计算机组成原理上机实验报告

1、计算机组成原理实验课程实验报告实验题目组成原理上机实验班 级237小姓 名学 号时 间2014年5月成 绩基本运算器实验实验一实验目的1.1）r解运算器的组成原理（2）掌握运算器的工作原理（2 实验内容1-2. 1-1进行逻辑、移位、算术运算，将运算结果填入衣输入数据，根据运算器逻辑功能衣M52 M MllXF-B g和coinXF=AR(F7oonXF-A*B0110I)f-acrfz)JF-A右桂(i(JK ,Olli0F-A虎筒在修位FZ)1F八辿3国环&彩位F八taxiX FC-CSFC)1001XF-A Ad bFC FZI1010XF-A 1D(I I tnotXF-A AD 1(

2、FC. FZmoX血BD1U1X运算器逻辑功能农农1-1运算类A B S3 S2 SI SO CN结果F=( 65 ) FC=()FZ=()逻辑运 65 A7 0 0 0 0 XF=( A7 ) FC=()FZ=()0 0 0 1 X 65 A7 算 F=() FC=( ) FZ=( )0010F=() FC=()FZ=()X 0 0 11F=() FC=()FZ=()0100 XF=() FC=()FZ=()0101移位运XF=() FC=()FZ=()01100算1F=() FC=()FZ=()0 1 1 1F=()1FC=()FZ=( )01F=() FC=()FZ=()1 0 0 OX

3、F=()FC=()FZ=()算术1 0 0 1F=()FC=()FZ=( )X1 0 1 F=() FC=( ) FZ=( )X1 0 1 XF=() FC=()FZ=()1 0 1 1F=()FC=()FZ=( )X1 1 0 0XF=() FC=( ) FZ=()1 1 0 1F=() FC=( ) FZ=()运算结果衣1-2 U3实验原理本实验的原理如图1-1所示。运算器内部含有三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，耍处理的数据存于暂存 器A和暂存器B,三个部件同时接受来自A和B的数据(有些处理器体系结构把移位运算器 放于算术和逻辑运算部件之前，如ARM),各部件对操作数进行

4、何种运算由控制信号S3-S0和 CN来决定，任何时候，多路选择开关只选择三部件中个部件的结果作为ALU的输出。如果是 影响进位的运算，还将置进位标志FC,在运算结果输出前，置ALU零标出ALU中所有模块集 成在-片CPLD中。Z7V图1-1运算器原理图逻辑运算部件由逻辑门构成，较为简单，而后面又有专门的算术运算部件设计实验，在此对这两 个部件不再赘述。移位运算采用的是桶形移位器，般采用交叉开关矩阵来实现，交叉开关的原 理如图1-2所示。图1 -2中显示的是-个4X4的矩阵(系统中是个8X8的矩阵)。每个输入都通过开关与- 个输岀和连，把沿对角线的开关导通，就可实现移位功能，即：(1) 对于逻辑

5、左移或逻辑右移功能，将条对角线的开关导通，这将所有的输入位与所使用的输 出分别相连，而没有同任何输入相连的则输出连接0。(2) 对于循环右移功能，右移对角线同互补的左移对角线起激活。例如，在4位矩阵中使用右 1和左3对角线来实现右循环1位。(3) 对于未连接的输出位，移位时使用符号扩展或是0填充，具体由相应的指令控制。使用另外 的逻辑进行移位总量译码和符号判别。运算器部件由片CPLD实现cALU的输入和输出通过三态门74LS245连到CPU内总线上，另 外还有指示灯标明进位标志FC和零标志FZ。请注意：实验箱上凡丝印标注有马蹄形标记 农示这两根扌II：针之间是连通的。图中除T4和CLR.其余信

