计算机组成原理实验指导书(JSY4)

1、计算机组成原理实验指导书青岛科技大学数字技术实验中心35目录实验一 运算器实验1实验二 进位运算和移位运算实验7实验三 静态存储器原理实验11实验四 数据通路实验13实验五 微程序控制器实验15实验六 微程序控制器实验25实验一 运算器实验一、实验目的1) 熟悉实验装置；2) 学习算术逻辑单元电路的构成及其工作原理，掌握运算器实验的数据传送通路的结构及不同实验状态下的各运算数据的流程；3) 验证运算功能发生器（74LS181）的组合功能；二、实验设备 JYS-4计算机组成原理实验箱及导线若干。三、实验内容1、实验装置简介 JYS-4计算机组成原理实验装置是一种能够通过多种“原理计算机”的设计和

2、构造，来灵活地实现“计算机组成原理”课程的实验教学，以满足不同层次和不同教学环节实验要求的开放式教学实验设备。使用JYS-4计算机组成原理实验装置可完成运算器实验、进位和移位控制实验、静态存储器原理实验、计算机的数据通路实验、微程序控制器实验、基本模型机的设计与实现实验、带移位运算的模型机的设计与实现等实验。 JYS-4计算机组成原理实验装置采用内、外总线结构，并按开放式结构要求设计了各关联的单元实验电路，除进一步规范了可组成的原理计算机结构外，也为实验教学提供了充足的硬件可设计空间和软件可设计空间，在实验电路构造方面，系统也提供了多种手段，可按部件层次组合方式逐次构造不同结构和复杂程度的部件

3、实验电路及模型计算机。 整个实验仪器是由分散元器件构成，包括计算机中的各组成部件：运算器、存储器、控制器等，这些器件的内部连线已经连好，需要连接的是一些控制信号线。实验板上对各个器件的划分比较清楚，都用白色框线表示，每个器件的名称也用白色注明。JYS-4计算机组成原理实验装置具有以下特点：1) 系统装置支持三种实验电路构造方式，即实验元件零连线方式（在面包板上自己搭建实验电路）、单元电路跨接方式（使用装置提供的排线通过跨接构造出实验电路）和实验“软连线”方式（使用可编程逻辑器件通过编程设计实验电路）。我们可以根据实验教学的需要，灵活使用。2) 系统装置提供灵活的操作方式。即可以通过拨动微程序控

4、制器单元的数据开关（以发光二极管为显示器）以二进制数码进行编程、显示来调试实验程序，也可以通过RS-232C通讯接口与PC微机联机，在PC机上进行编程、传送、装载程序，动态调试和运行程序。3) 系统装置提供图形方式的联机操作软件，可以显示用户设计的实验模型机的逻辑示意图。在调试过程中可以动态的显示数据流向及数据、地址和控制总线的各种信息，使调试过程形象化。4) 系统装置采用E2PROM作为微程序存储器，从而对程序既能修改又具有断电保护功能每套实验仪器内部都有电源线、排线若干，电源开关在旁侧。JYS-4硬件系统主要由安装在一块印刷电路大板上的开关、电阻、LED显示器、集成电路等器件构成。整个电路

5、板由功能相对独立的不同“单元电路”组成。系统布局如图1-1所示。电源（RS232接口）89C51单元(PC单元)微程序控制器单元信号单元时序单元运算器单元读写单元逻辑单元地址单元总线单元 PLD单元LED单元寄存器单元扩展单元输入设备主存储器输出设备开关控制单元图1-1 系统布局示意图 JYS-4计算机组成原理实验装置系统配置如表1-1所示。表1-1 JYS-4系统的主要配置项目内容数量项目内容数量运算器74LS1812输出设备GAL16V82移位器74LS2991数码管2指令程序寄存器SRAM61161信号源5551通用寄存器74LS273274LS123174LS3743电位器2指令寄存器

6、74LS2731编辑运行方式开关三态 开关1程序计数器74LS1612显示灯发光二极管8微程序控制存储器E2PROM28163单片机LH-11时序发生器74LS1751串行通讯口MC1488174LS741MC14891起停控制器拨动开关29针插座1微动开关2电源5V+12V输出1微指令寄存器74LS2732通用实验单元进口面包板 (附件)274LS1751微地址寄存器74LS743通讯电缆RS-2321PIDIsplisi10162软盘集成操作软件1输入设备74LS2451实验用元件排线若干数据开关8存储器SRAM611612、实验原理 1) 算术逻辑运算单元电路的结构算术逻辑运算单元电路的

