计算机组成原理与系统结构试验指导书

1、计算机组成原理与系统结构实验指导书5实验1运算器组成实验实验序号：实验名称：运算器组成实验适用专业： 计算机科学与技术学 时数：4学时一、实验目的1、掌握简单运算器的数据传送通路。2、验证运算功能发生器（74LS181）的组合功能。二、实验原理实验中所用的运算器数据通路如图1-1所示。其中运算器由两片 74LS181以并/串形式构成8位字长的ALU运算器经过一个三态门（74LS245）和数据总 线相连，运算器的两个数据输入端分别由二个锁存器（74LS373锁存，锁存器的输入连至数据总线，数据开关（“INPUT DEVICE）用来给出参与运算的数据， 并经过一三态门（74LS245和数据总线相连

2、，数据显示灯（“BUS UNIT）已和 数据总线相连，用来显示数据总线内容。IALU-t)-一soIXDftSJV-BCNM 一 帕.FO ALUfllTlCNI /O; Ul卩CM CW A1XQS.A KA,护学 Q3 - - QC DRE).A U7-L图1-1运算器数据通路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，其他均为电平信号。由于实验电路中的时序信号均已连 至“W/RUNIT的相应时序信号引出端，因此，在进行实验时，只需将“W/RUNIT 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

3、单脉冲，而 S3 S2、S1、S0 Cm M LDDR1 LDDR2 ALU-B SW-B 各电平控制信号用“SWITCHUNIT中的二进制数据开关来模拟，其中Cm ALU-B SW-B为低电平有效，LDDR 1 LDDR2为高电平有效。三、实验内容1、按照图1-2连接实验线路，仔细查线无误后，接通电源。图1-2实验连接图2、用二进制数码开关向DR1和 DR2寄存器置数。具体操作步骤图示如下:T4= -J T4=I 检验DR1和DR2中存的数据是否正确，具体操作为：关闭数据输入三态门（SW-B=1），打开ALU输出三态门（ALU-吐0），当置S3、S2、S1、S0 M为11111时， 总线指示

4、灯显示DR1中的数，而置成10101时总线指示灯显示DR2中的数。3、验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能（采用正逻辑）在给定DR仁65、DR舉A7的情况下，改变运算器的功能设置，观察运算器的 输出，填入下表1-1中，并和理论分析进行比较、验证。表1- 1DR1DR2S3 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 0 1 1F=()F=()F=()0 1 0 0F=()F=(

5、)F=()0 1 0 1F=()F=()F=()0 1 1 0F=()F=()F=()0 1 1 1F=()F=()F=()1 0 0 0F=()F=()F=()1 0 0 1F=()F=()F=()1 0 1 0F=()F=()F=()1 0 1 1F=()F=()F=()1 1 0 0F=()F=()F=()1 1 0 1F=()F=()F=()1 1 1 0F=()F=()F=()1 1 1 1F=()F=()F=()四、实验设备TDN-CM计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干五、实验预习要求1、复习运算器的基本组成与工作原理2、掌握74LS181的工作原理。六、实验报告1、按照表1

6、-1填写实验结果2、分析、总结实验结果实验2存储器实验实验序号：2适用专业：计算机科学与技术实验名称：存储器实验 学时数：4学时实验目的掌握静态随机存储器RAM工作特性及数据的读写方法。二、实验原理实验所用的半导体静态存储器电路原理如图 2-1所示，实验中静态存储器一 片6116(2KX 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 AD0AD7与地址线相连，显示地址线内容。数据开关经一三态门(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- A0,而高三位A8- A10接地,计算机组成原理与系统结构实验指导书所

7、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= 0）时，OE=0时进行读操作，WE=0寸进行写操作。本实验中将OE常接地，在此情况下，当CE=0 WE=0寸进行读操作，CE=0 WE=1 时进行写操作，其写时间与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“SWITCHUNIT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。三、实验内容1、形成时钟脉冲信号T3,具体接线方法和操作步骤如下：1） 接通电源，用示波器接入方波信号源的输出插

8、孔 H24,调节电位器 W1使H24端输出实验所期望的频率的方波。2）将时序电路模块中的和H23排针相连。3）在时序电路模块中有两个二进制开关“ STOP和“STEP。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，其脉冲宽度与连续万式相同。4）关闭电源。2、按图2-2连接实验线路，仔细 查线无误后接通电源。由于存 储器模块内

