计算机组成原理实验报告

1、计算机组成原理及系统结构实验报告实验名称 运算器实验、通用寄存器实验、移位寄存器实验 实验室 实验楼418 实验日期 2014-11-20、2014-11-25、2014-11-27 实验一 运算器实验一、实验目的1. 掌握简单运算器的数据传输方式。2. 验证运算器功能发生器（74LS181）及进位控制的功能组合。3. 完成不带进位及带进位算术运算实验、逻辑运算实验，了解算术逻辑运算单元的运用。二、实验原理图1输入设备单元实验中所用的输入/输出设备如图1所示。此次实验需要连线的有三个部分，一是运算单元，二是时序启停单元，三是缓冲输入单元。进行实验时，先按动复位按钮，让系统进行初始化，然后，操作

2、通过【增址】切换到“L”状态，即手动模式进行，通过键盘，数据开关和二进制开关单元控制数据输入。写操作，读操作和运算结果都通过数据显示灯显示，该显示接口以二进制方式显示输出结果（灯亮表示该输出位为1，灯灭表示该输出位为0）。【单步】键用来控制脉冲信号，二进制开关中的LDDR1,LDDR2,ALU-B,SW-B,S3,S2,S1,S0,CN,M均为高电平有效（灯亮为高电平，灯灭为低电平）.两片74LS181芯片以串/并形式构成的8位字长的运算器，两个芯片的控制端S0-S3和M各自相连，运算器的两个数据输入端分别由两个数据暂存器DR1,DR2锁存数据。将总线中的数据锁存到DR1和DR2中，则LDDR

3、1或LDDR2需为高电平，当脉冲来临时，总线中的数据就可以锁存到DR1和DR2中了。数据显示灯已于总线相连，用来显示总线上的数据，当DR1,DR2打入数据时，数据开关三态门打开，运算器输入三态门关闭，输出数据至总线时，应该保证数据输入三态门关闭。图2 输出设备单元三、实验内容及结果分析（一）.算术运算实验（1）写操作（置数操作） 拨动二进制数据开关向DR1和DR2寄存器置数，具体操作步骤如下：结果分析：通过控制数据开关输入要写入的数据，令CAB=0,CE=0,SW-B=1,LDDR1=1，LDDR2=0,按【单步】键即可向寄存器DR1中写入数据，如果发光二极管显示的数据与数据开关写入的数据相同

4、则向DR1写入成功，再次通过控制数据开关输入要写入的数据，令,LDDR1=0，LDDR2=1,按【单步】即可向寄存器DR2中写入数据，如果发光二极管显示的数据与数据开关写入的数据相同则向DR2中写入成功，DR1,DR2分别显示数字65和A7。LDDR1,LDDR2分别控制着数据开关的内容是否能送往运算寄存器DR1,DR2.（2）读操作（运算寄存器内容送总线）首先关闭数据输入三态控制端(SW-B=0)，存储器控制端CE保持为0，令LDDR1=0、LDDR2=0，然后打开ALU输出三态门(CBA=010)，置M、S0、S1、S2、S3为11111，再按【单步】键，数据总线单元显示DR1的内容，若把

5、M、S0、S1、S2、S3置为10101，再按【单步】键，数据总线单元显示DR2的内容。结果分析：读操作时，CBA是选择部件编码，当置于010时代表选择运算器，并将其数据送往总线，M是算数逻辑选择端，M=0执行算数操作，M=1执行逻辑操作，S3，S2，S1，S0为运算选择控制端，令SW-B=0，存储器控制端CE=0，LDDR1=0，LDDR2=0，CBA=010，置M，S0，S1，S2，S3均为11111，按单步建，数据总线显示DR1的内容，因为此时的执行的是F=B逻辑操作，同理置M,S0,S1，S2，S3为10101，LDDR2=0，CBA=010，置M，S0，S1，S2，S3均为11111

