运算器-存储器实验指导

1、实验指导实验1基本算术逻辑运算实验一、实验目的1. 掌握简单运算器的数据传送通路。2. 掌握运算器的组成及工作原理。3. 了解4位算术逻辑单元74ls181的组合功能，熟悉运算器执行算术操作和逻辑操作 的具体实现过程。4. 验证带进位控制的74ls181的功能。二、预习要求1. 复习木次实验所用的各种数字集成电路的性能及工作原理。2. 预习实验步骤，了解实验中要求的注意之处。三、实验设备el-jy-ii型计算机组成原理实验系统一套，排线若附：el-jy-ii型计算机组成原理实验系统简介（1）实验系统釆用“基板+cpu板”形式，将系统公共部分放宜在基板上，兼容8位 机和16位机，同一套系统通过更

2、换不同的cpu板即可完成8位机或16位机的实验。（2）实验系统提供而包板和pld实验板，能b行设计实验内容。可在单片机控制下编 程、显示和完成实验，也可在pc机上编程、传送、装载、调试和运行等，还可手动完成 全部实验，具备单步执行一条微指令或一条机器指令、连续运行程序、联机打印等功能。（3）系统支持动态微程序设计，微程序指令格式及定义可由用户h行设计并装入 e2promo采用红、黄、绿三种颜色指示灯以及数码管等多种形式的显示方法。（4）实验系统的基板是8位机和16位机的公共部分，包括数据输入/输出、显示及监 控、脉冲源及时序、数据和地址总线、8255接口、单片机控制接口和键盘操作、与pc机 通

3、讯接口、主存储器、微代码输入及显示、电源、pld实验板、自由布线区等。基板布局 如图320所示。自由布线区24位微代码输入及昱示电路电源单片机控制s搏电路pld珈轴8255接电路脉冲磁时序电路输岀昱示1/0曲期数据3主存储器电路地址总縫监控灯键盘区图3-20 el-jy-ii型计算机组成原理实验系统基板布局(5) 实验系统的cpu板分为8位机和16位机两种，除数据总线和地址总线分别为8 位和16位以外，还包括微程序控制器、运算器、寄存器堆、程序计数器、指令寄存器、指 令译码、地址寄存器、数据和控制总线等。cpu板布局如图321所示。运算器电路指令译码器电路微程序控制器电路指令寄存器电路寄存器堆

4、电路数据总线地址寄存器电路控制总线读写控制电路程序计数器电路图3-21 el-jy-ii型计算机纽成原理实验系统cpu板布局四、电路组成实验系统的运算器模块由算术逻辑单元alu (74ls181)、暂存器(74ls273)、三态 门(74ls244)和进位控制电路及gal芯片等组成。运算器的结构框图如图3-22所示。数据总线（d_bus）ar数据输入电路dilg图3-22运算器的结构框图算术逻辑单元alu是运算器的核心。集成电路74ls181是4位运算器，两片74ls181 以并/串形式构成8位运算器，可以对两个8位二进制数进行多种算术或逻辑运算,74ls181 有高电平和低电平两种工作方式，

5、高电平方式采用原码输入/输出，低电平方式采用反码输 入/输出，这里采用高电平方式。74ls181的功能控制条件山s3、s2、si、so、m、cn决定。高电平工作方式74ls的功能、管脚分配和引出端功能符号如图3-23所示。_b -asos12 3n 4 o 1 2 dcw-f -f _f ng10111224-1vcc23=ai22211bi 心20191b2a318171b3fg16151c0n+4fp141fa=b13=1f3运算数输入端（低电平有效）bob3运算数输入端（低电平有效）cn进位输入端如进位输出端f厂运算输出端（低电平有效）fb比较输出端fg进位产生输出端d氐电平有效）fp进