7、结构如图1-2所示，使用2片74LS181以并/串连的形式构成8位字长的ALU，ALU的输出经过一个三态门（74LS245）同数据总线相连。运算器的两个输入端的数据分别由两个锁存器（74LS273）锁存，锁存器的输入与数据总线相连，数据开关用来给出参与运算的数据，并通过三态门(74LS245)和数据总线相连，数据显示灯与数据总线相连，用来显示数据总线的内容。在实验过程中，ALU根据不同的运算控制信号对2个锁存器中的二进制数进行相应的算术或逻辑运算。其运算结果可以经三态门（74LS245）送到数据总线上，挂在数据总线上的指示灯便显示其内容。图1-2 算术逻辑运算单元数据通路2）算术逻辑运算单元电

8、路的主要控制信号算术逻辑单元电路中用到的控制信号主要有 T4、S0、S1、S2、S3、M、LDDR1、LDDR2、。在实际应用中，只需将“W/R UNIT”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单脉冲，其中、为低电平有效，它们是分别控制运算器进位、数据开关至数据总线的三态门以及运算器输出至数据总线三态门的控制信号。需要说明的是，在实验过程中必须保证任何时刻最多只能有一路数据出现在数据总线上，和这两个信号不能同时有效，否则会引发数据总线上多个方向的数据流同时存在（如数据开关上的数据和ALU上的数据同时送往数据总线），这种情况会引发数据总线上的

9、“数据冲突”，很容易导致各自的三态门等器件烧毁，这是一定要注意避免的。在今后做其他实验的时候更要注意，因为数据的来源越多，引发这种“数据冲突”的可能性就越大。LDDR1、LDDR2为高电平有效，它们分别是运算器的“A寄存器”和“B寄存器”数据锁存控制信号，有效（高电平状态）时当有T4脉冲来临便接收数据，无效时便锁存数据。S0、S1、S2、S3以及M和Cn是运算功能发生器（74LS181）的运算功能控制信号，其状态与功能见74LS181功能表。表1-2 74LS181功能表(2015-10-29修改)工作方式输入选择S3 S2 S1 S0正逻辑输入与输出逻辑运算（M=H）算术运算（M=L）(/C

10、n=H,无进位)（/Cn=L,有进位）L L L LA非AA加1L L L H（A+B）非A+B（A+B）加1L L H L(A非)BA+(B非)(A+(B非)加1L L H H0减10L H L L(AB)非A加A(B非)A加A(B非)加1L H L HB非(A+B)加A(B非)(A+B)加A(B非)加1L H H LA异或BA减B减1A减BL H H HA(B非)(A( B非)减1A(B非)H L L L(A非)+BA加ABA加AB加1H L L H(A异或B)非A加BA加B加1H L H LB(A+(B非)加AB(A+(B非)加AB加1H L H HABAB减1ABH H L L1AA加

11、A加1H H L HA+(B非)(A+B)加A(A+B)加A加1H H H LA+B(A+(B非)加A(A+(B非)加A加1H H H HAA减1A四、实验步骤1、 按要求打开实验装置，把上述原理图中用到的单元电路及控制信号与实验装置上各单元电路和相关信号控制开关等实物对照，熟悉应用和操作对象。2、 本次实验用到的所有数据开关和控制开关如果不在初始状态，则要先将其打到初始状态（即断开状态），在本装置中，开关断开，其输出均为高电平状态（开关指示灯灭）。3、 按照图1-3连接线路（按照实验一里要求的方法要点接线），连接完毕后要进行仔细检查（每两组之间也要交换检查），确保无误后方可通电实验。图1-3

