计算机组成原理实验报告

..计算机组成原理实验报告姓名：专业：计算机科学与技术学号：计算机组成原理实验〔一实验题目：时标系统的设置和组合成绩：一、实验目的1、了解时标系统的作用2、会设计、组装简单的时标发生器二、实验内容参照时标系统的设计方法,用组合逻辑方法设计一个简单的节拍脉冲发生器,产生图1-6所示的节拍脉冲,并用单脉冲验证设计的正确性。在实验报告中画出完整电路,写出、和的表达式。图1-6简单的节拍脉冲发生器一周期的波形设计提示：1、由波形图求出节拍脉冲和的表达式,进而组合成的表达式。2、注意节拍电平和的翻转时刻应在下降沿与的上升沿同时出现的时刻。3、注意触发器的触发翻转要求。三、实验仪器及器材1、计算机组成原理实验台和+5V直流稳压电源2、集成电路由附录A"集成电路清单"内选用四、实验电路原理〔实验电路原理图时标系统主要由时钟脉冲发生器、启停电路和节拍脉冲发生器三部分组成成,结构如图1-1所示。图1-1时标系统组成1、时钟脉冲发生器主要由振荡电路、分频电路组成,其作用是产生一定频率的时钟脉冲,作为计算机中基准时钟信号。如图1-2所示。图1-2时钟脉冲发生器组成2、启停电路计算机是靠非常严格的节拍脉冲,按时间的先后次序一步一步地控制各部件工作的,所以,机器启停的标志是有无节拍脉冲,而控制节拍脉冲按一定的时序发生和停止,不能简单地用电源开关来实现。如图1-3所示。图1-3简单的启停电路为了使机器可靠地工作,要求启停电路在机器启动或停机时,保证每次从规定的第一个脉冲开始启动,到最后一个脉冲结束才停机,并且必须保证第一个和最后一个脉冲的波形完整。如图1-4所示。图1-4利用维持阻塞原理的启停电路3、节拍脉冲发生器节拍脉冲发生器的作用是产生一序列的节拍电平和工作脉冲。节拍电平是保证计算机微操作的时序性,工作脉冲是各寄存器数据的打入脉冲。本课程整机实验中一个周期的节拍脉冲波形如图1-5所示。其中的工作脉冲～,由节拍电平～与时钟脉冲按组合逻辑的方法组合得到,表达见图1-5中右侧列表所示。图1-5一个周期的工作脉冲波形五、实验步骤按照实验内容设计并连接电路,输入脉冲信号,观察灯的亮灭情况,并用单脉冲进行检验。六、实验内容记录〔数据、图表、波形、程序设计等实验电路如图：输入脉冲后,三个指示灯按规则亮灭。W1=T1×M0×W2=T0×M0×N1=W1+W2真值表为：ML1〔W1L2〔W2L3〔N10000100000001000000010000101100000001011000010000101100000001000七、实验结果分析、实验小结实验成功的产生了要求的信号。第一次做计组实验,对器械不熟悉,做起来耗时较长,以后要多加练习。计算机组成原理实验〔二实验题目：总线传输技术成绩：一、实验目的1、了解总线的工作原理2、掌握总线的传送技术3、熟悉建立总线的器件特性二、实验内容1、根据图2-2所示的实验方案,如果要通过"输出显示"观察到"RAM地址寄存器〔AR"中的数据,请选用适当元器件设计实现。画出实验电路逻辑图,并组装成电路。2、在设计的电路上实现下列手动单功能操作,并写出操作步骤：〔1开关数据→输出显示；〔2开关数据→RAM地址寄存器〔AR；〔3RAM地址寄存器〔AR→输出显示；设计提示：用不同的开关控制各个寄存器,并用不同的脉冲对寄存器实现数据打入。三、实验仪器及器材1、计算机组成原理实验台和＋5V直流稳压电源2、74LS244、74LS273四、实验电路原理〔实验电路原理图计算机全部工作过程,可以看成是信息的传送和加工过程；信息传送在机器内部是极为频繁的,为减少机器中的信息传输线、节省器件,提高传送能力及可靠性,采用总线方法是必不可少的,建立总线的基本原则是①互斥性：挂总线的各总线驱动器〔发送端必须具有分时操作的可能性,不允许在同一总线上同时有两个发送源发送信息。②一致性：同一总线中所用挂总线的器件类型要一致；通常用做总线的器件有两种：OC门和三态门,前者负载能力较小,只能用于小规模的传送应用中；而三态门是目前应用较多的总线传送器件。在这类型件中,最常见的有74LS244、74LS245,另外如74LS373、INTEL8212等器件也都可直接与总线相连。