6、位传输输出端（低电平有效）m工作方式控制so-s3功能选择图323 74ls181管脚分配及输出端功能符号两片74ls273作为两个8位数据暂存器，其控制信号分別为ldr1和ldr2,当ldr1 和ldr2为高电平有效时，在t4脉冲的前沿，总线上的数据被送入暂存器保存。74ls273的管脚分配和引出端功能符号如图3-24所示。cr_1 j201 vccq 二2191 8q1d|_318_1 8d2d i417i 7d输入输出2q匚51 i161 7qcrcpdq3q 二6151 6qlxxl3di_7141 6dhthh4d_8131 5datt4q 二912二 5qhtllgndi10111

7、 cphlxqo图3-24 74ls273管脚分配及功能表三态门74ls244作为输出缓冲器，由alu-g信号控制，alu-g为“（）”时，三态门 开通，此时其输岀等于其输入；alu-g为“1”时，三态门关闭，此时其输出呈高阻。74ls244的管脚分配和引出端功能符号如图3-25所示。匚1-1 2 202 193 184 175 166 15匚匚i-匚1-7 148 139 1210 11匚二匚叽1a8y2a7y3a6y4a5yndvc一enly8a2y7a3y6a4y5a1输入输出| en al hh2l -低电平x-任意 z -高阻图3-25 74ls244管脚分配及功能五、实验原理及实验

8、内容1. 实验原理实验小所用的运算器连线如图3-26所示（采用单片机键盘操作方式）。运算器由两片 74ls以并/串形式构成8位字长的aluo运算器输出经过三态门74ls245和数据总线 相连，运算器的两个数据输入端分别市两个锁存器74ls373锁存，锁存器的输入连至数据 总线，数据显示灯已与数据总线相连，用来显示数据总线的内容。图326屮除了 t4为脉 冲信号，其它均为电平信号。电路中时序信号均已连好。2. 实验步骤及内容（1）按照原理图，参考连线图连接电路，仔细查线无误后，接通电源。（2）拨动清零开关clr使指示灯灭。再拨动clr使指示灯亮。（3）在监控滚动条显示class select时按

9、实验选择键，显示es-_ _,输入 “01”，按确认键，监控显示为es01,表示准备进入木实验程序，也可按取消键収消上一操作，重新输入。图3-26运算器实验连线（4）再按确认键，监控显示inst-,提示输入运算指令，输入两位十六进制数，选 择执行规定的操作，按确认键。（5）监控显示flo=o,此处l（）相当于表3-6屮的算术/逻辑运算标志m,默认为m=（）, 进行算术运算；若m=1时进行逻辑运算，按确认键，显示6=0,默认“0”，此吋进行 带进位运算，也可输入“1”进行不带位运算（注：如前面选择逻辑运算则cn不起作用）。 按卜确认键，显示lar=lj,使用默认值“1”，关闭进位输入，也可输入“

10、0”打开进位输入, 按确认键。（6）监控显示data,提示输入第一个数据，如输入十六进制数1234h,按确认, 显示data,提示输入第二个数，如输入十六进制数5678h,按确认,监控显示 finish,表示运算结束，可从数据总线显示灯观察结果，cy指示灯显示进位输出结果, 按卜确认监控显示les01j,可执行下一运算操作。（7）在给定lt1=1234h、lt2=5678h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3-7中，并进行比较论证。表37给定lt1 = 1234h、lt2=5678h时运算器功能设習及输出s3s2s1s0m=0m=1 （逻辑运算）cn=l （无进位）cn

11、=0 （有进位）0（）或（）f=0001001000110100f=0001001000110101f=111011011100101101或1f=010101100111u00f=010101100111u01f=101010011000001102或2f=1011101110110111f=l()l 1101110111000f=0100() 1000100100003或3f=11111 111 11111111f=0000000000000000f=000000000000000004或4f=()()() 10() 100011100()f=()()()l()()l()()()l 110

12、01f=111011011100111105或5f=0101011010000000f=0101011010000001f=101010011000011106或6f=1011101110111011f=1011101110111100f=010001000100110007或7f=0000000000000011f=0000000000000000f=000000000000010008或8f=0010010001100100f=0010010001100101f=111111111111101109或9f=() 11 ()10001() 1() 1100f=()l 101000101011