12、 实验接线图4、 用二进制数据开关向DR1(寄存器A)和DR2(寄存器B)置运算数据。其具体步骤如下：1） 再次查看开关单元的ALU-B开关是否处于初始状态，不在初始状态则打到初始状态（ALU-B=1），关闭ALU输出的三态门。2） 接通SW-B开关，打开数据输入单元的三态门。3） 分别向寄存器A和寄存器B置数，操作流程如下：拨动输入单元的数据开关生成八位二进制数据X 向寄存器A置数据： LDDR1=1 LDDR2=0 T4= 拨动输入单元的数据开关生成八位二进制数据Y 向寄存器B置数据： LDDR1=0 LDDR2=1 T4= 4） 关闭数据输入三态门，即断开SW-B开关（使SW-B=1）。

13、5、 验证寄存器A(DR1)和寄存器B(DR2)中数据的正确性，操作步骤如下：1） 在上述关闭数据输入三态门(SW-B=1)的情况下，打开ALU输出的三态门(ALU-B=0)。2） 当置S3、S2、S1、S0、M于初始状态时，其控制开关均在断开状态，输出信号均为高电平(1)，这时ALU输出的是寄存器A里的数据，对照所设置的数据看是否与总线指示灯显示的数据相同。3） 只接通S2和S0信号的控制开关(使S2=0，S0=0)，其余开关状态不变，这时ALU输出的是寄存器B里的数据，对照所设置的数据看是否与总线指示灯显示的数据相同。4） 经过上述检验，如果两个寄存器所显示的数据与所置入的数据是一致的，表

14、明实验装置所用到的这部分单元电路、实验接线和实验操作都是正确无误的。否则必有一个或几个实验环节发生错误，必须认真检查分析，找出出错原因。后续实验必须在上述结果正确无误的基础方可进行。6、 验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能(采用正逻辑)，在给定寄存器A(DR1=X)和寄存器B(DR2=Y)数据的情况下，改变运算器的功能，观察运算器的输出，把相关功能下的输出结果填入下表1-3，并做出理论分析和比较，验证实验的正确性。表1-3 运算器实验数据记录表寄存器A的内容 X寄存器B的内容 YS3S2S1S0M=0（算术运算）M=1（逻辑运算）Cn=1Cn=00 0 0 0 0 0 0 1 0 0

15、1 0 0 0 1 10 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 11 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 11 1 0 01 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 五、实验注意事项1、 接线时将电源断开，接好线后相互检查无误，最后指导教师检查无误后，方可打开电源。2、 相互冲突的总线控制信号要确保互斥出现，否则会出现总线冲突，导致烧毁器件。3、 认真对待，反复检查、确认；不太确定的事情不能草率行事，经指导老师确认后再做。4、 插拔排线时动作要慢，对准板子上的排针垂直插入和拔出，以免损伤排针和拍线。5、 当使用排线连接多个数据线和控制信号时，注意对应关

16、系，排线中各条线的颜色可以帮助辨认。6、 接线前要认真阅读实验指导书，联系课堂所学知识，搞清楚电路结构及工作原理，达到理论与实践相结合的目的。7、 根据实验内容写出实验报告。实验二 进位运算和移位运算实验一、实验目的1) 学习算术逻辑单元电路的构成及其工作原理。2) 验证带进位控制的算术运算功能发生器的进位功能。3) 验证移位控制的组合功能。4) 按指定的数据完成几种特定的算术运算。二、实验设备 JYS-4计算机组成原理实验箱及导线若干。三、实验内容1、进位控制单元电路实验原理进位控制单元电路是在算术逻辑运算单元的基础上增加进位控制部分形成的单元电路，其作用是验证运算器在进行运算的过程中是否产

17、生进位，并将结果用指示灯显示出来。图2-1 进位控制单元数据通路进位控制单元电路的结构原理如图2-1所示，由于进位控制单元电路是以算术逻辑运算单元电路为基础，所以具有算术逻辑运算单元的所有控制信号，为了控制进位锁存器，进位控制单元增加了控制信号，当该控制信号处于低电平，同时发送一个T4信号，ALU(74LS181)的进位则被锁存在一个74LS74锁存器中。2、移位运算单元电路实验原理移位运算单元电路是运算器单元电路中负责完成二进制数的逻辑左移、逻辑右移、算术左移、算术右移的部件。移位运算单元电路数据通路如图2-2所示，使用了一片74LS299作为移位发生器，其八位输入/输出端以排针方式和总线单