下面介绍一种总线实验方案,如图2-1所示：图2-1总线传送技术实验框图〔例上图所示为一个小型总线传送系统,共有五个部件在同一总线上,其中、为总线的发送部件,、接收部件,部件可双向传送,既可作发送端,也可作接受端。因此在同一总线上共挂上三个传送源,但在同一时间只允许传送一个发送端发送的信息,例如时可以→、、,时可传送从→、、。但绝不能在同一时刻,例如时,同时作→、→的信息传送,也就是说建立总线必须遵循互斥性原则。在此本实验中、、、、均采用三态传输器件。因此上图的总线设想可转化为图2-2所示的实现方案。从图中可看出,地址信息及数据信息都是通过同一组数据开关经三态传输门挂上总线,再发送相应的部件的。要区分送入总线的信息是地址还是数据,可以通过对操作时序的控制来实现,本实验由于地址值及内容数据都是通过数据开关人工加载的,因此区分总线上的地址和数据信息也就是人为地操作总线上的某些芯片,打入或读出信息。图2-2总线传送技术实验方案〔例1、八三态驱动门74LS244内部功能结构见图2-3所示,每芯片装两组。图2-374LS244内部功能结构2、八触发器74LS273内部功能结构如图2-4所示。图2-474LS273内部功能结构五、实验步骤按照实验内容设计并连接电路,1、置零,从D3D2D1D0端输入要储存的数据,A1从0置1.,A2置零。观察输出结果。2、A2置一,、A1、置零,输入端输入数据。3、置一,、A2置零,A1从0置1,输出端输出数据。六、实验内容记录〔数据、图表、波形、程序设计等实验电路如图：七、实验结果分析、实验小结按步骤操作后,输出与输入相吻合。计算机组成原理实验〔三实验题目：RAM存贮器成绩：一、实验目的1、了解半导体静态存贮器2、掌握RAM存贮器的读写操作二、实验内容完成下列设计任务,画出电路逻辑设计图,并写出对存贮器单个地址的读、写操作过程：设计一个容量为256×4bit的存贮器并完成单个存贮单元的读写操作,选5个不连续的存贮单元地址操作。设计提示：用一片74LS273作为存贮器的地址寄存器,可再用一片同样的芯片作为存贮器数据输出缓冲器,只用其中的4位即可。三、实验仪器及器材1、计算机组成原理实验台和＋5V直流稳压电源2、74LS244、M2114、74LS273四、实验电路原理〔实验电路原理图1、M2114内部功能结构M2114由以下几个部分组成,如图3-1所示：图3-1M2114SRAM器件的内部逻辑及引脚图〔1存贮体——它是一个32行×32列×4bit的存贮器阵列,用以寄存信息代码。〔2译码器——采用X-Y矩阵译码,因此它分为行译码和列译码两部份,分别对行、列地址进行译码。〔3读写电路——把代码信号从存贮体中读出并放大,使与TTL相兼容,而写电路把代码写入存贮体。〔4控制器——接收读、写命令,并发出控制,以接收或发送其数据信息,〔5三态输入输出缓冲器——由控制线控制,以接收或发送其数据信息。2、M2114的读操作：〔1把所送单元的地址送到地址输入端～。〔2把读写控制电平置"1",即。〔3置片选控端。〔4经一定的延迟后,从～上获得所要的数据。3、M2114的写操作：〔1把要写入单元的地址送到地址线～。〔2置。〔3把要存入的数据置在数据线～上。〔4置片选,则经一定延时后,数据就被写入指定的存贮单元中。4、M2114器件应用举例〔1RAM的字长扩展一片M2114器件的单元数为1k〔1024,每个单元的字长为4位,若需要字长为8位或16位的SRAM存贮器,就要用2片或4片器件组合而成。这种扩展方法只需把两片或四片器件对应的地址线～,、等信号并联即可,它们的数据线加在一起就可组成一个8位或16位的SRAM存贮器。同理,可以很方便地把字长扩展到4×位,其中为M2114器件数。图3-2所示为1k×8位的SRAM逻辑图。〔2RAM的容量扩展一片M2114的地址线有10根～,故其最大容量为即1k,现若希望SRAM的容量为4k,其构成的方法如下：A、4k共需12根地址线,即～,因为,共需要4片M2114。B、由于M2114仅有～位地址,每片1k,因此只需把12位地址中的高二位～经一片2-4线译码器〔如74LS139译成四个状态,分别去控制每一片的端,即可达到扩充4k的目的。