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计算机组成原理实验教案目 录实验一 运算器实验1一.实验目的1二.实验设备1三.实验原理1四.实验步骤1实验二 存储器实验4一.实验目的4二.实验设备4三.实验原理4四.实验步骤4实验三 时序实验7一.实验目的7二.实验设备7三.实验原理7四.实验内容7实验四 总线控制实验9一.实验目的9二.实验设备9三.实验原理9四.实验步骤9实验五 微程序控制器的组成与微程序设计实验11一.实验目的11二.实验设备11三.实验原理11四.实验步骤13实验一 运算器实验一.实验目的1. 掌握简单运算器的组成以及数据传送通路。2. 验证运算功能发生器（74LS181）的组合功能。二.实验设备ZY15Comp12BB计算机组成原理教学实验箱一台，排线若干。三.实验原理图1-l 运算器数据通路图实验中所用的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位字长的ALU。运算器的两个数据输入端分别由两个锁存器（74LS273）锁存，锁存器的输入连至数据总线，数据输入开关（INPUT）用来给出参与运算的数据，并经过一三态门（74LS245）和数据总线相连。运算器的输出经过一个三态门（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1-2中已将实验需要连接的控制信号用箭头标明（其他实验相同，不再说明）。其中除T4为脉冲信号，其它均为电平控制信号。实验电路中的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”单元中的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，即可获得实验所需的单脉冲。四.实验步骤l. 按图1-2连接实验线路，仔细检查无误后，接通电源。（图中箭头表示需要接线的地方，接总线和控制信号时要注意高低位一一对应，可用彩排线的颜色来进行区分）图1-2 算术逻辑运算实验接线图2. 用INPUT UNIT的二进制数据开关向寄存器DR1和DR2置数，数据开关的内容可以用与开关对应的指示灯来观察，灯亮表示开关量为“1”，灯灭表示开关量为“0”。以向DR1中置入11000001（C1H）和向DR2中置入01000011（43H）为例，具体操作步骤如下：首先使各个控制电平的初始状态为：CLR=1，LDDR1=0，LDDR2=0，ALU_G=1，SW_G=1，S3 S2 S1 S0 M CN=111111，并将CONTROL UNIT的开关SP05打在“NORM”状态，然后按下图所示步骤进行。上面方括号中的控制电平变化要按照从上到下的顺序来进行，其中T4的正脉冲是通过按动一次CONTROL UNIT的触动开关PULSE来产生的。置数完成以后，检验DR1和DR2中存的数是否正确，具体操作为：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单元的输出结果进入总线。当设置S3、S2、S1、S0、M、CN的状态为111111时，DATA BUS单元的指示灯显示DR1中的数；而设置成101011时，DATA BUS单元的指示灯显示DR2中的数，然后将指示灯的显示值与输入的数据进行对比。3. 验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能（采用正逻辑）74LS181的功能见表1-1，可以通过改变S3 S2 S1 S0 M CN的组合来实现不同的功能，表中“A”和“B”分别表示参与运算的两个数，“+”表示逻辑或，“加”表示算术求和。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=通过前面的操作，我们已经向寄存器DR1写入C1H，DR2写入43H，即A=C1H，B=43H。然后改变运算器的控制电平S3 S2 S1 S0 M CN的组合，观察运算器的输出，填入表1-2中，并和理论值进行比较、验证74LS181的功能。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=实验二 存储器实验一.实验目的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的数据读写方法。二.实验设备ZY15Comp12BB计算机组成原理教学实验箱一台，排线若干。三.实验原理实验所用的半导体静态存储器电路原理如图1-6所示，实验中的静态存储器由一片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单元的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的地址A7A0，将6116的高三位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）。本实验中将OE常接地，在此情况，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的TS3相应插针中，其它电平控制信号由“SWITCH”单元的二进制开关给出，其中SW_G为低电平有效，LDAR为高电平有效。四.实验步骤1. 