计算机组成原理试验教材

1、计算机组成原理实验指导计算机组成原理上机实验指导计算机组成原理实验指导一、实验准备和实验注意事项1 本课程实验使用专门的 TDN-CM+计算机组成原理教学实验设备，使用前后 均应仔细检查主机板， 防止导线、 元件等物品落入装置内导致线路短路、 元件损坏。2完成本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针相连， 表明两根引出线内部已经连接起来， 此时可以 只使用一根线连接。3为了弄清计算机各部件的工作原理，前面几个实验的控制信号由开关单元 “SWITCH UNIT”模拟输入

2、；只有在模型机实验中才真正由控制器对指令译码产生 控制信号。在每个实验开始时需将所有的开关置为初始状态“1”。4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”。5实验接线图中带有圆圈的连线为实验中要接的线。6电源关闭后，不能立即重新开启，关闭与重启之间至少应有30 秒间隔。7电源线应放置在机内专用线盒中。8保证设备的整洁。计算机组成原理实验指导二、实验设备的数据通路结构利用本实验装置构造的模型机的数据通路结构框图如下图。 其中各单元内部已 经连接好， 单元之间可能已经连接好， 其它一些单元之间的连线需要根据实验目的 用排线连接。图 0-2 模型机数据通路结构框图计

3、算机组成原理实验指导实验一 运算器实验：算术逻辑运算实验一实验目的1了解运算器的组成结构；2掌握运算器的工作原理；3掌握简单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。二实验设备TDN-CM+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。三实验原理实验中所用的运算器数据通路如图 1-l 所示。其中两片 74LSl81 以串行方式构 成 8 位字长的 ALU，ALU 的输出经过一个三态门 (74LS245) 和数据总线相连。 三态门 由 ALU-B 控制，控制运算器运算的结果能否送往总线，低电平有效。为实现双操作数的运算， ALU的两个数据输入端分别由二个锁存器DR

4、1、DR2(由74LS273实现 )锁存数据。要将数据总线上的数据锁存到DR1、DR2中，锁存器的控制端 LDDR1和 LDDR2必须为高电平，同时由 T4 脉冲到来。数据开关 (“INPUT DEVICE”) 用来给出参与运算的数据， 经过三态门 (74LS245) 后送入数据总线，三态门由 SW-B控制，低电平有效。数据显示灯 ( “BUS UNIT”) 已和数据总线相连，用来显示数据总线上的内容。图中已将用户需要连接的控制信号用圆圈标明 (其他实验相同， 不再说明 ) ，其 中除 T4 为脉冲信号外，其它均为电平信号。由于实验电路中的时序信号均已连至 “WR UNIT”的相应时序信号引出

5、端， 因此，在进行实验时， 只需将“WR UNIT ” 的 T4 接至“ STATE UNIT”的微动开关 KK2 的输出端，按动微动开关，即可获得实 验所需的单脉冲。ALU运算所需的电平控制信号 S3、S2、S1、S0、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU-B、 SW-B均由“ 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， LDDRl、 LDDR2为高电平有效。对单总线数据通路，需要分时共享总线，每一时刻只能由一组数据送往总线。计算机组成原理实验指导图 1-1 运算器数据通路图四实验内容1输入数据通过三态门 74LS245 后送往数据总

6、线， 在数据显示灯和数码显示管 LED 上显示2向 DR1（或 DR2）中置数，经 ALU直传后，经过三态门 245 送入数据总线，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，结果在数计算机组成原理实验指导据显示灯和数码显示管 LED上显示 五实验步骤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(1) 按下图连接实验线路，仔细查线无误后，接通电源。图 1-2 总线数据显示连线图( 注：可以选择 PC-B 开关，或者是本实验中不用的任一个开关 )(2) 用二进制数码开关输入数据