采用此方法,只需要适当配置译码电路,就可以把SRAM存贮器的容量以1k为模任意加以扩充。图3-21k×8位的M2114五、实验步骤按照实验内容设计并连接电路,对单个存贮器地址的写操作如下：1、=1,CS=12、=03、输入端D3D2D1D0输入地址〔0H~15H,打入MAR4、输入端D3D2D1D0输入数据5、W/R=06、CS=1→0→17、返回3,写下一个数据读操作如下：1、=1,CS=12、=03、输入端D3D2D1D0输入地址〔0H~15H,打入MAR4、=15、W/R=16、CS=1→07、输出数据8、CS=0→19、返回2,读下一数据六、实验内容记录〔数据、图表、波形、程序设计等实验电路如图：真值表为：Adress1Adress2Adress3Adress4Data1Data2Data3Data400011110001011010100101110000111七、实验结果分析、实验小结按步骤操作后,输出与地址相吻合。计算机组成原理实验〔四实验题目：总线半导体静态存贮器成绩：一、实验目的1、熟悉挂总线的逻辑器件的特性和总线传送的逻辑实现方法2、掌握半导体静态存贮器的存取方法二、实验内容1、根据实验方案框图,调用PC模块,选用适当元器件,画出实验电路逻辑图,并组装成电路。2、在电路上实现下列手动单功能操作,〔控制信息可用电平开关输出电平。→、→RAMRAM→Bus→设计提示：1、利用实验箱中提供的总线接口搭接总线结构,各器件再分别挂到总线上。2、用一片74LS273作为存贮器的地址寄存器。3、PC模块可看作一个透明的元件,用来产生连续的存贮器地址,其数据置入端和计数输出端已经在内部挂接到总线上。三、实验仪器及器材1、计算机组成原理实验台和+5V直流稳压电源2、器件由附录A"集成电路清单"内选用四、实验电路原理〔实验电路原理图在单总线结构的计算机中,其地址和数据都是通过同一组数据开关及三态传输门挂上总线,发送到相应计算器、地址寄存器或存贮器单元。怎样区分送入总线的信息是地址还是数据,这可通过控制操作的时序来实现。计数器可选用74LS161和74LS244构成可预置计数器,并具有双向传送逻辑功能,即可以从总线上接受信息,也可以发送信息到总线上,而缓冲器及地址寄存器仅是接收总线信息的一个部件。本实验的逻辑电路方案如图4-1所示：图4-1总线半导体存贮器实验框图芯片逻辑图介绍同步四位计数器74LS161及字长扩展图4-274LS161字长扩展图4-2中：、、、——输入〔为高位,为低位；、、、——输出〔为高位,为低位；——使能〔置数或计数为高——操作模式〔置数低,计数为高；——置数或计数脉冲；——动态进位输出=；——清除。五、实验步骤按照实验内容设计并连接电路,1、K→B、A=1,=1,CS=1,LD=1=0,LD=0输入端D3D2D1D0输入地址〔0H~15H,打入MARLoadMAR,LoadPC=1,LD=12、K→RAM=1,=1,CS=1,LD=1=0输入端D3D2D1D0输入数据〔0H~15H,打入MARW/R=0,CS=1→0→1=13、RAM→Bus=1,=1,CS=1,LD=1K→PC,MARW/R=0,CS=1→0LoadCCS=0→14、B+1→A=1,=1,CS=1,LD=1LoadPC=0LoadMAR=1六、实验内容记录〔数据、图表、波形、程序设计等实验电路如图：真值表为：Adress1Adress2Adress3Adress4Data1Data2Data3Data400011110001011010011101101000111七、实验结果分析、实验小结按步骤操作后,输出与地址相吻合。计算机组成原理实验〔五实验题目：运算器成绩：学生姓名：xxx学号：20081060058指导教师：xxxxxx学院名称：xxxxxxxxx专业：计算机科学与技术年级：08级实验时间：xxxxxxx实验室：xxxxxx一、实验目的1、熟悉运算器部件的基本组成2、了解74LS181ALU器件的功能及使用方法二、实验内容1、74LS181ALU功能检测：[根据表5-2：74LS181的32种算术、逻辑功能。]