形成时钟脉冲信号T3，具体接线方法和操作步骤如下： 将SIGNAL UNIT中的CLOCK和CK，TS3和T3用排线相连。 将SIGNAL UNIT中的两个二进制开关 “SP03”设置为“RUN”状态、“SP04”设置为“RUN”状态（当“SP03”开关设置为“RUN”状态、“SP04”开关设置为“RUN”状态时，每按动一次触动开关START，则T3的输出为连续的方波信号。当“SP03”开关设置为“STEP”状态、“SP04”开关设置为“RUN”状态时，每按动一次触动开关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1-7连接实验线路，仔细检查无误后接通电源。（图中箭头表示需要接线的地方，接总线和控制信号时要注意高低位一一对应，可用彩排线的颜色来进行区分）图1-7 存储器实验接线图3. 给存储器的00、01、02、03、04地址单元中分别写入数据11、22、33、44、55，具体操作步骤如下：（以向00号单元写入11为例）首先使各个控制电平的初始状态为：SW_G=1，CE=1，WE=1，LDAR=0，CLR= l01，并将CONTROL UNIT的开关SP05打在“NORM”状态，然后按下图所示步骤进行。图中方括号中的控制电平变化要按照从上到下的顺序来进行，其中T3的正脉冲是通过按动一次CONTROL UNIT的触动开关START来产生的，而WE的负脉冲则是通过让SWITCH单元的WE开关做l01变化来产生的。4. 依次读出第00、01、02、03、04号单元中的内容，在DATA BUS单元的指示灯上进行显示，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00号单元读出11数据为例） 其中AR的值在ADDR BUS单元的指示灯上显示，RAM相应单元的值在DATA BUS单元的指示灯上显示。实验三 时序实验一.实验目的1. 掌握时序产生器的组成原理。2. 观察实验箱的控制时序。二.实验设备1. ZY15Comp12BB计算机组成原理教学实验箱一台，排线若干，8芯鳄鱼夹线一根。2. PC机一台。三.实验原理实验所用的时序电路原理如图1-10所示，可产生4个相位等间隔的时序信号TS1TS4，其中CK为时钟信号，由实验台右上方的方波信号源提供，可产生频率可调的方波信号。实验者可自行选择方波信号的频率（通过调节电位器RW1）。为了便于控制程序的运行，时序电路发生器设置了一个启停控制触发器，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的状态。START信号来自实验板CONTROL UNIT的一个微动开关START的按键信号。当SP03、SP04开关状态都为RUN时，一旦按下启动键，运行触发器一直处于“1”状态，即原理图中P17一直为“1”，因此时序信号TS1TS4将周而复始地发送出去。当SP03为1（STEP）时，一旦接下启动键，机器便处于单步运行状态。此时只发送一个微指令周期的时序信号就停机。图1-10 时序电路原理图四.实验内容联机并用联机软件的示波器功能来观察输出波形，首先按照图1-11进行接线，用8芯鳄鱼夹线将输出信号引入示波器的输入通道。将SP03和SP04开关的状态均设为“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，这时用联机软件的示波器功能就可以观察到时序信号，将该信号与图112所示波形对比（软件的具体使用方法见附录2中的软件操作说明）。通过调节RW1可以使输出波形的频率在100Hz到300Hz之间变化。图1-11 时序实验接线图图1-12 时序波形参考图实验四 总线控制实验一.实验目的1. 理解总线的概念及其特性。2. 掌握总线传输控制特性。二.实验设备ZY15Comp12BB计算机组成原理教学实验箱一台，排线若干。三.实验原理总线是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路，是构成计算机系统的骨架。借助总线连接，计算机在系统各部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作。因此，所谓总线就是指能为多个功能部件服务的一组公用信息线。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输实验框图如图1-8所示，它将几种不同的设备挂至总线上，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，按照传输要求恰当有序的控制它们，就可实现总线信息传输。图1-8 总线示意图四.实验步骤1. 根据挂在总线上的几个基本部件，设计一个简单的流程：输入设备将一个数写入地址寄存器。输入设备将另一个数写入到存储器的当前地址单元中。将存储器当前地址单元中的数用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。（图中箭头表示需要接线的地方，接总线和控制信号时要注意高低位一一对应，可用彩排线的颜色来进行区分）3. 具体操作步骤图示如下：首先使各个控制电平的初始状态为：SW_G=1，CE=1，WE=1，LDAR=0，299_G（LED_G）=1，PC_G（WE）=1，CLR= l01，并将CONTROL UNIT的开关SP05打在“NORM”状态，然后按下图所示步骤进行。