13、01f=l()l 11011101100110a或af=1100110111100111f=1100110111101000f=()l()l()l 10011110000b或bf=0001001000101111f=0001001000110000f=00010010001100000c或cf=0010010001101000f=001001000110100f=00000000000000010d或df=0110100010110000f=011000010110001f=1011101110ll01110e或ef=1100110111101011f=1100110111101100f=01

14、010110011111000f或ff=0001001000110011f=0001001000110100f=0001001000110100六、注意事项（1）应在实验前掌握典型芯片的功能及控制信号的作用。（2）实验过程中应认真进行操作，既不要因为粗心造成短路等事故而损坏设备，又要 仔细思考实验有关内容，提高学习的主动性和创造性，把学习中存在的问题通过实验理解 清楚，争取最好的实验效果。（3）实验之后应认真思考总结，写出实验报告，包括实验步骤和具体实验结果，遇到 的主要问题、故障现象和分析与解决的思路。实验报告屮应写出学习心得、切身体会和木 次实验的收获，也可对教学实验提出新的建议。实验2移

15、位运算实验、实验目的1. 掌握移位控制的功能及工作原理。2. 输入数据，利用移位寄存器进行移位。3. 验证移位运算控制的组合功能及用fpga的实现方法。4. 熟悉带进位控制的算术逻辑运算器的组成。二、预习要求1. 熟悉移位寄存器的功能。2. 预习移位运算电路的工作原理。三、实验设备el-jy-ii型计算机组成原理实验系统一套，排线若干。四、电路组成本模块由逻辑控制单元（由一片gal构成）和带三态输出的移位寄存器74ls299等 组成。74ls299具有并行接数、左移、右移、保持等功能，具有三态输出。移位运算器实验电路如图3-27所示。图327移位运算器实验电路移位运算实验电路的功能由si、so

16、、m等信号组合后控制，具体功能如表3-7所示。表3-7移位运算器的功能g-299s1somt4功能000xt保持0100t循环右移0101t带进位循环右移0010t循环左移0011t带进位循环左移111xt置数（进位保持）0110t置数（进位清零）01i1t置数（进位置1）五、实验原理及实验内容1. 实验原理移位运算实验连线如图3-28所示，电路使用一片74ls299作为移位发生器，其输入/ 输出端以排针方式和总线单元连接。g-299信号控制其使能端，t4时序为时钟脉冲，实验 时将t4接至单脉冲发生器，山si、so、m信号控制其功能状态。在进行寄存器数据移位实验时，把t4和通用寄存器的工作脉冲

17、接在一起，当选择带 进位左移动吋，在工作脉冲下，通用寄存器的最高位将移入进位寄存器中，进位寄存器中 的值将移入通用寄存器的最低位。当进位寄存器中的值为1时，led （cy）发亮，若进位 寄存器中的值为0时，led （cy）灭。同样在带进位右移时，也会产牛这样的效果。图3-28移位运算器实验连线2. 实验步骤及内容(1) 按照实验连线图连接电路，仔细杏线无谋示，接通电源。(2) 拨动清零开关clr使指示灯灭。再拨动clr使其点亮。(3) 在监控滚动条显示class select时按实验选择键，显示es-_，输入“02”, 按确认键，监控显示为es02,表示准备进入实验程序，也可按取消键取消上一操

18、作， 重新输入。(4) 按确认键，监控显示e/e0-,提示输入操作指令(e/e0相当于g-299二进制 “11”关闭输出，“00”允许输出),输入二进制数“11”关闭输出,在输入过程中,可按取消键进行输入修改，再按确认键。(5) 监控显示l0=0,此处l0相当表3-6算术/逻辑运算标志中的m,默认为“0”, 按确认键。(6) 监控指示灯显示s0s1-,提示输入移位控制指令，输入二进制“11”，对移位寄 存器进行置数操作，按确认键。(7) 监控显示data,提示输入耍移位数据，输入十六进制数0001,按确认,显 示pulse,此时按单步,将数据存入寄存器屮可对其进行移位操作。(8) 监控指示灯显