7、 65H，观察总线数据显示灯和 LED的变化。设置： SW-B = 1 从输入开关输入： 01100101 打开三态门 SW-B = 0数据在数码管上显示： LED-B = 0 开关 299-B 置为 0发 W/R脉冲 通过改变 PC-B(0 1 或 10) 实现 结果：计算机组成原理实验指导2向 DR1(或 DR2)中置数，经 ALU直传后，经过三态门 245 送入数据总线，在数据 显示灯和数码显示管 LED上显示(1) 重新按下图连接实验线路，仔细查线无误后，接通电源图 1-3 实验接线图(2) 向 DRl和 DR2寄存器中置入数据 65H和 A7H。输入的流程为：使用以下操作步骤向 DR

8、l 寄存器中置入数据 65。设置：- 7 -计算机组成原理实验指导结果是：SW-B = 1从输入开关输入： 01100101打开输入三态门： SW-B = 0 设置 DR1有效： LDDR1 = 1LDDR2 = 0将数据打入 DR1按 KK2发 T4脉冲 将总线上的数据在数码管上显示： LED-B = 0 发 W/R 脉冲使用以下操作步骤向 DR2寄存器中置入数据 A7。设置：SW-B = 1从输入开关输入： 10100111 打开输入三态门： SW-B = 0 设置 DR2有效： LDDR2 = 1LDDR1 = 0 将数据打入 DR1按 KK2发 T4 脉冲 将总线上的数据在数码管上显示

9、： LED-B = 0 发 W/R 脉冲结果是：(3) 检查输入 DRl和 DR2寄存器中的数据是否正确。操作步骤如下，设置： 关闭输入三态门： SW-B = 1 关闭暂存器的输入： LDDR1=0LDDR2=0打开 ALU输出三态门： ALU-B = 0 设置运算器直传方式： S3S2S1S0M = 11111 将总线上的数据在数码管上显示： LED-B = 0 发 W/R 脉冲结果( 显示 DR1中的数据 ) ：设置：关闭输入三态门： SW-B = 1计算机组成原理实验指导打开 ALU输出三态门： ALU-B = 0 设置运算器直传方式： S3S2S1S0M = 10101 将总线上的数据

10、在数码管上显示： LED-B = 0 发 W/R 脉冲结果(显示 DR2中的数据 ) ：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“ SWITCHU NIT”改变开关 S3、 S2、 S1、S0、Cn、M的值，可将两数进行 不同的运算，例如：设置S3S2S1S0CnM=1001，0 运算器进行加法运算，设置S3S2S1S0CnM=0110，0运算器进行减法运算。具体设置的值见7

11、4LS181 的功能表。然后根据运算结果填写下表：计算机组成原理实验指导六思考题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 “ +”和“加”的区别是什么？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？5 运算器是如何完成多种不同的功能的？怎样控制它？6 你认为计算机是怎样实现连续运行的？- 10 -计算机组成原理实验指导实验二 运算器实验：进位控制实验实验目的1验证带进位控制的运算器的组成结构；2验证带进位控制的运算器的功能；3观察给定数据是否产生

12、进位，以及如何进行带进位运算。实验设备TDNCM+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。三实验原理进位控制运算器的实验原理如图 2 1 所示，在实验一的基础上增加进位控制 部分，基本原理是：两数在 181 中进行运算后最高位的进位 C(n+4) 连接到一个 74 锁存器的输入端 D，是否锁存由 T4和 AR(低电平有效 )信号控制。 T4 是脉冲信号， 实验时将 T4连至“ STATEU NIT”的微动开关 KK2上。当 T4 脉冲到来时，进位结果 就被锁存到 74 锁存器中了。如果锁存器中已有进位保存，可以控制下一次在 181 中的运算是否带进位运 算。这是通过改变 Cn 和 AR的值来