9、部的连线已经接 好，因此只需要完成实验电路 的形成、控制信号模拟开关、 时钟脉冲信号T3与存储模块 的外部连接。3、给存储器的00、01、02、03、04地址单元中分别写入数据图2-2实验连线图11、12、13、14、15,具体操 作步骤如下：（以向0号单元计算机组成原理与系统结构实验指导书21写入11为例）S*-B 01dO *l LDAR=CK 0tDAR-0依次读出第00、01、02、03、04号单元中的内容，观察上述各单元中的内容是否写前面写入的一致。具体操作步骤如下：（从0号单元读出11数据为例）Fsw-boSW B-JCE=O WK=OLDAR=O I0-B JV $LDAR 1T

10、：S I匕丿四、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。五、实验预习要求1、复习静态随机存储器RAM工作特性2、了解三态门以及地址锁存器和 6116的工作原理及组成六、实验报告要认真记录存储器进行读写的步骤实验3微控制器实验实验序号：3_实验名称：微控制器实验适用专业： 计算机科学与技术学 时数：4学时一、实验目的1、掌握时序产生器的组成原理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，观察微程序的运行二、实验原理实验所用的时序电路原理如图3-1所示，可产生4个等间隔的时序信号TS1 TS4,其中为时钟信号，由实验台右上方的方波信号源提供，可产生频率及 脉宽可

11、调的方波信号。为了便于控制程序的运行，时序电路发生器也设置了一个 启停控制触发器Cr,使TS1-TS4信号输出可控。图中STEP(单步八STOR停机) 分别是来自实验板上方中部的两个二进制开关 STEP STOP模拟信号。START键 是来自实验板上方中部的一个微动开关 START的按键信号。当STEP开关为0时 (EXEC，一旦按下启动键，运行触发器 Cr 一直处于“ 1”状态，因此时序信号 TS1- TS4将周而复始的发送出去。当 STEP为1(STEP)时，一旦按下启动键，机 器便处于单步运行状态，即此时只发送一个CPL周期的时序信号的停机。利用单 步方式，每次只读一条微指令，可以观察微

12、指令的代码与当前微指令的执行结果。 另外，当机器连续运行时，如果 STOP开关置“1” (STOP，也会使机器停机。图3- 1时序电路原理图由于时序电路的内部线路已经连好，所以只需将时序电路与方波信号源连接 （即将时序电路的时钟脉冲输入端接至方波信号发生器输出端H23）,时序电路的CLR已接至实验板左下方的CLR模拟开关上。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E2PR0M 具有调电保护功能，微命令寄存器18位，用两片8D触发器（273）和一片4（ 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，他 们带有清“ 0”端和预置端。在不判别测

13、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。在 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： PRO（编程）、REA（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种。当处于“校 验状态”时，可以对写入控制器的二进制代码进行校验， 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

14、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。微指令字长共24位，其控制顺序如下:24222120191817161514131211109 8 7654321S3S2siS0MCnWFA9MABCdA5uA4uA2uAl1uAOA字段B字段C字段1514BP择000001SRi010LDDRl011LDDR2100LDIR101LOADri10TTdar12it10选择00006RS-B010RD-B611RI-B100299-B101ALU卫11o I3 B表3 19 Ig70 10000Ip (J6I0po11pJ00P (4)10IaS7

15、1I0LDfC其中UA5-UA0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。C字段中的P（1）-P（4）是四个测试字位。其功能是根据机器 指令及其相应微代码进行译码，使微程序转入相应的微地址入口， 从而实现微程序的顺序、分支、循环运行，其原理如图 3-3所示，图中17-12为指令寄存器r f F t巧哺詞乍誌；91鹊3L口 g P Q 打- =MB* MpM* Wfrridir&ldOd JW1MMMMii hMiOfHITh眄图3-2微控器实验原理图的7-2位输出，SE5-SE1为微控制单元微地址锁存器的强置端输出。AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位，

16、其为零有效。B字段中的RS-BRO-BRI-B 分别为源寄存器选通信号、目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号，其功能 是根据机器指令来进行三个工作寄存器 RO R1及R2的选通译码，其原理图如图 3-4,图中I0-I4为指令寄存器的第0-4位，LDRi为打入寄存器信号的译码器 使能控制位。SEJ-SE1L生图3-4图3-3实验内容1图3-5为几条机器指令对应的参考微程序流程图， 将全部微程序按微指令格式变成二进制代码，可得到表 3-2的二进制代码表运行微稈库K-M*C+13U-HQ心rre-w rc*i191卩理V1缶Ls1f MiwTitaau控制台广丄导八进制做地址图3-52、按图3-6

