计算机组成原理实验报告

1、计算机组成原理实验报告册课程名称 计算机组成原理院 别 计算机学院专 业 计算机技术与应用年 级 2011级学 号 201124131147学生姓名 黎庆强指导教师 蔡文伟学 期 2012-2013学年第1学期实验一 运算器实验：算术逻辑运算实验一、 实验目的与要求：1、了解运算器的组成结构；2、掌握算术逻辑运算器的工作原理；3、掌握简单运算器的数据传送通道；4、验算由74LS181等组合逻辑组成的运算发生器的组合功能；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、实验原理图1 运算器数据通路图实验中所用的运算器数据通路图如上图所示。图中所示的是由两片 74LS18

2、1 芯片以并/串形式构成的 8 位字长的运算器。右方为低 4 位运算芯片，左方为高 4 位运算芯片。低位芯片的进位输出端 Cn+4 与高位芯片的进位输入端 Cn 相连，使低 4 位运算产生的进位送进高 4位运算中。低位芯片的进位输入端 Cn 可与外来进位相连，高位芯片的进位输出引至外部。 两个芯片的控制端 S0S3 和 M 各自相连，其控制电平见下表。 表1 74LS181逻辑功能表为进行双操作数运算，运算器的两个数据输入端分别由两个数据暂存器 DR1、DR2（用锁存器 74LS273 实现）来锁存数据。要将内总线上的数据锁存到 DR1 或 DR2 中，则锁存器74LS273 的控制端 LDD

3、R1 或 LDDR2 须为高电平。当 T4 脉冲来到的时候，总线上的数据就被锁存进 DR1 或 DR2 中了。 为控制运算器向内总线上输出运算结果，在其输出端连接了一个三态门（用 74LS245 实现）。若要将运算结果输出到总线上，则要将三态门 74LS245 的控制端 ALU-B 置低电平。否则输出高阻态。数据输入单元(实验板上印有 INPUT DEVICE)用以给出参与运算的数据。其中，输入开关经过一个三态门（74LS245）和内总线相连，该三态门的控制信号为 SW-B，取低电时，开关上的数据则通过三态门而送入内总线中。总线数据显示灯（在 BUS UNIT 单元中）已与内总线相连，用来显示

4、内总线上的数据。 控制信号中除 T4 为脉冲信号，其它均为电平信号。 由于实验电路中的时序信号均已连至“W/R UNIT”单元中的相应时序信号引出端，因此，需要将“W/R UNIT”单元中的 T4 接至“STATE UNIT”单元中的微动开关 KK2 的输出端。在进行实验时，按动微动开关，即可获得实验所需的单脉冲。 S3、S2、 S1、S0 、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU-B、SW-B 各电平控制信号则使用“SWITCH UNIT”单元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，LDDR1、LDDR2 为高电平有效。 对于单总线数据通路，作实验时就要分

5、时控制总线，即当向 DR1、DR2 工作暂存器打入数据时，数据开关三态门打开，这时应保证运算器输出三态门关闭；同样，当运算器输出结果至总线时也应保证数据输入三态门是在关闭状态。四、实验内容1、输入数据通过三态门74LS245后送往数据总线，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，结果在数据显示灯和数码显示管LED上显示。五、实验步骤1按图 2连接实验电路并检查无误。图中需要连接的信号线已用小圆圈标明。 图2 总线

6、数据显示连线图2开电源开关。 3用输入开关向暂存器 DR1 置数65H。 拨动输入开关形成二进制数01100101（或其它数值）。（数据显示灯亮为0，灭为1）。 使 SWITCH UNIT 单元中的开关 SW-B=0（打开数据输入三态门）、ALU-B=1（关闭ALU输出三态门）、LDDR1=1、LDDR2=0。 按动微动开关 KK2，则将二进制数 01100101 置入 DR1 中。 4用输入开关向暂存器 DR2 置数A7H。 拨动输入开关形成二进制数 10100111（或其它数值）。 SW-B=0、ALU-B=1 保持不变，改变 LDDR1、LDDR2，使 LDDR1=0、LDDR2=1。