6、号均来自于ALU单元的排线座，实 验箱中所有单元的T1、T2、T3、T4都连接至控制总线单元的Tl、T2、T3、T4, CLR都连接至C0N 单元的CLR按钮T4由时序单元的TS4捉供(时序单元的介绍见附录二)，其余控制信号均由 CON单元的二进制数据开关模拟给出。控制信号中除T4为脉冲信号外，其余均为电平信号，其 中ALU_B为低有效，其余为高有效。为例，其A0所示(以1-3灯上实时显示，原理如图LED的数据能在B和暂存器A暂存 器. ON诡穴线路连接图D7-D0的显示原理也是如此。和数据总线。进位标志FC、零标志FZ它相同）K羽VCC |=忧o一 A0A0显示原理图图1-3为为进位标志，F

7、Z SO CX为控制信号，FC运算器的逻辑功能衣如农1-1所示，其中S3 S2 S1 FZ衣示当前运算会影响到该标志。运算器零标志，农中功能栏内的FC、实验结果4 运算类A B S3 S2 SI CN结果)F=( 65 )FC=(0逻辑运65 A7F=( A7 )F=( E7 )F=( 9A )F=( CA )F=( 32 )F=( CA)F=(CA )F=( 65 0 1 XF=( 0D ) F=(BE )F=( 64 )F=( 66 )110 1FC=( FC=( iFC=( iFC=(FC=(FC=( iFC=( FC=( 1)1)X 1 0 0 0FC=( 1FC=( 1FC=( 0F

8、C=( 0)1 65 A7 X 算 F=( 26 ) FC=( 0 )0 0 1 0 X1 X0 X1移位运X0 00 111算 F=( B2 ) FC=( 1 ) 10算术 F=( 0C ) FC=( 1)10 0 1XF=( 33 ) FC=( 1 )10X5实验心得通过本次试验，了解了运算器的组成原理和工作原理，初步了解这门实验课的方法和步骤等，这 只是次很简单的实验，为的就是为后面几次相对比较复杂的实验打下坚实的基础，以便于更好的学习静态随机存储器实验实验二1 试验目的RAM工作特性及数据的读写方法掌握静态随机存储器2实g佥内容存到指寄存器，再将数据送入总线后，地址先输入AR1.向存储

9、器中指定的地址单元输入数据定的存储单元.观察数据在各部件上的 显示结果。观察读出的数据送入总线，AR寄存器，2.从存储器中指定的地址单元读出数据，地 址先输入数据在各部件上的显示结果。3 实验原理6116所示。，如图2-1 bit）构成（位于NEM单元）实验所用的静态存储器由片6116 （2KX8） CS=O,其功能如农2-1所示，当片 选有效（0E （读线）、WE （写线）CS有三个控制线：（片选线）、常接地。时进行写操作，本实 验将CS WE=O时，0E=0时进行读操作，能CPU CPU上，所以其还需要-个读写控制逻辑，使 得由于存储器（MEM）最终是要挂接到的写脉MEMT3的参与，可以保

10、证控制MEM的读写，实验 中的读写控制逻辑如图2-2所示，由于还用来选择是对I/OIOM （时序单元的介绍见附录2）。 宽与T3 致,T3由时序单元的TS3给出2-2所示。RD=1时为读,WR=1时为写。如衣是对MEM 进行读写操作，CS丽0E功能1XX不逸择010001000写1图2-2农2-1 SRAM 6116功能农农2-2读写逻辑控制农读写控制逻辑IOM WR RD IN OUT MEM1 1有效0有 0 1 11000实验原理图如图2-3所示，存储器数据线接至数据总线，数据总线上接有8个LED灯显示 D7-D0的内容。地址线接至地址总线，地址总线上接有8个LED灯显示A7-A0的内容

11、，地 址由地址锁存器（74LS273,位于PC&AR单元）给出。数据开关（位于IN单元）经个三态门（74LS245）连至数据总线,分时给出地址和数据。地址寄存器为8位，接入6116的地址A7 A0, 6116的高三位地址A10-A8接地，所以其实际容量为256字节。实验箱中所有单元的时序都连接至时序与操作台单元,CLR都连接至CON单元的CLR按钮。应 为低（即I0M单元的二进制开关模拟给出，其中CON由时序单元给出，其余信号由T3实验时. MEM操作），RD、WR高有效，MR和MW低有效，LDAR高有效。存储器实验原理图2-3图4实验心得通过本次试验，了解了静态随机存储器RAM工作特性及数据

