计算机组成与结构实验

计算机组成与结构

实验2022/10/26计算机科学与技术学院2／62目录实验准备实验一：运算器实验实验二：存储器实验实验三：微控器实验实验四：基本模型机设计与实现实验五：复杂模型机设计与实现2022/10/26计算机科学与技术学院3／62实验准备实验箱介绍导线实验接线2022/10/26计算机科学与技术学院4／62实验箱介绍（1）ALU单元输入单元主存单元输出单元开关单元微控单元总线单元实验设备采用TDN-CM++教学实验箱实验准备2022/10/26计算机科学与技术学院5／62实验箱介绍（2）灯亮表示0，灯灭表示1开关的值（0或1）标在开关组的左边有白线连起来的表示导通实验准备2022/10/26计算机科学与技术学院6／62导线实验使用排线，一根排线相当于2～8根导线8线2线实验准备2022/10/26计算机科学与技术学院7／62实验接线注意：1.接线时必须断电

2.接线时注意高位对高位，低位对低位实验准备2022/10/26计算机科学与技术学院8／62实验一运算器实验实验目的实验原理实验步骤2022/10/26计算机科学与技术学院9／62实验目的验证运算功能发生器（74LS181）的组合功能实验一运算器实验2022/10/26计算机科学与技术学院10／62实验原理（1）实验一运算器实验2022/10/26计算机科学与技术学院11／62实验原理（2）74LS181实验一运算器实验2022/10/26计算机科学与技术学院12／62实验原理（3）操作选择运算功能S3S2S1S0M=H逻辑功能M=L算术功能Cn’=H(无进位)Cn=L(有进位)0000F=A’F=AF=A加10001F=(A+B)’F=A+BF=(A+B)加10010F=A’BF=A+B’F=(A+B’)加10011F=0F=减1(2的补码)F=00100F=(AB)’F=A加AB’F=A加AB’加10101F=B’F=(A+B)加AB’F=(A+B)加AB’加10110F=A⊕BF=A减B减1F=A减B0111F=AB’F=AB’减1F=AB’1000F=A’+BF=A加ABF=A加AB加11001F=A⊙BF=A加BF=A加B加11010F=BF=(A+B’)加ABF=(A+B’)加AB’加11011F=ABF=AB减1F=AB1100F=1F=A加AF=A加A加11101F=A+B’F=(A+B)加AF=(A+B)加A加11110F=A+BF=(A+B’)加AF=(A+B’)加A加11111F=AF=A减1F=A实验一运算器实验2022/10/26计算机科学与技术学院13／62实验步骤（1）1.按实验接线图连接实验线路，查线无误，接通电源。实验一运算器实验2022/10/26计算机科学与技术学院14／62实验步骤（2）2.数A送入DR1，数B送入DR2ALU-B=1SW-B=0数ALDDR1=1LDDR2=0T4=ALU-B=1SW-B=0数BLDDR1=0LDDR2=1T4=实验一运算器实验2022/10/26计算机科学与技术学院15／62实验步骤（3）3.检验DR1，DR2中存的数据是否正确ALU-B=0SW-B=1S3S2S1S0M11111总线指示灯显示数AALU-B=0SW-B=1S3S2S1S0M10101总线指示灯显示数B实验一运算器实验2022/10/26计算机科学与技术学院16／62实验步骤（4）4.验证74LS181的功能，记录实验结果

改变运算器的功能设置，记录总线指示灯显示的数据，并和理论分析进行比较、验证。实验一运算器实验2022/10/26计算机科学与技术学院17／62实验二：存储器实验实验目的实验原理实验步骤2022/10/26计算机科学与技术学院18／62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。实验二存储器实验2022/10/26计算机科学与技术学院19／62实验原理实验二存储器实验2022/10/26计算机科学与技术学院20／62实验步骤（1）1.按实验接线图连接实验线路，查线无误，接通电源。实验二存储器实验2022/10/26计算机科学与技术学院21／62实验步骤（2）2.给存储器的00地址单元写入数ASW-B=0CE=1地址00LDAR=1T3=SW-B=0LDAR=0CE=0WE=1T3=数A实验二存储器实验2022/10/26计算机科学与技术学院22／62实验步骤（3）3.读出存储器00地址单元的数据SW-B=0CE=1地址00LDAR=1T3=SW-B=1CE=0WE=0LDAR=0总线指示灯显示数A实验二存储器实验2022/10/26计算机科学与技术学院23／62实验步骤（4）4.参照步骤2，分别将数据11、12、13写入存储器的01、02、03地址单元；5.参照步骤3，分别读出存储器01、02、03地址单元的内容，观察各单元的内容是否与前面写入的一致。实验二存储器实验2022/10/26计算机科学与技术学院24／62实验三：微控器实验实验目的实验原理实验步骤2022/10/26计算机科学与技术学院25／62实验目的