7、按动微动开关 KK2，则将二进制数 10100111 置入 DR2 中。 5检验 DR1 和 DR2 中存的数是否正确。 关闭数据输入三态门（SW-B=1），打开 ALU输出三态门（ALU-B=0），并使LDDR1=0、LDDR2=0，关闭寄存器。 置 S3、S2、 S1、S0 、M 为 1 1 1 1 1，总线显示灯则显示 DR1 中的数。 置 S3、S2、 S1、S0 、M 为 1 0 1 0 1，总线显示灯则显示 DR2 中的数。 6改变运算器的功能设置，观察运算器的输出。 SW-B=1、ALU-B=0 保持不变。 按表 2-2 置 S3、S2、 S1、S0 、M、Cn 的数值，并观察总

8、线显示灯显示的结果。 例如：置 S3、S2、 S1、S0 、M、Cn 为 1 0 0 1 0 1，运算器作加法运算。 置 S3、S2、 S1、S0 、M、Cn 为 0 1 1 0 0 0，运算器作减法运算。 7验证 74LS181 的算术运算和逻辑运算功能（采用正逻辑） 在给定 DR1=65、DR2=A7 的情况下，改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，填入表2中，并和理论分析进行比较、验证。六、实验结果DR1DR2S3 S2 S1 S0M=0（算术运算）M=1（逻辑运算）Cn=1无进位Cn=0有进位656565A7A7A70000000100100011010001010110011110

9、001001101010111100110111101111F=（65）F=（E7）F=（7D）F=（ FF ）F=（ A5）F=（27 ）F=（ BD ）F=（ 3F ）F=（ 8A ）F=（ 0C ）F=（ A2 ）F=（ 24 ）F=（ CA ）F=（ 4C ）F=（ E2）F=（ 64 ）F=（66）F=（E8）F=（7E）F=（ 0 0）F=（ A6 ）F=（ 28 ）F=（ BE ）F=（ 40 ）F=（ 8B ）F=（ 0D ）F=（ A3 ）F=（ 25 ）F=（ CB ）F=（ 4D ）F=（ E3 ）F=（ 65 ）F=（9A）F=（18）F=（82）F=（ 00 ）F=（

10、 DA ）F=（ 58 ）F=（ C2 ）F=（ 40 ）F=（ BF ）F=（ 3D ）F=（ A7 ）F=（ 25 ）F=（ FF）F=（ 7D ）F=（ E7 ）F=（ 65 ）七、实验结论表2中的实验结果与按照表1的逻辑功能理论计算的结果相同，验证运算功能发生器(74LSl81)的组合功能。这说明按照图1设计的运算器是能够完成我们要求的功能的，其设计是正确的。八、问题及讨论1、检验 DR1 和 DR2 中存的数是否正确时，发现两个寄存器都是同一个数。仔细想了一下，发现都是存入寄存器DR2的数A7H。于是判断应该是因为向DR2打入数据时没有把DR1的控制端LDDR1关闭，导致A7H在存入

11、DR2的同时也存入了DR1，覆盖了原来的数65H。九、实验心得通过本次试验，我最大的心得就是做实验前一定要明白实验的原理，这样才能够在实验中一步一步将实验的结果与理论值的对照，当出现问题时才能够有依据地进行判断排错。实验中接线要有耐心，不要接错、接反。经过本次试验我这次做的实验还算是比较成功的,因为我掌握了算术逻辑运算器单元ALU（74LS181）的工作原理,并熟悉了怎样输入输出数据和验算由74LS181等组合逻辑电路的运算功能发生器运算功能等实验步骤和要求.同时也在不知不觉中提高了动手能力和独立分析思考问题、解决问题的能力。思考题：1.在运算器数据通路图中，DR1，DR2连接到74LS181