13、进行的。本实验中运算结果是否产生进位、结果是否为 0 是根据进位指示灯 CY和零标 志指示灯 ZI 的状态来判断的。 进位标志指示灯 CY亮(cy=0) 时表示进位标志为假 此 时运算没有产生进位 ；标志指示灯 CY灭(cy=1) 时表示进位标志为真 此时运算产 生了进位 。零标志指示灯 ZI 灯亮时表示零标志为假 此时运算结果不为“ 0” ， 灯灭时表示零标志为真 此时运算结果为“ 0” 。- 11 -计算机组成原理实验指导图 2-1 进位控制实验原理图四实验内容通过输入几组不同的数据 （一组产生进位， 一组不产生进位 ） ，完成指定的运算， 观察进位标志和零标志灯的状态，以及进位对ALU下

14、一步操作的影响- 12 -计算机组成原理实验指导五实验步骤(1) 按图 22 连接实验线路，仔细查线无误后，接通电源。图 2-2 实验接线图(2) 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 输入流程如下：- 13 -计算机组成原理实验指导(3) 按照实验一的方法检查 DR1和 DR2中的数。观察结果： (DR1)=(DR2)=(4) 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。(5)

15、 验证带进位的运算及进位锁存功能。设置 Cn=l，Ar=O 进行带进位算术运算。此时数据总线上显示的数据为DR1加DR2加当前进位标志的值， 相加的结果是否产生进位 , 检查 CY灯，若进位标志灯亮， 表示无进位，反之，有进位；本次运算结果是否为0，检查 ZI 灯，若零标志灯亮，运算结果不为 0 ，反之，结果为 0。关闭输入三态门： SW-B = 1打开 ALU输出三态门： ALU-B = O 关闭寄存器的输入： LDDR1 = 0 LDDR2 = 0 进行带进位加法运算： Cn = lAr = OS3 S2 Sl S0 M = l 0 0 1 0观察结果 ( 此时只能观察到本位和 ) ：按动

16、微动开关 KK2，观察进位标志灯 CY，零标志灯 ZI 的变化。(此时将显示锁 存器 74 中的内容，同时也会将锁存内容加到ALU的低位)，现象是：(6) 输入另一组数据 11111111， 00000001 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。结果是：(7) 当刚才运算的进位已经锁存到 74LS74 时，输入另一组数据 11111111，00000001 到 DR1和 DR2 中，观察进位灯及结果。结果是：- 14 -计算机组成原理实验指导(8) 输入另一组数据 00001110， 00000001 到 DR

17、1和 DR2中，观察进位灯及结果。结果是：六思考题1 本次运算的进位是如何进行锁存的？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 进行加法运算时为什么要关闭 DR1,DR2?4 叙述带进位的加法的实现原理。- 15 -计算机组成原理实验指导实验三 移位运算实验一 实验目的 验证移位控制的组合功能。二实验设备TDN-CM+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。三实验内容1实验原理移位运算实验原理如图所示， 使用了一片 74LS299 作为移位发生器， 其 八输入输出端以排针方式和总线单元连接。 299-B 信号控制其使能端， T4 时 序

18、为其时钟脉冲，实验时将“ W/R UNIT”中的 T4 接至“ STATEU NIT”中的 KK2 单脉冲发生器，由 S0 S1 M 控制信号控制其功能状态，其列表如下：- 16 -计算机组成原理实验指导299-BS1S0M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1任意装数实验步骤（）连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。）移位操作： 置数，具体步骤如下：数据开关三态门置数三态门( 01101011)(01101011)SW-B=0 S0=1 SW-B=1S1=1T4= 移位，参照上表改变S0 S1 M 299-B 的状态，按动微动开关

19、KK2，观察移位结果。- 17 -计算机组成原理实验指导实验四 静态随机存储器实验一实验目的掌握静态随机存储器 RAM的工作特性及数据的读写方法。二实验设备TDN CM+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半导体静态存储器电路原理如图 3-1 所示，实验中的静态存储器由 一片 6116(2K8) 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 ADOAD7与地址线相连， 显示地址线内容。 数据开关经三态门 (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，接入 6116 的地址 A7-AO ，而高三位 A8 A