18、元电路连接。信号控制其使能端，T4时序为其时钟脉冲，实验时将“W/R UNIT”中的T4接至“STATE UNIT”中的KK2单脉冲发生器，由S0 S1 M控制信号控制其功能状态（如表2-1）。通过控制信号，改变单元的功能。每给一次T4信号，产生一次移位运算。图2-2移位运算单元电路的数据通路表3-1 74LS299功能表299-BS1S0M功能000任意保存0100循环右移0101带进位的循环右移0010循环左移0011带进位的循环左移任意11任意装数四、实验步骤1、进位运算实验步骤1) 连接实验线路。按图2-3连接实验线路，将“W/R UNIT”中的T4接至“STATE UNIT”中的KK

19、2单脉冲发生器。ALU UNIT的AUJ1连接至BUS UNIT再接到INPUT UNIT的SWJ3，AUL-B S3-CN LDDR1、LDDR2、AR接至SWITCH UNIT的相应接口上，连接完毕后要进行仔细检查。2) 从输入单元电路向寄存器A和寄存器B置数。关闭ALU输出三态门（ALU-B=1），开启输入三态门（SWB-B=0）；要向DR1寄存器中输入01010101，先将数据开关设置成01010101，同时将LDDR1设置成1，LDDR2设置成0，按动KK2发送一个T4信号脉冲，此时数据01010101便送入寄存器A(DR1)中；再将数据开关设置成10101010，并将LDDR1设置

20、成0，LDDR2设置成1，再按动KK2发送一个T4脉冲信号，数据10101010便送入寄存器B（DR2）中。3) 进位标志位清零。进位标志清零的方法是，将S3 S2 S1 S0 M的状态置为0 0 0 0 0，AR状态置为0（要注意的是清零时DR1寄存器中的数不能等于FF），然后按动微动开关KK2。注：进位标志指示灯CY亮时表示进位标志位“0”，无进位；标志指示灯CY灭时表示进位为“1”，有进位。4) 验证带进位运算及进位锁存功能。实验使用加法运算来验证。首先向DR1、DR2置数，并将进位标志位清零。然后使ALU-B=0，S3 S2 S1 S0 M状态为 1 0 0 1 0，此时将数据显示灯上

21、显示的数据位DR1、DR2加当前进位标志位，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，则表示有进位。图2-3 进位实验接线图2、移位运算实验步骤1) 连接实验线路。按图2-4连接线路，将“W/R UNIT”中的T4接至“STATE UNIT”中的KK2单脉冲发生器。ALU UNIT的AUJ1连接至BUS UNIT再接到INPUT UNIT的SWJ3，299-B S1 S0 M接到SWITCH UNIT的相应接口上。 连接完毕后要进行仔细检查，检查无误后接通电源。2) 移位操作。首先进行置数：具体步骤是将数据输入单元的数据开关置成01101011状态，然后将

22、SW-B置为0。要置数时将S0置成1，S1置成1，此时74LS299处于装数状态，按动微动开关KK2发送T4信号，数据装入后再将SW-B置为1；移位操作：参照表31改变S0 S1 M 299-B 的状态，按动微动开关KK2，就可以观察移位结果。在实验过程中，每按动一次KK2键，显示灯显示数据就移动一位。图2-4 移位实验接线图五、实验注意事项1、 分析实验结果。2、 根据实验内容写出实验报告。实验三 静态存储器原理实验一、实验目的1) 掌握静态随机存储器（6116）的工作原理；2) 掌握静态随机存储器（6116）的数据读写方法。二、实验设备 JYS-4计算机组成原理实验箱及导线若干。三、实验内

23、容1、存储器实验原理 实验所用的半导体静态存储器电路原理如图3-1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AD0-AD7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，所以其实际容量为256字节。6116有3个控制线：CE（片选），OE（读控制），WE（写控制）。当片选信号有效（CE=0）时，OE=0时进行读操作（注意：在本电路中，OE固定接地，只要片选信号CE=0有效，则不在写状