12、是为什么要交叉？答：为了让DR1中数据的高四位和DR2中数据的高四位输入到同一块74SL181中进行运算，与此同时让DR1中数据的低四位和DR2中数据的低四位输入到另一块74SL181中进行运算；之后两块74SL181得到的数据就分别为高四位、第四位的和，到达总线的数据正好为DR1和DR2中数据进行运算后的结果！ 2.两个4位74LS181是如何构成8位的ALU的？答：本实验中两片74LS181（每片4位）以串行方式构成字长为8为的运算器；如图所示： 3.“+”和“加”的区别是什么？答：“+”只是一个字符，而“加”代表一种运算，即加法运算。4.数据输入DR1，DR2时控制有何限制？ 答：要使数

13、据只输入DR1中，则LDDR1必须置为高电平同时LDDR2要置为低电平，之后再给DR1来一个T4脉冲，让总线上的数据进入DR1上。即要让数据进入哪个数据缓冲寄存器就要开启该寄存器，同时使其他寄存器处于关闭状态。5.运算器是如何完成不同的功能的？怎么控制它？答：根据所要求的功能，写出其逻辑表达式，之后根据逻辑表达式运用与门，或门，非门，异或，同或门等逻辑部件画出电路图，最后根据电路图做出实际电路。74181ALU有两种工作方式，对正逻辑操作来说，算术运算称正逻辑操作，对于负逻辑操作数来说，正好相反。由于S0S3有16种状态组合，因此对正逻辑输入与输出而言，有16种算术运算功能和16种逻辑算术功能

14、。分别可以通过控制S0S3和M的值来控制运算器的功能。实验二 运算器实验：进位控制实验一、 实验目的与要求：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。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 图1 带进位运算器通路图进位控制运算器的实验原理在实验（1）的基础上增加进位控制部分，其中181的进位进入一个74锁存器，其写入是又T4和AR信号控制，T4是脉冲信号，实验时将T4连至“STATE UNIT”的微动开关KK2上，AR是电平控制信号（低电平有效），可用实现带进位控制实验，而T4脉冲是将本次运算的进位结果锁存到进位锁存器中。图

15、所示为进位锁存及其显示电路。运算器最高位进位输出Cn+4 连接到一个锁存器（用74LS74 实现）的输入端D,锁存器控制端的控制信号AR 必须置为低电平，当T4 脉冲来到时，进位结果就被锁存到进位锁存器中了，发光二极管这时显示为“灭”。同时也将本次的进位输出结果带进了下次的运算中，作为下次运算的进位输入。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下一步操作的影响。五、实验步骤1. 按照“进位控制实验原理图”，连接实验电路。 2. 仔细查线无误后，接通电源。3. 用二进制数码开关向DR1和DR2寄存器置数，方

16、法同实验一。4. 关闭数据输入三态门（SW-B=1）,打开ALU输出三态门（ALU-B=0），并使LDDR1=0、LDDR2=0，关闭寄存器打入控制门。 5. 对进位标志清零。实验板上“SWITCH UNIT”单元中的CLR开关为标志CY、ZI的清零开关，它为零状态时是清零状态，所以将此开关做101操作，即可使标志位清零。 6. 注意：进位标志指示灯CY亮时表示进位标志为“0”，无进位；指示灯CY灭时表示进位标志为“1”，有进位。 7. 验证带进位运算及进位锁存功能，使Cn=1，AR=0，进行带进位算术运算。8. T4脉冲到来时，将本次运算的进位结果锁存到进位锁存器中。注意观察进位标志显示灯C

17、Y。 例如：做加法运算，首先向DR1、DR2置数，然后使ALU-B=0, S3、S2、S1、S0、M状态为1、0、0、1、0，此时数据总线上显示的数据为DR1加DR2加当前进位标志的和，但这时的进位状态位还没有打入锁存器中，（它要靠T4节拍打入的）。这个结果是否产生进位，则要按动微动开关KK2，若进位标志灯亮，表示无进位；反之，有进位。因为做加法运算时数据总线一直显示的数据是DR1+DR2+CY，所以当有进位输入到进位锁存器时，总线显示的数据将为加上当前进位锁存器中锁存的进位的结果。六、实验结果表2七、实验结论表2中的实验结果与按照表1的逻辑功能理论计算的结果相同，验证带进位控制的运算器的组成