掌握微程序控制器的组成原理。掌握微程序的编制、写入，观察微程序的运行。实验三微控器实验2022/10/26计算机科学与技术学院26／62实验原理实验三微控器实验2022/10/26计算机科学与技术学院27／62微指令格式微指令字长共24位,uA5~uA0为6位的后继地址。A,B,C为三个译码字段242322212019181716151413121110987654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCuA5uA4uA3uA2uA1uA0实验三微控器实验2022/10/26计算机科学与技术学院28／62微指令解释（1）S3,S2,S1,S0,M,Cn是74LS181的控制信号:000000且ALU-B为A加1000001且ALU-B为F=A000011且ALU-B为F=A’001111且ALU-B为F=0100101且ALU-B为A加B101110且ALU-B为F=ABWE是存储器的读/写控制信号:WE=0为读信号WE=1为写信号实验三微控器实验2022/10/26计算机科学与技术学院29／62微指令解释（2）扩展单元(EXUNIT):A9A8=00时,Y0=0,A9A8=01时,Y1=0A9A8=10时,Y2=0,A9A8=11时,Y3=0A9A8=(0)00:由Y0和SW-B相连，即SW-B=0A9A8=(1)01:由Y1和CE相连，即CE(CS)=0A9A8=(2)10:由Y2和LED-B相连，即LED-B=0A9A8=(3)11:不用实验三微控器实验2022/10/26计算机科学与技术学院30／62微指令解释（3）A字段151413选择000001LDRi010LDDR1011LDDR2100LDIR101LOAD110LDARB字段121110选择000001RS-B010RD-B011RI-B100299-B101ALU-B110PC-BC字段987选择000001P(1)010P(2)011P(3)100P(4)101AR110LDPC实验三微控器实验2022/10/26计算机科学与技术学院31／62A字段A字段151413选择000001LDRi010LDDR1011LDDR2100LDIR101LOAD110LDARLDR0=LDRi·(I1·I0=00),R0接收BUS数据

LDR1=LDRi·(I1·I0=01),R1接收BUS数据

LDR2=LDRi·(I1·I0=10),R2接收BUS数据

LDDR1是运算单元的第一操作数存储单元DR1接收BUS数据

LDDR2是运算单元的第二操作数存储单元DR2接收BUS数据

LDIR是指令寄存器接收BUS数据

LOAD+LDPC是PC接收BUS的数据

LDPCPC增1LDAR是BUS送地址到地址寄存器AR2022/10/26计算机科学与技术学院32／62寄存器选通LDR0=LDRi·(I1I0=00)LDR1=LDRi·(I1I0=01)LDR2=LDRi·(I1I0=10)R0-B=RS-B·(I3I2=00)或RD-B·(I1I0=00)R1-B=RS-B·(I3I2=01)或RD-B·(I1I0=01)R2-B=RS-B·(I3I2=10)或RD-B·(I1I0=10)或RI-B(变址只能是R2)2022/10/26计算机科学与技术学院33／62B字段R0-B=RS-B(I3I2=00)+RD-B(I1I0=00),R0送数据到BUSR1-B=RS-B(I3I2=01)+RD-B(I1I0=01),R1送数据到BUSR2-B=RS-B(I3I2=10)+RD-B(I1I0=10)+RI-B,R2送数据到BUS+是或操作RI-B:RI(变址,规定为R2)送数据到BUS299-B:74LS299送数据到BUSALU-B:74LS181送数据到BUSPC-B:74LS161送数据到BUSB字段121110选择000001RS-B010RD-B011RI-B100299-B101ALU-B110PC-B2022/10/26计算机科学与技术学院34／62C字段C字段987选择000001P(1)010P(2)011P(3)100P(4)101AR110LDPCP(1):将I7I6I5I4(操作码)加入微地址P(2):将寻址模式M加入微地址P(3):将条件转移成功加入微地址P(4):将SWB,SWA的状态加入微地址AR:是否将运算结果置CY(进位)和ZI(零)LDPC:PC+1LDPC+LOAD：BUS的数据送PC2022/10/26计算机科学与技术学院35／62微地址转移SE6=1SE5=SE4SE3SE2SE1=(I7I6I5I4)·P1(操作码)SE2SE1=(I3I2)·P2(寻址方式M)SE2SE1=(SWBSWA)·P4实验三微控器实验2022/10/26计算机科学与技术学院36／62实验步骤（1）1.按实验接线图连接实验线路，查线无误，接通电源。实验三微控器实验2022/10/26计算机科学与技术学院37／62实验步骤（2）2.写微程序STEP=STEPSTOP=RUNMJ20PROMUA5~UA0微地址按START微代码写入2816MK24～MK1微代码实验三微控器实验2022/10/26计算机科学与技术学院38／62实验步骤（3）3.校验STEP=STEPSTOP=RUNMJ20READUA5~UA0微地址按STARTMD24～MD1微代码实验三微控器实验2022/10/26计算机科学与技术学院39／62实验步骤（4）4.运行STEP=STEP/EXECSTOP=RUNMJ20RUN按STARTUA5~UA0＝微地址MD24～MD1＝微代码CLR101实验三微控器实验2022/10/26计算机科学与技术学院40／62实验四：基本模型机设计与实现实验目的指令系统数据通路框图微程序流程图程序微程序实验步骤2022/10/26计算机科学与技术学院41／62实验目的在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其构造成一台基本模型计算机。为该模型机定义五条机器指令，并编写相应的微程序，调试掌握整机概念。实验四基本模型机2022/10/26计算机科学与技术学院42／62指令系统助记符机器指令码说明IN00000000数AR0ADDaddr00010000xxxxxxxxR0+[addr]R0STAaddr00100000xxxxxxxxR0[addr]OUTaddr00110000xxxxxxxx[addr]LEDJMPaddr01000000xxxxxxxxaddrPC注：xxxxxxxx为addr对应的二进制地址码实验四基本模型机2022/10/26计算机科学与技术学院43／62数据通路框图实验四基本模型机2022/10/26计算机科学与技术学院44／62微程序流程图实验四基本模型机2022/10/26计算机科学与技术学院45／62程序$P0000$P0110$P020A$P0320$P040B$P0530$P060B$P0740$P0800$P0A01十六进制地址机器指令代码实验四基本模型机2022/10/26计算机科学与技术学院46／62微程序$M00018110$M0D02820l$M0101ED92$M0E00E00F$M0200C048$M0F00A015$M0300E004$M1001ED92$M0400B005$M1101ED94$M0501A206$M1200A017$M06959A01$M13018001$M0700E00D$M14002018$M08001001$M15070A01$M0901ED83$M1600D181$M0A01ED87$M17070A10$M0B0lED8E$M18068A11$M0C01ED96十六进制地址微指令代码实验四基本模型机2022/10/26计算机科学与技术学院47／62实验步骤（1）1.按实验接线图连接实验线路，查线无误，接通电源。实验四基本模型机2022/10/26计算机科学与技术学院48／62实验步骤（2）2.联机读写程序和微程序。编辑程序和微程序文件EX1.TXT，用联机软件的装入文件功能（F4）将该文件装入实验系统。实验四基本模型机2022/10/26计算机科学与技术学院49／62实验步骤（3）3.运行程序。用联机软件的调试功能（F6）进入调试界面，CLR清零（101），单步执行微程序（F2）。实验四基本模型机2022/10/26计算机科学与技术学院50／62调试界面000010000000001100000001001000下一条微指令地址下一条微指令代码实验四基本模型机010000数据流PCARPC+12022/10/26计算机科学与技术学院51／62实验步骤（4）4.参照机器指令及微程序流程图，将屏幕显示的数据流图与理论分析比较，验证系统执行指令的正确性。实验四基本模型机2022/10/26计算机科学与技术学院52／62实验五：复杂模型机设计与实现实验目的指令系统数据通路框图微程序流程图程序微程序实验步骤2022/10/26计算机科学与技术学院53／62实验目的综合运用所学计算机原理知识，设计并实现较为完整的计算机。实验五复杂模型机2022/10/26计算机科学与技术学院54／62指令系统数据格式：定点补码表示数据，且字长为8位指令格式：（1）算术逻辑指令