6、，按单步建，数据总线显示DR1的内容，因为此时的执行的是F=B逻辑操作，同理置M,S0,S1，S2，S3为10101，数据总线显示DR2的内容。即将DR1和DR2的内容送到总线上。 算术运算（不带进位加）置CBA=010，CN、M、S0、S1、S2、S3状态为101001，按【单步】键，此时数据总线单元应显示00001100（0CH）。结果分析：当CBA=010，CN、M、S0、S1、S2、S3状态为101001进行算数65和A7的加运算，并将结果显示到数据总线上，此时数据总线单元显示00001100（0CH）。(二)进位控制实验 进位位清零操作在“L”状态下，按动【复位】按钮，进位标志灯CY

7、“灭”，实现对进位位的清零操作。（当进位标志灯“亮”时，表示CY=1）。 用二进制数据开关向DR1和DR2寄存器置数（2）首先关闭ALU输出三态门(CBA=000)、CE=0，开启输入三态门(SW-B=1)，设置数据开关，向DR1存入01010101(55H)，向DR2存入10101010(AAH)。操作步骤如下：结果分析：在实验开始时一定要按动复位键进行清零操作，否则会影响结果，然后，通过控制数据开关输入要写入的数据，令CAB=0,CE=0,SW-B=1,LDDR1=1，LDDR2=0,按【单步】键即可向寄存器DR1中写入数据，如果发光二极管显示的数据与数据开关写入的数据相同则向DR1写入成

8、功，再次通过控制数据开关输入要写入的数据，令,LDDR1=0，LDDR2=1,按【单步】即可向寄存器DR2中写入数据，如果发光二极管显示的数据与数据开关写入的数据相同则向DR2中写入成功，DR1,DR2分别显示数字65和A7。LDDR1,LDDR2分别控制着数据开关的内容是否能送往运算寄存器DR1,DR2. 验证带进位运算的进位锁存功能关闭数据输入三态门(SW-B=0)、CE=0，使CBA=010，AR=1，置CN、M、S0、S1、S2、S3的状态为101001，按【单步】键，此时数据总线单元显示的数据为DR1加DR2，若进位标志灯CY“亮”，表示有进位；反之无进位。结果分析：实验前先明确如果

9、有进位则CY灯亮，分别输入01010101和10101010，相加后，数据显示11111111，无进位所以CY灯不亮，重新换一组操作数，使其有进位，观察得，CY灯亮。(三)逻辑运算实验 写操作（置数操作）拨动二进制数据开关向DR1和DR2寄存器置数，具体操作步骤如下： 结果分析：在进行置数操作时，通过控制数据开关输入要写入的数据时，先令CAB=0,CE=0,SW-B=1,LDDR1=1，LDDR2=0,然后按【单步】键即可向寄存器DR1中写入数据，如果发光二极管显示的数据与数据开关写入的数据相同则向DR1写入成功，再次通过控制数据开关输入要写入的数据，令,LDDR1=0，LDDR2=1,按【单

10、步】即可向寄存器DR2中写入数据，如果发光二极管显示的数据与数据开关写入的数据相同则向DR2中写入成功，DR1,DR2分别显示数字65和A7。LDDR1,LDDR2分别控制着数据开关的内容是否能送往运算寄存器DR1,DR2. 读操作（运算寄存器内容送总线）首先关闭数据输入三态控制端(SW-B=0)，存储器控制端CE保持为0，令LDDR1=0、LDDR2=0，然后打开ALU输出三态门(CBA=010)，置M、S0、S1、S2、S3为11111，再按【单步】键，数据总线单元显示DR1的内容，若把M、S0、S1、S2、S3置为10101，再按【单步】键，数据总线单元显示DR2的内容。结果分析：关闭数