18、结构，也验证带进位控制的运算器的功能。这说明按照图1设计的运算器是能够完成我们要求的功能的，其设计是正确的。八、实验心得通过本次试验，我最大的心得就是做实验前一定要明白实验的原理，这样才能够在实验中一步一步将实验的结果与理论值的对照，当出现问题时才能够有依据地进行判断排错。实验中接线要有耐心，不要接错、接反。经过本次试验我这次做的实验还算是比较成功的,同时也在不知不觉中提高了动手能力和独立分析思考问题、解决问题的能力。实验三 静态随机存储器实验一、实验目的 掌握静态随机储存器RAM的工作特性和数据的读写方法 二、实验设备 TDN-CM+计算机组成原理教学实验系统一套，导线若干。 三、实验原理

19、实验所用的半导体静态存储器电路原理如图1所示，实验中的静态存储器由一片6116(2K×8)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A8A1O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=1时进行读操作， WE=

20、0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，同时有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，同时有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，其它电平控制信号由“SWITCH UNIT”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。 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，数据在数据显示灯和数码显示管显示。 2. 从存储器中指定的地址

21、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。 五、实验步骤图2 存储器实验接线图（1） 按图2连接实验线路，仔细查线无误后接通电源（2） 将时序电路模块中的和H23排针相连。 将时序电路模块中的二进制开关“STOP”设置为“RUN”状态、将“STEP”设置为"STEP"状态。 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

22、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：1）操作步骤是，设置：a、SW-B=1； b、从输入开关输入00000000； c、打开输入三态门：SW-B=0； d、将地址打入地址锁存器中：LDAR=1,按START发T3脉冲。 2）观察地址灯的变化。 输入要存放的数据11的流程如下：）操作步骤是，设置：a、SW-B=1； b、从输入开关输入00

23、010001； c、打开输入三态门：SW-B=0； d、关闭地址寄存器：LDAR=0； e、将数据写入存储单元：CE=0，WE=1,按START发T3脉冲； f、输入数据在数码管上显示：LED-B=0，发W/R脉冲2）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:(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：1）操作步骤是，设置：a、SW-B=1； b、 禁止存储器读写CE=1； c、从输入开关输入00000000； d、打开输入三态门：SW-B=0； e、将地址打入地址锁存器中：LDAR=1,按START发T3脉冲。 f、关闭输入三态门

24、：SW-B=0； g、关闭地址寄存器：LDAR=0； h、从存储器中读出数据：CE=0，WE=0； i、数据在数码管上显示：LED-B=0，发W/R脉冲。 2）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、实验结果 步骤3向存储器指定的地址输入数据结果：步骤四中，地址显示灯, 数据显示灯和数码显示管的变化，和输入的数据一致。 七、小结 通过这次实验，较好的掌握了静态存储器的工作特性及使用方法。掌握了半导体随机存储器如何存储数据及读出数据。从此次实验中懂得了在实验接线时要细心。在操作过程中，若出现问

25、题应能在最短时间内检查出问题，从而使实验过程更顺利。实验四 数据传送实验一、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.掌握总线传输控制特性。 二、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3-1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

26、照传输要求恰当有序地控制它们，就可实线总线信息的传输。图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RO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RO寄存器中的数写入到地址寄存器制定的存储器地址单元中。4.将存储器制定地址单元中的读书出用LED数码管五、实验步骤(1)、按下图连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。图2 数据传送接线图(2)、设置初始状态：(3)、从输入开关向RO中输入数据63H，设置;(4)、从输入开关将存储器地址20H输入AR中:(5)、将RO中的数据63H读出，送入到AR指定的存储器单元20H中，设置:(6)、将AR中指定的RAM地址