rs：源寄存器rd：目的寄存器76543210符号尾数76543210操作码rsrdrs或rd选定的寄存器00R001R110R2实验五复杂模型机2022/10/26计算机科学与技术学院55／62（2）访存指令及转移指令访存指令两条，存数(STA),取数(LDA);转移指令两条，无条件转移(JMP),结果为零或有进位转移(BZC)D为位移量(可正可负)M为寻址模式7654321000M操作码rdD寻址模式M有效地址E说明00E=D直接寻址01E=(D)间接寻址10E=(R2)+DR2变址寻址11E=(PC)+D相对寻址实验五复杂模型机2022/10/26计算机科学与技术学院56／62

（3）I/O指令输入(IN),输出(OUT)

addr=01时,开关组作为输入设备

addr=10时,数码块作为输出设备（4）停机指令76543210操作码addrrd76543210操作码0000实验五复杂模型机2022/10/26计算机科学与技术学院57／62LDAM,D,rd00M00rdDE→rdSTAM,D,rd00M01rdDrd→EJMPM,D00M1000DE→PCBZCM,D00M1100Dcy=1或Z=1时，E→PCINaddr,rd010001rdaddr→rdOUTaddr,rd010110rdrd→addrHALT01100000停机CLRrd011100rd0→rdMOVrs,rd1000rsrdrs→rdADCrs,rd1001rsrdrs+rd+cy→rdSBCrs,rd1010rsrdrs－rd－cy→rdINCrd1011rsrdrd+1→rdANDrs,rd1100rsrdrs∧rd→rdCOMrd1101rsrdrd→rdRRCrs,rd1110rsrdrs连同cy循环右移再送rdRLCrs,rd1111rsrdrs连同cy循环左移再送rd实验五复杂模型机2022/10/26计算机科学与技术学院58／62数据通路框图实验五复杂模型机2022/10/26计算机科学与技术学院59／62微程序流程图实验五复杂模型机2022/10/26计算机科学与技术学院60／62程序$P0044$P0146$P0298$P0381$P04F5$P050C$P0600十六进制地址机器指令代码实验五复杂模型机2022/10/26计算机科学与技术学院61／62微程序（1）$M00018108$M010lED82$M0200C050$M0300A004$M0400EOA0$M0500E006$M0600A007$M0700EOA0$M0801ED