19、示es02,按确认进行移位操作，显示e/e0-,提示输入操作指 令，输入“()()”，允许输出，按确认键。(9) 监控指示灯显示l0=0,和前面一样，输入“0”选择不带位操作，按确认键, 监控显示s0s1-,输入“01”，表示对输入数据进行循环右移，显示pulse,按单步 键，对数据“0001”执行一次右移操作，数据总线指示灯显示为1000000000000000,按确 认键显示01()()0(x)()()()()()()()()(),连续按单步键门j单步执行，按金速键，监控指示灯显示 run,则可连续执行右移操作，观察数据总线指示灯的变化，判断结果是否正确。(10) 重新输入数据“ffff”

20、，进行带进位的循环右移，观察数据总线指示灯的变化, 判断结果的正确性。实验指导实验3静态随机存储器ram的特性和使用实验一、实验目的1. 掌握静态随机存储器ram的工作原理。2. 熟悉6116的芯片引脚功能和实验系统连线。3. 掌握静态随机存储器ram的读写操作过程。二、预习要求1. 复习本次实验所用的6116、74ls373、74ls245等集成电路性能及工作原理。2. 预习实验步骤，了解存储器读写操作的注意事项。三、实验设备el-jy-ii型计算机组成原理实验系统一套，排线若干。四、实验电路组成木实验所用静态存储器116116 （2kx8）构成，因地址寄存器为8位，接入6116的地 址a7

21、a0,而髙3位a8-a10接地，所以其实际容量为2256字节。6116有三个控制线, ce （片选）、r （读）、w （写）。其写时间与t3脉冲宽度一致。6116的管脚信号和功能如图4-46所示。8a10ce wr9"7"10611513414315 erce w r输入/辄21611723hxxlhlllhwlll2219182120图4-466116管脚分配及其功能实验连线如图4-47所示。系统屮静态存储器由2片6116 （2kx8）构成，本实验仅使 用了一片（8位，另一片为16位机准备）。其数据线dod7接到数据总线，地址线a0a7山地址锁存器（74ls273）给出。

22、黄色地址显示灯ma7ma0与地址总线相连，显示地址 总线的内容。数据经三态门（74ls245）连至数据总线，分时给出地址和数据。图4-47存储器实验接线图五、实验原理及实验内容 写数据：拨动清零开关clr,使其指示灯显示状态为亮一灭一亮。在监视指示灯滚动显示class selectj时按实验选择键，显示输入03或3, 按确认键，监控指示灯显示为es03l表示准备进入实验三程序，也可按取消键来取消上 步操作，重新输入。再按确认键，进入实验三程序。监控指示灯显示为ctl=-,输入1,表示准备对ram进行写数据，在输入过程中，可 按l収消键进行输入修改，按l确认键。监控指示灯显示为add-,提示输入

23、2位16进制数地址，输入“00”按确认键，监 视指示灯显示data,提示输入写入存储器地址的数据（4为16进制数），输入“3344”按 确认键，监视指示灯显示pulsh,提示输入单步，按单步键，完成对ram -条数据 的输入，数据总线显示灯（绿色）显示“0011001101000100",即数据“3344”，地址显示 灯显示"0000 0000",即地址“00”。监控指示灯重新显示laddr-,示输入第二条数据的2位i六进制的地址。重复上述 步骤，按下表输入ram地址及相应得数据。地址（十六进制）数据（十六进制）0033337134344235355a5555a36666cfababf87777e69d9d表31数据表读数据及校验数据：按取消键退出到监控指示灯显示为es03,或按ram退出到步骤2初始状态进行实 验选择。拨动清零开关clr,使其指示灯显示状态为亮一灭一亮。在监控指示灯显示es03状 态下，按确认键。监控指示灯显示为ctl二提示输入2位16进制数地址，输入“00”按确认键，监 视指示灯显示p