24、态就在读状态），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脉冲接至实验装置电路大板上的时序电路模块的TS3相应的插孔中，其脉冲宽度可调，其他电平控制信号由“SWITCH UNIT”单元的二进制开关模拟，其中SW-B为低电平有效，LDAR为高效电平有效。图3-1 存储器实验单元电路原理2、存储器实验内容实现对静态存储器6116的读写操作。先向6116写入若干个数据，然后再读出。四、实验步骤1、 将时序电路模块的和H23或H24排针相连，形成时钟脉信号T3，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

25、关置为“EXEC”状态时，按动微动开关START，则T3输出连续的方波信号；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，其脉冲宽度与连续方式相同。2、 按图3-2连接实验线路，检查无误后接通电源(存储器模块内部连线已接好，只需将控制信号及时钟脉冲信号T3与存储模块的外部连接，即可形成实验电路)。图3-2 静态存储器实验接线图3、 存储器的00、01、02、03、04地址单元中分别写入数据11、12、13、14、15 具体操作步骤如下：（以向0号单元写入11为例） 1) SW-B=0，其他开关均为1，输入单元的

26、数据开关置为00000000（地址信号）；2) 按Start按键产生T3脉冲信号，地址信号存入AR；3) LDAR=0（关AR），输入单元的数据开关置为00010001（装入数据信号）；4) CE=0，按Start按键产生T3脉冲信号，装入数据信号写入6116的指定地址；依照上述方法步骤，把指定的数据写入相应的存储器单元。4、 依次读出存储器的00、01、02、03、04号内存单元中的内容，观察上述各单元中的内容是否与前面写入的一致。具体操作步骤如下：（以从0号单元读出11数据为例）数据开关00000000SW-B=1CE=1三态门SW-B=0CE=1地址寄存器AR（00000000）SW-B

27、=0，CE=1LDAR=1，T3=存储器RAM（00010001）SW-B=1， CE=0LDAR=0，WE=0总线显示 五、实验注意事项1、 分析实验结果。2、 根据实验内容写出实验报告。实验四 数据通路实验一、实验目的1) 掌握计算机的数据通路组成及其工作原理；2) 在JYS-4实验装置上模拟计算机最基本的工作过程，打通“键盘”、“CPU”、“RAM”之间的数据通路。二、实验设备 JYS-4计算机组成原理实验箱及导线若干。三、实验内容该实验实际是实验一与实验三的综合，把JYS-4实验装置上的INPUT DEVICE(输入设备键盘)、SWITCH UNIT(开关单元控制器)、SIGNAL U

28、NIT(信号单元时钟)、STATE UNIT(时序单元)、ALU UNIT(算术逻辑单元运算器)、MAIN MEM(主存储器内存)、ADDRESS UNIT(地址单元)、BUS UNIT(总线单元)、W/R UNIT(写/读单元)、OUTPUT DEVICE(输出设备)等单元电路连接起来，构成一个最基本的计算机系统，以模拟计算机的实际工作过程。电路构成也是运算器实验和存储器实验电路的综合，如图4-1。图4-1 JYS-4装置的数据通路组成原理电路的接线参见图1-3及图3-2。需要特别说明的是，由于在本装置的开关单元里，LDDR1与CE、LDDR2与WE分别共用一个控制开关，在上述两个实验分别做

29、的时候，这两个开关要么用于产生LDDR1和LDDR2(做运算器实验时)这两个控制信号，要么用于产生CE和WE(做存储器实验时)这两个控制信号，所以是不矛盾的。但在本实验里，这四个控制信号都要用到，因而产生了矛盾，为了解决这个问题，这里规定在本实验接线时，保持图1-3的接线不变，而将图4-2中存储器单元的片选信号(CE)输入端连接至开关单元里的AR(PC-B)控制端，同时将写存储器控制信号(WE)输入端连接至开关单元里的SWA(LDPC)控制断。如有其他信号冲突，可用类似办法解决。操作时要注意这些接线上的变化。四、实验步骤1、 接线前的准备、实验电路的接线程序参见实验二和实验四。2、 从输入单元

30、电路输入四个八位二进制数据，并存入存储器单元(四个数据及四个存放数据的内存单元地址由各组定义，但要求不能与其它组定义的数据相同)。3、 从内存单元取出两组八位二进制分别送入DR1和DR2，并进行四种不同的算术运算，并把不同的算术运算的结果保存在存储器单元里（四种不同的算术运算及其结果的存放地址由各组自行规定）。4、 再从内存单元里取出剩下的两个原始数据分别送入DR1和DR2，并进行四种不同的逻辑运算，并把不同的逻辑运算结果存入存储器单元里（要求同3）。注：运算器单元和存储器单元的操作方法参见实验二和实验四。5、 分别从存储器单元读出算术运算和逻辑运算的结果，并分析其正确性。五、实验注意事项1、