20、1O接地，所 以其实际容量为 256 字节。6116 有三个控制线； CE(片选线 ) 、0E(读线 ) 、WE(写线) 。 当片选有效 (CE=O)时，OE=O时进行读操作， WE=0时进行写操作。 本实验中将 0E 常 接地，因此 6116 的引脚信号 WE=0时进行读操作， WE=1时进行写操作。在此情况下，要对存储器进行读操作，必须设置控制端CE=O、 WE=O，同时由T3 脉冲到来，要对存储器进行写操作，必须设置控制端CE=O、WE=1，同时由 T3 脉冲到来，其读写时间与 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 相应插孔中，其脉冲宽度 可调，其它

21、电平控制信号由“ SWITCHU NIT”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。- 18 -计算机组成原理实验指导图 3-1 存储器实验原理图四实验内容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入总线后， 存到指定的存储单元， 数据再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。- 19 -计算机组成原理实验指导五实验步骤(1) 将时序电路模块中的 和 H23 排针相连。 将时序电路模块中

22、的二进制开关“STOP”设置为“ RUN”状态、将“ STEP”设置为 STEP状态。(2) 按图 32 连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。图 3-2 存储器实验接线图( 注意 : 关于 stop 和 step 的说明 : 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 T3输出为连续的方波信号， 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

23、方式相同。)(3) 向存储器指定的地址送入数据，如 : 向 00 单元中输入 11, 步骤如下 : 向地址寄存器 AR 中输入地址 00 的流程如下：- 20 -计算机组成原理实验指导操作步骤是，设置：SW-B = 1从输入开关输入： 打开输入三态门：00000000SW-B = 0观察地址灯的变化将地址打入地址锁存器中： LDAR = 1按 START 发 T3 脉冲 输入要存放的数据 11 的流程如下：操作步骤是，设置：SW-B = 1从输入开关输入：00010001打开输入三态门：SW-B = 0关闭地址寄存器：LDAR =0将数据写入存储单元： CE =0WE =1按 START 发

24、T3 脉冲输入数据在数码管上显示：LED-B = 0发 W/R 脉冲观察数据显示灯和数码显示管的变化 按照的步骤继续向下面的几个地址中输入下述数据- 21 -计算机组成原理实验指导地址数据0112021303140415(4) 从存储器指定的地址中读出数据 . 如从 00 中读出的流程如下：操作步骤是，设置 :SW-B = 1禁止存储器读写： CE = 1从输入开关输入： 00000000打开输入三态门： SW-B = 0 将地址打入地址锁存器中： LDAR = 1按 START 发 T3 脉冲关闭输入三态门： SW-B = 1关闭地址寄存器： LDAR = 0 从存储器中读出数据： CE =

25、 0WE = 0 数据在数码显示管显示： LED-B = 0 发 W/R 脉冲同样从其它 4 个地址 : 01 ,02 ,03 , 04中读出数据，观察地址显示灯 , 数据显 示灯和数码显示管的变化，并检查是否和输入的数据一致。六思考题 1OE, A10 A8 为什么要接地 , 不接地有何影响 ?2本实验中存储器能够存储的最大容量是多少？PC、 AR 寄存器的位数是多少？存储器的每个单元能存放的最大整数和最小整数是多少？3存储器本身是怎样存取数据的？本实验中是如何控制内存的读和写？- 22 -实验五 总线传送控制实验实验目的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

26、传输控制特性。实验设备TDN CM+计算机组成原理教学实验系统一台，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，总线 就是指能为多个功能部件服务的一组公用信息线。本实验所用总线传输实验框图如图 41 所示，需要用排线连接， 使几种不同的设备挂 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，就可实线总线信息的传输。SW-BLDARCSW/R数据地址寄存存储器输入开关器ARRAM图 4-1 总线传送实验框图四实验内容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