些。）图1-11 时序实验接线图图1-12 时序波形参照图七、实验报告1、绘出实验中观测到波形图；2、给出CK频率，阐明：CK与TS1、TS2、TS3、TS4之间关系。八、实验思考题1、在示波器上如何拟定工作脉冲先后关系？实验七 微程序控制器构成与微程序设计实验一、实验目1、掌握微程序控制器构成原理；2、掌握微程序编制、写入，观测微程序运营；3、为整机实验打好基本。二、实验内容编制微程序并观测其运营过程。三、实验仪器1、ZY15Comp12BB计算机构成原理教学实验系统 一台2、排线 若干四、实验原理实验所用时序电路原理可以参照时序实验。由于时序电路内部线路已经连好（时序电路CLR已接到实验板中下方CLR清零开关上），因此只需将时序电路与方波信号源连接即可。1、微程序控制电路微程序控制器构成见图1-13。其中控制存储器采用3片2816 E2PR0M，具备掉电保护功能。微命令寄存器18位，用两片8D触发器（74LS273）和一片4D（74LS175）触发器构成。微地址寄存器6位，用三片上升沿触发双D触发器（74LS74）构成，它们带有清“0”端和置“1”端。在不进行鉴别测试状况下，T2时刻打入微地址寄存器内容即为下一条微指令地址。当T4时刻进行鉴别测试时，转移逻辑满足条件后输出负脉冲通过强置端将某一触发器设立为“1”状态，完毕地址修改。在该实验电路中，在CONTROL UNIT有一种编程开关SP06，它具备三种状态：WRITE（编程）、READ（校验）、RUN（运营）。当处在“编程状态”时，实验者可依照微地址和微指令格式将微指令二进制代码写入到控制存储器2816中。当处在“校验状态”时，可以对写入控制存储器中二进制代码进行验证，从而可以判断写入二进制代码与否对的。当处在“运营状态”时，只要给出微程序入口微地址，则可依照微程序流程图自动执行微程序。图中微地址寄存器输出端增长了一组三态门74LS245，目是隔离触发器输出，增长抗干扰能力，并用来驱动微地址显示灯。2、微指令格式微指令字长24位，其控制位顺序如下：表1-4 微指令构造图微程序242322212019181716151413121110987654321控制信号S3S2S1S0MCNRDM17M16ABPuA5uA4uA3uA2uA1uA0A字段B字段P字段151413控制信号121110控制信号987控制信号00000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPCM17M16控制信号00Y001Y110Y211Y3五、实验环节1、图1-15为几条机器指令相应参照微程序流程图，将所有微程序按微指令格式变成二进制代码，可得到表1-5二进制代码表。表1-5 微程序时序控制实验二进制代码表微地址S3 S2 S1 S0 M CNRDM17M16 A B P uA5 uA4 uA3 uA2 uA1uA0 0 00000000110000001000100000 10000000111101101100000100 20000000011000000010010000 30000000011100000000001000 40000000010110000000001010 50000000110100010000001100 61001010110011010000000010 70000000011100000000011011 00000000000010000000000011 10000000111101101100000111 20000000111101101100001111 30000000111101101100011101 40000000111101101100101101 50000001010000010000000011 60000000011100000000011111 70000000010100000000101012 00000000111101101100100102 10000000111101101100101002 20000000010100000000101112 30000000110000000000000012 40000000000100000000110002 50000011100001010000000012 60000000011010001100000012 70000011100001010000100003 0000001101000101000010001其中uA5一uA0为6位后续微地址，A、B、P为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位。P字段中Pl一P4是四个测试字位。其功能是依照机器指令及相应微代码进行译码，使微程序转入相应微地址入口，从而实现微程序顺序、分支、循环运营。AR为算术运算与否影响进位及判零标志控制位，其为零有效。B字段中RS_G、RD_G、RI_G分别为源寄存器选通信号、目寄存器选通信号及变址寄存器选通信号，其功能是依照机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1及R2选通译码。图1-13 微控制器实验原理图 2、按图1-14连接实验线路，仔细检查无误后接通电源。（图中箭头表达需要接线地方，接控制信号时要注意各信号一一相应，可用彩排线颜色来进行区别）。图1-14 微控制器时序控制实验接线图3、观测微程序控制器工作原理：（1）编程A、将CONTROL UNIT编程开关SP06设立为WRITE（编程）状态。B、将实验板上“SIGNAL UNIT”中“SP03”设立为“STEP”，“SP04”设立为“RUN”状态。SWITCH UNIT开关CLR置为高电平。C、用SWITCH UNIT二进制模仿开关设立微地址UA5UA0。D、在MICRO CONTROL单元开关SM24SM01上设立微代码，24位开关相应24位显示灯，开关量为“1”时灯亮，开关量为“0”时灯灭。E、启动时序电路（按动CONTROL UNIT “START” 触动开关），即将微代码写入到E2PR0M 28C16相应地址相应单元中。F、重复CE环节，将表1-5微代码写入28C16。（2）校验A、将CONTROL UNIT编程开关SP06设立为READ（校验）状态。B、将实验板“SIGNAL UNIT”中“SP03”开关设立为“STEP”状态，“SP04”开关设立为“RUN”状态。C、用SWITCH UNIT二进制开关设立要检查微地址UA5UA0。D、按动CONTROL UNIT“START” 触动开关，启动时序电路，读出微代码，观测MICRO CONTROL单元显示灯LM24LM01状态（灯亮为“1”，灭为“0”），检查读出微代码与否与写入相似。如果不同，则将开关置于“WRITE”编程状态，重新执行（1）即可。 图1-15 微程序流程图（3）单步运营A、将CONTROL UNIT编程开关SP06置于“RUN（运营）”状态。B、将实验板“SIGNAL UNIT”中“SP03”开关设立为“STEP”状态，“SP04”开关设立为“RUN”状态。C、操作SWITCH UNITCLR开关，使CLR信号状态依次为101，将微地址寄存器74LS74（1）74LS74（3）清零，从而明确本机运营入口微地址为000000（二进制）。D、按动CONTROL UNIT “START”触动开关，启动时序电路，则每按动一次“START”键，读出一条微指令后停机，此时实验台上微地址显示灯和微命令显示灯将显示所读出一条指令。注：在当前条件下，将“MICRO CONTROL”单元SE6SE1接至“SWITCH”中UA5UA0相应二进制开关上，可通过强置端SE6SE1人为设立分支地址。一方面将SE6SE1相应二进制开关设立为“1”，当需要人为设立分支地址时，将需要变化某个或几种二进制开关设立“0”，相应微地址位即被强置为“1”，从而变化下一条微指令地址。（二进制开关设立为“0”，相应微地址位将被强置为“1”）六、实验报告1、图示微指令格式；2、写出自己编写微程序；3、记录实验过程，重要写遇到问题及排除办法。七、实验思考题1、比较微程序控制器和组合逻辑控制器各有什么优缺陷？2、什么叫指令？什么叫微指令？两者有什么关系？