12、的读写方法，同时知道了组成 原理的理论课也很重要，没有理论课的展础，实验时就不知道怎么弄了，只有把理论和实践结合 起来才能学好这门课。实验三 系统总线与总线接口1 实验目的(1) 理解总线的概念及其特性(2) 掌握控制总线的功能和应用2 实验内容1、输入设备将-个数打入R0寄存器。2、输入设备将另一个数打入地址寄存器。3、将R0寄存器中的数写入到当前地址的存储器中。4、将当前地址的存储器中的数用LED数码管显示。3 实验原理实验接线图由于存储器和输入、输出设备最终是要挂接到外部总线上，所以需要外部总线捉供 数据信号、地址信号以及控制信号。在该实验平台中，外部总线分为数据总线、地址总线、和控 制

13、总线，分别为外设提供上述信号。外部总线和CPU内总线之间通过三态门连接，同时实现了 内外总线的分离和对于数据流向的控制。地址总线可以为外部设备提供地址信号和片选信号。. 农3-2读写逻辑控制农IOM WR RD IN OUT MEM1有效1 0有效1 1 0写0 1 0 读00在理解读写控制逻辑的基础上我们设计个总线传输的实验。实验所用总线传输实验框图如图 3-3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，按照传输耍求恰当有序的控制它们，就可实现总线信息传输。图3-3总线传输实验框图4实验心得通过本次试验，我们对总线的概念和其特性及

14、控制总线的功能和应用得到更多的了解。学会r 自己译码，自己译出控制信号等，感觉这是门比较有趣的课程，希望这能在以后的学习和工作 中带来一定的益处。微程序控制器实验实验四实3佥目的1. （1）掌握微程疗:控制器的组成原理（2）掌握微程疗:的编制、写入，观察微程序的运行过程2 实验内容 设计以下机器指令的微程序，如衣4-2所示：衣4-2机器 指令的微程序助记符机器指令码说明IN 0010 0000 IN - RORO + R0-0000 0000 ADD ROR0-0011 0000 OUT OUT 停机 0101 0000HLT本实验安排了四条机器指令,分别为ADD (0000 0000)、IN

15、 (0010 0000)、OUT (0011 0000)和 HLT (0101 0000),括号中为各指令的二进制代码3 实验原理微程序控制器的基本任务是完成当前指令的翻译和执行，即将当前指令的功能转换成可以控制的 硬件逻辑部件工作的微命令序列，完成数据传送和各种处理操作。它的执行方法就是将控制各部 件动作的微命令的集合进行编码，即将微命令的集合仿照机器指令样,用数字代码的形式衣示, 这种农示称为微指令。这样就可以用个微指令序列衣示条机器指令，这种微指令序列称为微 程序。微程序存储在种专用的存储器中，称为控制存储器,微程序控制器原理框图如图4-1所 示。图4-1微程序控制器组成原理框图微程序控

16、制器的组成见图4-2,其中控制存储器采用3片2816的E2PR0M,具有掉电保护功能, 微命令寄存器18位，用两片8D触发器(273)和片4D(175)触发器组成。微地址寄存器6 位，用三片正沿触发的双D触发器(74)组成，它们带有淸“0”端和预置端=在不判别测试的 情况下,T2时刻打入微地址寄存器的内容即为下条微指令地址。当T4时刻进行测试判别时， 转移逻辑满足条件后输出的负脉冲通过强置端将某触发器置为“1”状态，完成地址修改。 首先将KK1拨至停止档、KK3拨至编程档、KK4拨至控存档、KK5拨至置数档， 由CON单元的SD05SDOO开关给出需要编辑的控存单元首地址(000000), I