17、连接实验线路，仔细检查无误后接通电源。图3-6实验线路图3、观测时序信号用双踪示波器（或PC示波器功能）观察方波信号源的输出，时序电 路中的“ STOP开关置为“ RUN，“STEP开关置为“ EXE” 按动STAR按键，从方波器上可观察到TS1、TS2 TS3 TS4各点的波形, 比较他们的相互关系，画出其波形，并标注测量所得的脉冲宽度， 见图3-7。表3-2二进制代码表微地址1S3 S2 SI SO M CN WE A9 A8ABc(CA5-11A00 00 0 0 0 0 0 C 1oooro b oI 0 00100000 1 10 0 0 0 0 0 0 1 11 f 1 01 1

18、01 1 00 0 0 0 1 00 20 0 0 0 0 0 0 0 1o booo0 0 i0010000 30 0 0 0 0 0 0 0 11 1 0oooooo0 0 0 L 0 00 4o o o o o o d o i0 I 1000J0 0 00 0 0 1 0 10 50 0 0 0 0 0 01 IQ 1 00 0 Iooo0 0 0 1 1 0Fb &10 0 10 10 1 10 0 11 0 1ooo0 0 0 0 0 I0 70 0 0 0 0 0 0 0 11 1 0oooooo0 0 1 1 0 II 00 0 0 0 0 0 0 0 00 0 1oooooo0

19、 0 0 0 0 11 10 0 0 0 0 0 0 1 11 1 0I 1 0I 1 00 0 0 0 1 11 20 0 0 0 0 0 0 111 1 01 I (1 1 00 0 0 1 1 11 30 0 0 0 0 0 0 i 11 1 0I 1 01 1 00 0 11 1 0i 140 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 10 10 i 0 1 1 01 50 0 0 0 0 0 1 0 1ooo0 0 1ooo0 0 0 0 0 J1 f0 0 0 0 0 0 0 0 11 1 0oooooo0011111 70 0 0 0 0 0 0 0 10 1 0oo

20、o0 0 ol;.1 : i 12 00 0 0 0 0 0 G 11i i 61 1 01 1 00 10 0 102 10 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 10 10 0 12 20 0 0 0 0 0 0 010 1 0oooooo0 10 1112 3ooo 6 ooo i- iooooooooo0000012 40 0 0 0 0 0 0 000 1 0oooooo0 110 0 02 50 0 0 0 0 I 110coo1 Q 1ooo0 000 0 12 60 0 0 0 0 0 0 0 11 0 10 0 01 1 00 0 0 0 0 112

21、 70 0 0 0 01 I 0ooo1 0 10 & 00 1 0 0 0 03 00 0 0 0 0 1 1 0 10 0 01 0 10 Q 00 1 0 0 0 14、观察微程序控制器的工作原理 编程A. 将编程开关置为PROM状态B. 将实验板上“ STATEUNIT中的“ STEP开关置为“ STEP，“STOP开关置为“ RUN。C. 用二进制模拟开关置微地址MA5-MA0D. 在MK24-MK开关上置微代码，24位开关对应24位显示灯， 开关量为“ 0”时灯亮，开关量为“1”时灯灭。E. 启动时序电路（按动启动按钮“START）即将微代码写出到EPROM 2816勺相应地址对应

22、的单元中。F. 重复C-E步骤，将表3-2的微代码写出2816rsaTS+ 卜匚円；樹期斗CPU聊聊图3-7 校验A. 将编程开关置为REA（校验）状态B. 将实验板上的“ STEP开关置为“STEP, “STOP开关置为“ RU”C. 用二进制模拟开关置微地址MA5-MA0D. 按动启动按钮“ START键，读出微代码，观察显示灯MD24-MD的状态（灯亮为0,灯灭为1）,检查读出的微代 码是否与写入相同。如不同，则将开关置于PRO编程状态, 重新执行即可。 单步运行A. 将编程开关置为RUN（运行）状态。B. 实验板的“ STEP及“ STOP 开关保持原装。C. 操作CLR开关，使CLR

23、信号1 0 1,微地址寄存器 MA5-MA0 清零，从而明确本机的运行入口微地址为 000000（二进制）。D. 按动启动按钮“ START键，启动时序电路，则每按动一次 启动键，读出一条微指令后停机，此时实验台上的微地址显 示灯将显示所读出的一条指令。 连续运行A. 将编程开关置为RUN（运行）状态。B. 将实验板上 “STEP开关置为“ EXEC状态。C. 使CLR信号1 0 1,此时微地址寄存器清零，从而明确本 机的运行入口微地址为000000 （二进制）。D. 启动时序电路，则可连续读出微指令。四、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。五、实验预习准备1 预习时序电路工作原理2 预习微程序控制器的组成原理六、实验报告1 .记录微程序执行的具体状态2 分析实验现象实验四总线控制实验实验序号：4_实验名称：总线控制实验适用专业： 计算机科学与技术学 时