11、据输入三态门，停止数据输入，存储器控制端CE保持为0，令LDDR1=0、LDDR2=0，然后打开ALU输出三态门(CBA=010)，置M、S0、S1、S2、S3为11111，再按【单步】键，数据总线单元显示DR1的内容，若把M、S0、S1、S2、S3置为10101，再按【单步】键，数据总线单元显示DR2的内容。 逻辑或非运算逻辑或非运算的方法是置CBA=010，M、S0、S1、S2、S3状态为11000，按【单步】键，此时数据总线单元应显示00011000（18H）。结果分析：置CBA=010，M，S0，S1，S2，S3为11000，M=1为逻辑运算，S0，S1，S2，S3为1000表示逻辑运

12、算F=/(A+B)，按单步建，01100101和10100111进行或非运算，数据总线单元显示00011000（18H）。四、实验思考验证74LS181的算术逻辑运算功能：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65A70 0 0 0F=( 65 )F=( 66 )F=( 9A )65A70 0 0 1F=( E7 )F=( E8 )F=( 18 )65A70 0 1 0F=( 7D )F=( 7E )F=( 82 )0 1 0 0F=( A5 )F=( A6 )F=( DA )0 1 0 1F=( 27 )F=( 28 )F=( 58

13、 )0 1 1 0F=( BD )F=( BE )F=( C2 )0 1 1 1F=( 3F )F=( 40 )F=( 40 )1 0 0 0F=( 8A )F=( 8B )F=( B8 )1 0 0 1F=( 0C )F=( 0D )F=( 3D )1 0 1 0F=( A2 )F=( A3 )F=( A7 )1 0 1 1F=( 24 )F=( 25 )F=( 25 )1 1 0 0F=( CA )F=( CB )F=( FF )1 1 0 1F=( 4C )F=( 4D )F=( 7D )1 1 1 0F=( E2 )F=( E3 )F=( E7 )1 1 1 1F=( 64 )F=(

14、65 )F=( 65 )结果分析：74LS181可以进行各种各样的算术逻辑运算，通过改变CN,M,S0，S1，S2，S3的值就可以进行各种运算，以上表中的数据是给定DR1=65，DR2=A7，先根据实验指导书中给出的逻辑关系进行运算，然后通过实验进行验证，经过各种运算后得到的结果符合74LS181的各种逻辑，证明实验过程正确。五、实验总结本次实验主要是认识了实验仪器的各个单元的划分，和部分单元的作用,此次实验主要是了解了运算单元的作用，和运算器的算数与逻辑运算功能，知道了运算器的输出跟数据总线相连，通过本次实验还了解了组成原理实验的一般步骤，和ALU的使用方法，74LS181的组成原理，及三态

15、门的作用，数据总线与一般部件之间的传输方式等。数据显示灯连接了数据总线，显示数据总线的内容，各部件之间的信息传送通过总线完成，实验中不可或缺的三态门的功能和工作原理，在实验过程中，一开始对仪器不是很熟悉，在试验过程中通过摸索熟悉了部分功能，并且了解到各个步骤都是很重要的，环环相扣，一步也不能错。最后，记录实验结果，对实验进行分析，本实验提高了我对计算机组成原理的积极性，让我明白了实验要严谨，要了解每一个单元的作用才能更好的进行实验。实验二 通用寄存器实验一、实验目的 熟悉通用寄存器概念。 熟悉通用寄存器的组成和硬件电路。二、实验原理实验中所用的通用寄存器数据通路如图。实验时要连接三个单元的数据

16、线，其中时序启停单元是每个实验中都要连接的单元，当脉冲来临时，数据才能送总线，该实验主要运用通用寄存器，寄存器由三片8位字长的74LS374组成R0、R1、R2寄存器组成。三个寄存器的输入接口用一8芯扁平线连至BUS总线接口，而三个寄存器的输出接口用一8芯扁平线连至BUS总线接口。图中R0-B、R1-B、R2-B经CBA二进制控制开关译码产生不同的数据输出选通信号控制，LDR0、LDR1、LDR2为数据写入允许信号，由二进制控制开关模拟，均为高电平有效；T4信号为寄存器数据写入脉冲，上升沿有效。在手动实验状态（即“L”状态）每按动一次【单步】命令键，产生一次T4信号。图 1CBA选择100R0