17、N单元开关给 出该控存单元数据的低8位(00010001),连续两次按动时序与操作台单元的开关ST (第次 按动后MC单元低8位显示该单元以前存储的数据，第二次按动后显示当前改动的数据)，此时 MC单元的指示灯MA5MA0显示当前地址(000000), M7M0显示当前数据(00010001)。 然后将),连续两次按动开00100010位(8单元开关给出该控存单元数据的中IN r档，拨至加KK5 关ST,完成对该控存单元中8位数据的修改，此时MC单元的指示灯MA5一一MA0显示当前地 址(000000), M15一一M8显示当前数据(00100010)；再由IN单元开关给岀该控存单元数据的 高

18、8位(00110011),连续两次按动开关ST,完成对该控存单元高8位数据的修改此时MC单元的 指示灯MA5MA0显示当前地址(000000), M23M16显示当前数据(00110011 )此时被编辑的控存单元地址会自动加1（01H）,由IN单元开关依次给出该控存单元数据的低8位、 中8位和高8位配合每次开关ST的两次按动，即可完成对后续单元的编辑。编辑完成后需进行校验，以确保编辑的正确。以校验00H单元为例，对于控制存储器进行校验 的具体操作步骤如下：首先将KK1拨至停止档、KK3拨至校验档、KK4拨至控存档、 KK5拨至置数档。由CON单元的SD05SDOO开关给出需要校验的控存单元地址

19、（000000）, 连续两次按动开关ST, MC单元指示灯M7一M0显示该单元低8位数据（00010001）； KK5拨 至加1档，再连续两次按动开关ST, MC单元指示灯M15一一M8显示该单元中8位数据（00100010）；再连续两次按动开关ST, MC单元指示灯M23一一M16显示该单元高8位数据 （00110011）位于实验平台MC单元左上角列三个指示灯用来指示当前操作的微程序字段， 分别对应M23M16、M15M8. M7M0。实验平台提供了比较灵活的手动操作方式，比如 在上述操作中在对地址置数后将开关KK4拨至，减1档，则每次随着开关ST的两次拨动操作, 字节数依次从高8位到低8位

20、递减，减至低8位后，再按动两次开关ST,微地址会自动减， 继续对下一个单元的操作。衣4-1微指令格式|1!lt3jITo|bopo1 LDRO1Oo你wrn11 (cfV Mt 1 1:1 1IBIK.丄丄IOVV.oooNOF! o1）1KO Ho11ffVW1 ioo侏fVf1o1保rrr11o .1:t1s7G - 1 roooNOPo)1P)11fr* n ro11炸i/r1oo倨F“11W RY11oW W1c E殳239021201918-1514-1211-98-65-01123U22RD10MS3-S0A字段B字段C字段MA5-倾其中MA5-MA0为6位的后续微地址，A、B、C

21、为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多 位。C字段中的Pl为测试字位。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，从而实现完成对指令的识别，并实现微程序的分支，本系统上的指令译码 原理如图4-3所示，图中17-12为指令寄存器的第7-2位输出,SE5-SE0为微控器单元微 地址锁存器的强置端输出，指令译码逻辑在IR单元的INS_DEC （GAL20V8）中实现。中的要多，这是因为实验的不同，4-1中也可以看出，微控器产生的控制信号比衣4-2从图 所需的控制信号也不一样，本实验只用了部分的控制信号。本实验除了用到指令寄存器（IR）和通用寄存器R0外，还要用到IN和

22、OUT单元，从微控器出来的信号中只有IOH、WR和RD三个信号，所以对这两个单元的读写信号还应先经过译码， 其译码原理如图4-4所示。IR单元的原理图如图4-5所示,R0单元原理如图4-7所示，IN单 元的原理图见图4-3所示，OUT单元的原理图见图4-6所示。图4-3指令译码原理图1、4-5 IR单元原理图图图4-4读写控制逻辑实验中机器指令由CON单元的二进制开关手动给出，其余单元的控制信号均由微程序控制器自 动产生，为此可以设计出相应的数据通路图，见图4-8所示。图4-8数据通路图4 .实验心得通过本次试验，我学习到了微程序控制器的组成原理及其编制、写入。每条控制代码，都是由几个控制代码组合而成，这用到了前面几次实验的知识，也让我掌握了自己编写控制代码的能 力，感觉这次实验中收获良多，相信对最后次实验会有很人