27、单元20H中的数据63H读出，送入到数码显示管中显示，设置:(7)、按同样的方式重复步骤(3)(7)，输入数据64到存储蓄单元21中。(8)、检查数据是否写入到指定的存储单元中，步骤如下:六、实验结果1、输入过程：2、检验结果：数码显示管与总线数据灯显示一致，实验结果和预期结果一样。七、实验小结1、由于一开始没有认清存储器W/R与输出设备W/R，导致实验出错，后来经过仔细的对比、调整，最后顺利的完成了数据传送实验。2、通过这次试验，掌握了总线传输控制特性，理解总线的概念。实验五 微控制器实验一、实验目的(1)掌握时序发生器的组成原理(2)掌握微程序控制器的组成原理(3)掌握微程序的编制、写入、

28、观察微程序的运行情况。二、实验设备 TDN-CM+计算机组成原理教学实验系统一套，导线若干。 三、实验原理 控制器的功能是产生执行指令所需的控制信号，但指令执行时所需的控制信号是依赖于具体计算机的数据通路的。本实验所用模型机的数据通路如图5-1所示。即指令执行时需产生标注的控制信号。图1 数据通路结构框图1、 微程序控制器的工作原理：微程序控制的计算机的工作原理是：计算机所识别的全部指令都是通过执行相应的微程序来完成的。因此应将机器能识别的所有指令编成对应的微程序，写入控制存取器中，以后在执行用户程序的过程中，每次先从内存储器中取出一条机器指令，其解释执行过程都是从控制存储器中读出相应的微程序

29、，执行每条微指令的过程。本实验实现的模型机共包含五条机器指令：IN(输入)、ADD（加法）、STA(存数)、OUT（输出）、JMP(无条件转移)，其指令格式如下（前4位为操作码）：助记符机器指令码说明IN 00000000“INPUT DEVICE”中的开关状态>ROADD addr00010000 XXXXXXXXRO+addr>ROSTA addr00100000 XXXXXXXXRO>addrOUT addr00110000 XXXXXXXXaddr>LEDJMP addr01000000 XXXXXXXXaddr>PC 其中IN为单字长（8位），其余为双字

30、长指令，XXXXXXXX为addr的对应的二进制地址码。下图是上述几条机器指令对应的参考微程序流程流程：图2 微程序流程图SWBSWA控制台指令00读内存（KRD）01写内存（KWE）11启动程序（PR）控制台操作微程序流程图如下：图3 控制台操作微程序流程图在编制微程序之前，必须确定微指令的格式。在实验中使用的模型机的指令格式如下给定，长度共24位。其中UA5UA0为6位的后续微地址，A、B、C为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位。其含义如下：A字段B字段C字段151413选择121110选择987选择000000000001LDRi001RS-B001P(1)010LDDR1010R

31、D-B010P(2)011LDDR2011RI-B011P(3)100LDIR100299-B100P(4)101LOAD101ALU-B101AR110LDAR110PC-B110LDPC 当每条机器指令对应的微程序全部设计完毕后，应将全部微程序按指令格式变成二进制代码，如下： 其中，微地址表示控制器中存放该微指令的地址。最后就可以将这些内容输入到控制器中。2、微程序控制电路 微程序控制器的组成见图3-2，其中控制存储器采用3片2816的E2PROM，具有掉电保护功能，微指令寄存器18位，用两片8D触发器（273）和一片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（

32、74）组成，它们带有清“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一条微指令地址。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一触发器置为“1”状态，完成地址修改。 在该实验电路中设有一个编程开关（位于实验板右上方），它具有三种状态：PROM（编程）、READ（校验）、RUN（运行）。当处于“编程状态”时，学生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，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。四实验内容1.将微程序输入到控制器中并校验；2.单步运行、连续运行，观察微程序控制器的工作原理；五、实验步骤1、 按下图接线：2、 将微程序输入控制存储器中将编程