〔1先设计功能检测的详细控制逻辑电路图,、两操作数均为4位,分别个数据开关直接送入。〔2～、、这6个控制码,除了、可直接用开关控制外,～可用4位二进制计数器的16个状态来实现。〔3制定一张设计好、两操作数的内容及运算后应得结果,以便实验时加以对照。功能选择～补码输入补码输出选择功能算术操作〔无进位〔有进位0000加0001加0010加0011减［2的补码］0100加加加0101加加加0110减减减0111减1000加加加1001加加加1010加加加1011减1100加加加1101加加加1110加加加1111减设计提示：1、ALU是组合逻辑电路,它的2个操作数分别用4个数据开关直接产生,运算结果也直接送输出显示。2、ALU操作指令中的～用74LS161顺序产生,和用开关产生。三、实验仪器及器材1、计算机组成原理实验台和＋5V直流稳压电源2、74LS181、74LS161四、实验电路原理〔实验电路原理图运算器是CPU的一个主要部件,它通常由算术单元〔ALU和一些寄存器组成,ALU单元对操作数进行各种运算〔加、减、乘、除和逻辑运算。在ALU单元中,其核心部分是一个二进制加法器,一般它由位全加器组成,为了提高运算速度,通常在级间都采用超前进位逻辑,若在此基础上,再增加一些控制线及控制逻辑,就能大大扩展各种逻辑功能而成一个功能发生器。目前具有代表性的此类ALU器件有74LS181、74LS881等。74LS181器件可对两个4位字进行16种二进制算术运算的16种逻辑运算,即具有32种函数功能。由四个功能选择端、、、及一个模式控制端来选择这32种功能操作,其中状态的0、1,用来区分是算术运算还是逻辑运算。74LS181有两种逻辑表示,即正逻辑与负逻辑,对这两种逻辑表示的输入输出信息的有效电平有不同的要求,在正逻辑操作时是高电平有效,而在负逻辑操作时是低电平有效,其外形图如下图5-1所示：图5-174LS181芯片图器件共有24个引脚,分别说明如下：表5-1：引脚号记忆符号功能说明1操作数的0位输入端2操作数的0位输入端3～6～16种操作功能控制编码输入端7低位进位输入8算术/逻辑运算模式控制9～11～运算结果的低三位数12地13运算结果的第4位数14用于比较、两数〔OC输出15小组进位传递信号16高位进位输出17小组进位生成输出18-23～；～操作数和的第3～1位数24+5V电源五、实验步骤按照实验内容设计并连接电路,在输入端输入A、B的二进制值,计数器先置零,分别对M=1；M=0、Cn=1；M=0、Cn=0三种情况,从0000开始计数指导1111,记录输出结果。六、实验内容记录〔数据、图表、波形、程序设计等实验电路如图：真值表为：A=0111B=0010S3S2S1S0M=1M=0Cn=1M=0Cn=00000100001111000000110000111100000100000111100000011000011110000010011011100110101011101110011010110010101000101011101010100010110001010100110101001101010011010101000100001001010110010000100101100111111101111110111111110111111100111011001111111011101100111七、实验结果分析、实验小结按步骤操作后,输出与理论结果相吻合。计算机组成原理实验〔六实验题目：运算器数据通路成绩：一、实验目的1、熟悉74LS181函数功能发生器的功能,提高器件在系统中应用的能力2、熟悉运算器的数据传送通路3、完成几种算逻运算操作,加深对运算器工作原理的理解二、实验内容按图6-1所示参考框图自行设计一个能完成表6-1所列补码运算指令的运算器〔为简单化电路,进位和结果触发器可以不设置。选择适当元件,画出详细实验电路逻辑图〔包括对开关的定义,并组装成电路。