图中方括号中的控制电平变化要按照从上到下的顺序来进行，其中LDAR的正脉冲是通过让SWITCH单元的LDAR开关做010变化来产生的，而WE和PC_G（WE）的负脉冲则是通过让SWITCH单元的WE和PC_G开关做101变化来产生的。完成上述操作后，在OUTPUT UNIT的数码管上观察结果。实验五 微程序控制器的组成与微程序设计实验一.实验目的1. 掌握微程序控制器的组成原理。2. 掌握微程序的编制、写入，观察微程序的运行。二.实验设备ZY15Comp12BB计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。三.实验原理实验所用的时序电路原理可以参考时序实验。由于时序电路的内部线路已经连好（时序电路的CLR已接到实验板中下方的CLR清零开关上），所以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的组成见图1-13。其中控制存储器采用3片2816 E2PR0M，具有掉电保护功能。微命令寄存器18位，用两片8D触发器（74LS273）和一片4D（74LS175）触发器组成。微地址寄存器6位，用三片上升沿触发的双D触发器（74LS74）组成，它们带有清“0”端和置“1”端。在不进行判别测试的情况下，T2时刻打入微地址寄存器的内容即为下一条微指令地址。当T4时刻进行判别测试时，转移逻辑满足条件后输出的负脉冲通过强置端将某一触发器设置为“1”状态，完成地址修改。在该实验电路中，在CONTROL UNIT有一个编程开关SP06，它具有三种状态：WRITE（编程）、READ（校验）、RUN（运行）。当处于“编程状态”时，实验者可根据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。当处于“校验状态”时，可以对写入控制存储器中的二进制代码进行验证，从而可以判断写入的二进制代码是否正确。当处于“运行状态”时，只要给出微程序的入口微地址，则可根据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加了一组三态门74LS245，目的是隔离触发器的输出，增加抗干扰能力，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 微指令结构图微程序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000000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPC12微控制器实验原理图17其中uA5一uA0为6位的后续微地址，A、B、P为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位。P字段中的Pl一P4是四个测试字位。其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码，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、循环运行。AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位，其为零有效。B字段中的RS_G、RD_G、RI_G分别为源寄存器选通信号、目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1及R2的选通译码。四.实验步骤1. 图1-14为几条机器指令对应的参考微程序流程图，将全部微程序按微指令格式变成二进制代码，可得到表1-5的二进制代码表。表1-5 微程序时序控制实验二进制代码表2. 按图1-15连接实验线路，仔细检查无误后接通电源。（图中箭头表示需要接线的地方，接控制信号时要注意各信号一一对应，可用彩排线的颜色来进行区分） 图1-14 微程序流程图图1-15 微控制器时序控制实验接线图3. 观察微程序控制器的工作原理：（1）编程A. 将CONTROL UNIT的编程开关SP06设置为WRITE（编程）状态。B. 将实验板上“SIGNAL UNIT”中的“SP03”设置为“STEP”，“SP04”设置为“RUN”状态。C. 用SWITCH UNIT的二进制模拟开关设置微地址UA5UA0。D. 在MICRO CONTROL单元的开关SM24SM01上设置微代码，24位开关对应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 的“START” 触动开关），即将微代码写入到E2PR0M 28C16的相应地址对应的单元中。F. 重复CE步骤，将表1-5的微代码写入28C16。（2）校验A. 将CONTROL UNIT的编程开关SP06设置为READ（校验）状态。B. 将实验板“SIGNAL UNIT”中的“SP03”开关设置为“STEP”状态，“SP04”开关设置为“RUN”状态。C. 用SWITCH UNIT的二进制开关设置要检验的微地址UA5UA0。D. 按动CONTROL UNIT的“START” 触动开关，启动时序电路，读出微代码，观察MICRO CONTROL单元的显示灯LM24LM01的状态（灯亮为“1”，灭为“0”），检查读出的微代码是否与写入的相同。如果不同，则将开关置于“WRITE”编程状态，重新