31、 记录实验数据；2、 分析实验结果；3、 根据实验内容写出实验报告。实验五 微程序控制器实验一、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、实验设备 JYS-4计算机组成原理实验箱及导线若干。三、实验内容1微程序控制器的工作原理微程序控制器是根据微地址寄存器指向的微代码地址，把预先存储在微程序控制存储器里面的微代码，在时序电路的控制下，通过指令译码器解释成各单元电路的控制信号，以协调整机工作的单元电路。实验所用的时序电路原理如图5-1所示，可产生4个等间隔的时序信号TS1-TS4，其中为时钟信号，由实验台左上方的

32、方波信号源提供，可产生频率及脉冲宽度可调的方波信号。学生可自行选择方波信号的频率和脉冲宽度。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)、STOP(停机)分别来自实验板上方中部的两个二进制开关STEP、STOP的模拟信号。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将周而复始地发送出去。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CPU周期的时序信号就停机。利用单步方式，每次只读一条微指令，可以观察微指令的代码

33、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。由于时序电路的内部线路已经连接好，所以只需将时序电路与方波信号源连接(即将时序电路的时序脉冲输入端接至方波信号发生器的输出端H23),时序电路的CLR已接至实验板左下方的CLR模拟开关上。2微程序控制器单元电路 (1)微程序控制器单元电路的组成本实验装置的微程序控制器单元电路由编程部分和核心微控器部分组成。编程部分是通过编程部分开关的相应状态选择及由CLK、CLK0引入的节拍脉冲的控制来完成将预先定义好的机器指令对应的微代码程序写入到2816E2PROM控制存储器中，并可以对控制存储器中的机器

34、代码程序进行校验。该系统具有本机现场编程功能，且由于选用2816E2PROM芯片作为控制存储器，所以又具备掉电保护功能。图5-1 时序电路图核心微控器主要完成接收机器指令译码器送来的代码，使控制转向相应机器指令对应的首条微代码程序，对该条机器指令的功能进行解释或执行的工作。具体地说，核心微控器就是通过接受CPU指令译码器发来的信号，找到本条机器指令对应的首条微代码的微地址入口，再由CLK引入的时序节拍脉冲的控制下，逐条读出微代码并翻译和执行。实验板上的微控器单元中的24位显示灯(MD24-MD1)显示的状态便是读出的微指令。其中几部分再经过译码，产生实验板所需控制信号，将它们加到数据通路中相应

35、控制位，即可对该条机器指令的功能进行解释和执行。指令解释到最后，再继续接受下一条微代码对应的微地址入口，这样周而复始，即可实现机器指令程序运行(下面(2)里将介绍的微指令格式及指令译码电路原理)。核心微控器也是根据24位显示灯所显示的相应控制位，经部分译码产生的二进制信号来实现机器指令程序顺序、分支、循环运行的。所以，有效的定义24位微代码对系统的设计至关重要。(2)微程序控制器的电路原理微程序控制电路的组成如图5-2，控制存储器采用3片2816的E2PROM，具有断电保护功能，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

36、触发器(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的地址。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“”状态，完成地址修改。图5-2 微程序控制器电路原理图设有编程开关，具有三种状态：PROM(编程)、READ(校验)、RUN(运行)。处于“编程状态”时，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2816E2PROM中。处于“校验状态”时，可对写入控制存储器中的二进制代码进行验证，从而可判断写入的二进制代码是否正确。处于“运行状态”时，给出微程序的入口微地址，可根据微程序流

37、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，并驱动微地址显示灯。3. 微指令格式微指令长共24位，其控制位顺序如下表5-1：表5-1 微指令格式242322212019181716S3S2S1S0MCnWEA9A815 14 1312 11 109 8 7 A B C654321uA5uA4uA3uA2uA1uA0上表中A、B、C三个代码段的格式及其定义分别如下表5-2至表5-4所示。表5-2 A字段的代码格式及其定义151413选择000001LDRi010LDDR1011LDDR2100LDIR101LOAD110LDAR表5-3 B