17、-B101R1-B110R2-B三、实验内容及结果分析(一)通用寄存器的写入拨动二进制数据开关向R0和R1寄存器置数，具体操作步骤如下:在缓存输入中输入00000001；使CBA=000；CE=0，SW-B=1;LDDR0=1;LDDR1=0，LDDR2=0;然后按单步键；在缓存输入中输入10000000；LDDR0=0;LDDR1=1;LDDR2=0，然后按单步键； 结果分析：通用寄存器的写入，LDR0，LDR1，LDR2分别为R0，R1，R2的存数控制信号，拨LDR0=1，LDR1，LDR2都为0，按单步键就完成了对R0的置数，改变数据开关的值，LDR0=0，LDR1=1，LDR2=0，按

18、单步键就完成了对R1的置数。在数据总线处即可看出写入是否正确。(二)通用寄存器的读出关闭数据输入三态(SW-B=0)，存储器控制端CE=0，令LDR0=0、LDR1=0、LDR2=0，分别打开通用寄存器R0、R1、R2输出控制位，置CBA=100时，按【单步】键，数据总线单元显示R0中的数据01H；置CBA=101时，按【单步】键。数据总线单元显示R1中的数据80H；置CBA=110时，按【单步】键，数据总线单元显示R2中的数据（随机）。结果分析：执行完写操作后，R0和R1分别显示00000001和10000000，读操作时关闭数据输入三态(SW-B=0)，存储器控制端CE=0，令LDR0=0

19、、LDR1=0、LDR2=0，分别打开通用寄存器R0、R1、R2输出控制位，置CBA=100时，将R0的数据送总线，数据总线单元显示R0中的数据01H；置CBA=101时，数据总线单元显示R1中的数据80H；置CBA=110时，数据总线单元显示R2中的数据（随机）。四、实验总结此实验中，我熟悉了通用寄存器的概念，熟悉了通用寄存器的组成和硬件电路，加深了对74LS374寄存器功能的认识，熟悉了寄存器组单元的内部构造和各部分的功能，清楚了寄存器数据传递的方式，本次完成了通用寄存器的数据写入和读出。有了上一次实验的基础，此次实验较为简单容易，但是依旧要谨慎，每一步之间联系紧密，不能在任何一步出错，不

20、然结果就会有错误，实验要认真细心。实验三 移位寄存器实验一、实验目的 了解移位寄存器的硬件电路，验证移位控制与寄存的组合功能。 利用寄存器进行数据传输。二、实验原理图 1移位寄存器实验中要同时运用到运算单元和寄存器组，其中移位时主要在运算单元中实现，靠一片74LS299实现，上图所示，使用了一片74LS299作为移位发生器，其中8位输入输出端与总线接口连接。299-B信号控制其使能端，低电平有效，T4为时序节拍脉冲，实验时按【单步】命令键产生。由S0 、S1、M 控制信号设置其运行状态，其控制特性列表如下：299-BS1S0M功 能000任意保持0100循环右移0101带进位循环右移0010循

21、环左移0011带进位循环左移任意11任意装数三、实验内容及结果分析(一)移位寄存器置数首先置CBA=000，然后按下面所列流程图操作：注:【单步】键的功能是启动时序电路产生T1T4四拍单周期脉冲结果分析：令CBA=000，CE=0，SW-B=1，数据开关送总线，S0=1,S1=1,同步并行置数通过两个功能选择线S0，S1为高电平完成，按单步键就完成了对DR1的置数，然后令CBA=011，CE=0，SW-B=0。(二)寄存器移位首先置CBA=011(299-B=0)、SW-B=0、CE=0，然后参照表7-2-1改变S0、S1、M的状态，按动【单步】命令键观察移位结果。结果分析：寄存器移位：令 CBA=011，SW-B=