表6-1：指令助记符代码功能加减加1减1ADDSUBINRDCR1001011000001111逻辑与取反左移ANACMASHL101101011100取反左移在电路上进行表6-1中指令的手动单指令操作〔操作数、指令码由数据开关输入。设计提示：1、运算器的输入缓存器、分别用一片74LS161来实现,但只用到74LS161的置数功能,禁止其计数功能。2、用一片74LS273作为运算器操作指令寄存器,只用到6位。3、用一片74LS244控制运算器的运算结果能否送总线。三、实验仪器及器材1、实验台和+5V直流稳压电源各一台。2、器件由附录A"集成电路清单"内选用。四、实验电路原理〔实验电路原理图1、四位函数功能发生器〔ALU74LS181的功能74LS181通过"控制参数"～和"模式控制",可对两个输入操作数完成32种算、逻运算,并可以工作于正逻辑输入输出或负逻辑输入输出方式〔本实验为正逻辑方式。控制端时,属算术运算；时,属逻辑运算。进位采用补码形式输入输出,电路亦可进行数的比较运算。其操作功能可查阅实验五中的功能表。2、数据传送通路实验电路方案运算器是计算机对数据进行运算的重要部件,它的核心是ALU函数功能发生器,其次还要有存放操作数和运算中间结果的寄存器、移位门、传送数据的总线等部件,在不同的控制信号下,运算器完成不同的运算功能。如图6-1所示。图6-1运算器数据通路框图在图6-1中,、为存放两个现行操作数的缓冲寄存器。其中兼作存放中间结果的累加器,并给予显示。它们仅接收来自总线的数据信息,送入ALU进行算、逻运算。ALU输出经移位门,将运算结果送入总线。移位门挂总线是发送源,需用三态门作隔离器,可采用74LS244兼作移位门和隔离器。实验中,为减少模拟开关占用量,可在总线上挂一个指令寄存器,存放ALU的控制信息～、、。五、实验步骤按照实验内容设计并连接电路,1、送指令到IR：K0、K2置一,K1置零；D7D6D5D4端输入指令代码,D3D2开关置相应功能对应的状态；按下A1。2、送初始A数据：K0、K2置一,K1置零；D7D6D5D4端输入A数；按下A2。3、送B数据：K0、K2置一,K1置零；D7D6D5D4端输入B数；按下A3。4、输出结果存到A中：K0、K1置一,K2置零；按下A2。七、实验结果分析、实验小结实验电路图真值表指令助记符代码功能CnMABF加减加1减1ADDSUBINRDCR100101100000111110010000001000110010001100010001000100010011001000110010逻辑与取反左移ANACMASHL101101011100取反左移××1110001000001110000100010001000011101100八、实验结果记录、实验小结实验结果与理论结果相同计算机组成原理实验〔七实验题目：手动及自动运算器成绩：一、实验目的1、进一步熟悉运算器的数据传送通路2、用手动及自动方式分别完成几种算逻运算操作,加深对运算器工作原理的理解二、实验内容1、直接调用IR和ALU模块,设计能完成实验六中表6-1所列运算的手动运算器〔为简单化电路,进位和结果触发器可以暂不设置。画出详细实验电路逻辑图〔包括对开关的定义,并组装成电路。在电路上进行表6-1八种指令的手动单指令操作〔操作数、指令码由数据开关输入。设计提示：指令寄存器模块IR和ALU模块所需的控制信号已经列出并印在实验箱操作面板上,请从中选用需要的控制信号。2、在第1中手动运算器的基础上,利用实验箱提供的～来定序〔实验台左下方固定印刷电路输出,设计并组装自动控制电路,分别进行加减法指令的自动单次操作。设计提示：根据手动操作的步骤,合理利用～,产生取代手动操作中的控制电平和打入脉冲的控制信号。三、实验仪器及器材1、实验台和+5V直流稳压电源各一台2、器件由附录A"集成电路清单"内选用四、实验电路原理〔实验电路原理图参考实验六中的运算器数据通路图6-1,直接调用实验箱中的ALU模块和IR模块,并用实验箱提供的工作脉冲,实验手动方式和自动方式的运算器。在计算机运算过程中,经常要根据运算结果和进位输出来决定程序的流程,可从ALU的的端输出判断信息,分别是打入进位位和结果触发器。当N位数运算结果超出N位所能表示的数的范围时,即发生了