38、字段的代码格式及其定义121110选择000001RS-B010RD-B011RI-B100299-B101ALU-B110PC-B表5-4 C字段的代码格式及其定义987选择000001P(1)010P(2)011P(3)100P(4)101AR111LDPC4指令译码电路的原理其中uA5-uA0为6位后续的微地址，A,B,C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，从而实现微程序中的顺序、分支、循环进行，其原理如图5-3所示，图中I7-I2为指令寄存器的第7-2位输出，SE5

39、-SE1为微程序控制器单元微地址锁存器的强置端输出。AR为算法运算是否影响进位及判别零标志控制位，其为零有效。B字段中的RS-B、RD-B、RI-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R0、R1及R2的选通译码，其原理如图5-4。图中I0-I3为指令寄存器的第0-3位，LDRi为打入工作寄存器信号的译码器使能控制位的控制信号。图5-3 C字段译码原理图图5-4 B字段译码原理图 控制台命令00 八进制微地址开始 20(SWB SWA)P(4) KWE(01) KRD(00) RP(11)PC->ARPC+1PC->

40、ARPC+121 2023 RAM->BUSBUS->DR1(SW)->BUSBUS->DR124 2201DR1->LEDDR1->RAM3027 运行微程序Pc->AR PC+101P(1)RAM->BUSBUS->IR0210INADD STAOUTJMPPC->ARPC+1PC->ARPC+1PC->ARPC+1 PC->ARPC+1SW->R01011 121314RAM->BUSBUS->ARRAM->BUSBUS->PCRAM->BUSBUS->ARRAM-&g

41、t;BUSBUS->AR0103 071626RAM->BUSBUS->DR1RO->BUSBUS->RAMRO->DR1RAM->BUSBUS->DR204151701DR1->LED0525 01(DR1)+(DR2)->RO0601 01图5-5 微程序流程图四、实验步骤1编制微程序(1)微程序流程图图5-5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。(2)把微程序转换成二进制代码表根据上述微程序流程图，将其微命令转换成相应的二进制代码如下表5-5。其内容的实质即为可运行的微程序。表5-5 二进

42、制代码表微地址S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCUA5.UA0000 0 0 0 0 0 0 1 1000000100010000010 0 0 0 0 0 0 1 1110110110000010020 0 0 0 0 0 0 0 1100000001001000030 0 0 0 0 0 0 0 1110000000000100040 0 0 0 0 0 0 0 1011000000000101050 0 0 0 0 0 0 1 10100010000001100610 0 1 0 1 0 1 1001101000000001070 0 0 0 0 0 0 0 11100000000

43、01101100 0 0 0 0 0 0 0 0001000000000001110 0 0 0 0 0 0 1 1110110110000011120 0 0 0 0 0 0 1 1110110110000111130 0 0 0 0 0 0 1 1110110110001110140 0 0 0 0 0 0 1 1110110110010110150 0 0 0 0 0 1 0 1000001000000001160 0 0 0 0 0 0 0 1110000000001111170 0 0 0 0 0 0 0 1010000000010101200 0 0 0 0 0 0 1 11101

44、10110010010210 0 0 0 0 0 0 1 1110110110010100220 0 0 0 0 0 0 0 1010000000010111230 0 0 0 0 0 0 1 1000000000000001240 0 0 0 0 0 0 0 0010000000011000250 0 0 0 0 1 1 1 0000101000000001260 0 0 0 0 0 0 0 1101000110000001270 0 0 0 0 1 1 1 0000101000010000300 0 0 0 0 1 1 0 10001010000100012实验线路连接按图5-6连接实验线

45、路，仔细查线无误后接通电源。图5-6实验电路接线图3观察时序信号用双踪示波器(或用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“EXEC”。按动START按键，从示波器上可观察到TS1、TS2、TS3、TS4各点的波形，比较它们的相互关系，画出其波形，并标注测量所用的脉冲宽度，见图5-7。图5-7时序信号图4微程序的写入与运行观察微程序控制器的工作原理：(1)编程将编程开关置为PROM(编程)状态。将实验板上“STATE UNIT”置为“STEP”,“STOP”置为“RUN”状态。用二进制模拟开关置微地址MA5-MA0。在MK24-MK

46、1开关上置微代码，24位开关对应24位显示灯，开关置为“0”时灯亮，开关置为“1”时灯灭。启动时序电路(按动自动按钮“START”),即将微代码写入到2816EPROM的相应地址对应的单元中。重复-步骤，将表6-2的微代码写入2816EPROM。(2)校验将编程开关设置为READ(校验)状态。将实验板的“STEP”开关置为“STEP”状态，“STOP”开关置为“RUN”状态。用二进制开关置好微地址MA5-MA0。按动“START”键，启动时序电路，读出微代码，观察显示灯MD24-MD1的状态( 灯亮为“0”，灭为“1”),检查读出的微代码是否与写入的相同。如果不同，则将开关置于PROM编程状态

47、，重新执行“编程”即可。 重复、步骤，直至把需要校验的内容都校验完成为止。(3)单步运行将编程开关置于“RUN(运行)”状态。实验板的“STEP”及“STOP”开关保持原状。按动CLR开关(按动开关在实验板右下角)使CLR信号101。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)。按动“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和微命令显示灯将显示所读出的一条指令。选择SWB SWA状态，00读存储器，11执行程序。将“MICRO-CONTROLLER”单元的SE6-SE1接至“SWITCH UNIT

48、”中的UA5-UA0对应二进制开关上，通过强置端SE1-SE6人为设置分支地址。人为设置分支地址时，是将某个或几个二进制开关置为“”,相应的微地址位即被强置为“”,从而改变下一条微指令的地址。 (注意：要使人为设置的地址有效，每次设置好地址后都要拨动一下“CLR”开关：101，然后恢复被强制的开关状态)。可重复。(4)连续运行将编程开关置为“RUN(运行)”状态。将实验板的单步开关“STEP”置为“EXEC”状态。使CLR从101，此时微地址寄存器清“0”,从而给出取指微指令的入口地址为000000(二进制)。启动时序电路，则可连续读出微指令。五、实验注意事项1、 记录实验数据；2、 分析实验

49、结果；3、 根据实验内容写出实验报告。实验六 基本模型机实验一、实验目的1）在掌握JYS-4计算机组成原理教学实验装置各单元电路的构成及其工作原理的基础上，进一步将其组成系统，构造出一台基本模型计算机。2）为本模型机定义五条机器指令，写出相应的微程序，并上机调试，以掌握整机的概念。二、实验设备 JYS-4计算机组成原理实验箱及导线若干。三、实验内容1. 基本模型机的设计与组成基本模型机是利用JYS-4计算机组成原理实验装置中相应的ALU单元电路、存储器单元电路、微程序控制器等单元电路组织起来的一个具有基本计算机功能的有机系统。在以前各单元电路的实验过程中，相关的控制信号都是人为模拟产生的，而基

50、本模型机的工作则是在微程序控制下自动产生各单元电路的控制信号，协调整个系统来完成特定指令功能的。因此，计算机数据通路的控制是由微程序控制器来完成的，即CPU从存储器中取出一条指令到该指令执行结束的一个指令周期内，全部操作都是由相应的微指令组成的一段微程序来实现的(一条机器指令对应一段微程序)。(1) 设计基本模型机的机器指令本设计采用五条机器指令，分别为：IN（输入）、OUT（输出）、ADD（二进制加）、STA（存数）、JMP（无条件转移）来模拟模型机的工作过程。表6-1是对这几条基本指令的具体说明。表6-1机器指令表助记符机器指令码 说明 IN 0000 0000“INPUT DEVICE”中的开关状态->R0ADD addr0001 0000 R0+addr->R0STA addr0010 0000 R0->addrOUT addr0011 0000 addr->BUSJMP addr0100 0000 addr->PC 这5条指令定义了模型机的5个功能。其中IN为单字长(8位)，占用一个地址的存储单元。其余为双字长指令(16位)，为addr对应的二进制地址码，它们都占用两个存储单元。助记符是为了记忆机器指令码而起的一个易于记忆的名字，而机器指令码是机器能够最终识别的命令