计算机组成与体系结构

《计算机组成与体系结构》实验

课程编号：ZB10210课程性质：必修学时数：_90_学分数：4.5

开课学期：第四学期适用专业：计算机科学V技术先修课程:程序设计基础、计算机导论

(-)基本要求

1.通过实验设计验证相关部件工作过程。

2.能够根据已学知识编写微程序进行综合设计开发。

(-)主要仪器、设备及消耗材料

1.硬件要求

计算机组成原理及系统结构实验箱ZY15compSysl2BB,50台套以上

P4/128M以上内存/40G以上硬盘计算机，50台套以上。

2.软件要求

⑴操作系统：Windows2000/XPo

(2)MAX+plusII10.2

(三)实验项目及学时数

学实

每组实验实验

序实验项目内容提要时验

人数性质要求

号数者

验证运算功能发生器

1算术逻辑运算22验证本必做

(74LS181)的组合功能。

2移位运算实验验证移位控制的功能22验证本必做

掌握乘法器的设计原理，观

3乘法器设计22设计本必做

察乘法器输出

掌握静态随机存储器RAM的

4内存存取22验证本必做

数据读写方法

掌握8255的编程方法，熟悉

5扩展8255并行口实验22设计木必做

其各种使用方法

扩展8253定时器/计掌握8253的编程及控制应

622设计本必做

数器实验用方法

实现中断电路的连接、中断

78259中断控制器实验22设计本必做

请求、响应、中断编程控制

微程控器的组成与微编制微程序、并写入，观察二个

设计本

程序设计实验微程序的运行选做

8A42

将各基本单元组成系统，构一个

A基本模型机实验设计木

造一台基本模型计算机

设计并实现较为完整的模

B复杂模型机实验设计本

型计算机

流水微程序模型机设在以上基础上，构成具有流

设计本

计实验水功能的模型机

硬布线控制器设计实使用大规模可编程器件完

设计本

验成硬布线控制器的设计

A基于硬布线控制器了解硬布线模型机的工作

设计本

的基本模型机设计实原理及设计方法

8B42

B基于RISC处理器构了解RISC机的工作原理及

设计本

成的模型机设计与实设计方法

流水硬布线控制器设学习掌握流水硬布线控制

设计本

计实验器的设计原理。

合计18

说明:

L标注有“A”、“B”的实验项目表明从“A”、“B”中选作一个即可。

2.实验前反认真阅读实验指导书，编写好预习报告，设计好实验数据、步骤；进实验室后要检查预习报

告，实验后及时整理实验报告，书写实验心得。

实验一算术逻辑运算实验

一、实验目的

1、掌握简单运算器的组成以及数据传送通路。

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1T所示。其中运算器由两片74LS181以并/串形式构成8位字

长的ALU。运算器的两个数据输入端分别由两个锁存器（74LS273）锁存，锁存器的输入连至数据总线，

数据输入开关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。运算器的输出

图1-2中已将实验需要连接的控制信号用箭头标明（其他实验相同，不再说明）。其中除T4为脉冲

信号，其它均为电平控制信号。实验电路中的控制时序信号均已内部连至相应时序信号引出端，进行实

验时，还需将S3、S2、SI、SO、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU_G、SW_G各电平控制信号与开关单元中的

二进制数据开关进行跳线连接，其中ALU_G、SWG为低电平有效，LDDR1、LDDR2为高电平有效。按动微

动开关START,即可获得实验所需的单脉冲。

三、实验步骤及注意事项

1、按图12连接实验线路，仔细检查无误后，接通电源。（图中箭头表示需要接线的地方，接总线

和控制信号时要注意高低位一一对应，可用彩排线的颜色来进行区分）

TAI~~________

信号单元1/I_41-1TY

2、用输入单元的二进制数据开关向寄存器DR1和DR2置数，数据开关的内容可以用与开关对应的

指示灯来观察，灯亮表示开关量为“1”，灯灭表示开关量为“0”。以向DR1中置入11000001（C1H）和

向DR2中置入0000011（4311）为例，具体操作步骤如下：

首先使各个控制电平的初始状态为:CLR=LLDDR1=O,LDDR2=0,ALU_G=1,SWG=l,S3S2SISOM

并将控制台单元的开关SP05打在“NORM”状态，然后按下图诙示步骤进行。

上面方括号中的控制电平变化要按照从上到下的顺序来进行，其中T4的正脉冲是通过按动■■次控制

台单元的触动开关START来产生的。

LDDR1=O-

LDDRl=l

SW_G=0LDDR2=0LDDR2=1

T4=n_T4=-TL

置数完成以后，检验DR1和DR2中存的数是否正确，具体操作为：关闭数据输入三态门（SW_G=1）,

打开ALU输出三态门（ALU_G=O）,使ALU单元的输出结果进入总线。当设置S3、S2、SI,SO、M、CN

的状态为111111时，数据辛元的指示灯显示DR1中的数；而设置成101011时，数据单元的指示灯显示

DR2中的数，然后将指示灯的显示值与输入的数据进行对比。

3、验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能（采用正逻辑）

74LS181的功能见表『1,可以通过改变S3S2SISOMCN的组合来实现不同的功能，表中“A”

和“B”分别表示参与运算的两个数，“+”表示逻辑或，“加”表示算术求和。

表1-174LS181功能表

M=0（算术运算）M=1

S3S2S1so

CN=1无进位CN=0有进位（逻辑运算）

0000F=AF=A加1F二A

00()1F=A+BF=(A+B)力口1F=A+B

0010P=A+BF=(A+H)力口1F=AB

0011F=0减1F=0F二0

0100F=A力口ABF=A加AB加1

0101F=(A+B)力口ABF=(A+B)加A云加1F二B

0110F=A减B减1F二A减5F=A㊉8

0111F=AB减1F=ABF=AB

1000F=4力口ABF=A力口AB力口1F=A+B

1001F=4力0BF=A力08力n1F=A@B

1010F=(A+B)力UA3F=(A+B)加AB加1F=B

1011F=AB减1F=ABF=AB

1100F=A力nAF=A力nA力口1F=1

1101F=(A+B)力口4F=(A+B)力HA力口1F二A+8

1110F=(A+B)力口AF=(A+B)力口4力口1F=A+6

1111F二A减1F=AF=A

通过前面的操作，我们已经向寄存器DR1写入C1H,DR2写入43H,即A=C1H,B=43H。然后改

变运算器的控制电平S3s2SISOMCN的组合，观察运算器的输出，填入表1-2中，并和理论值进行

比较、验证74LS181的功能。

表1-2运算器功能实验表

M=0（算术运算）M=1

DR1DR2S3S2SIso

CN=1无进位CN=O有进位（逻辑运算）

Cl430000F=F=F=

Cl430001F=F=F=

Cl430010F=F=F=

Cl430011F=F=F=

Cl430100F=F=F=

Cl430101F=F=F=

Cl43011()F=F=F=

Cl430111F=F=F=

Cl431000F=F=F=

Cl431001F=F=F=

Cl431010F=F=F=

Cl431011F=F=F=

Cl431100F=F=F=

Cl431101F=F=F=

Cl431110F=F=F=

Cl431111F=F=F=

注：连线时应注意Lrn-J表示两个引脚是导通的，指同一个信号；式可表示两个引脚没有导

通，指两个不同的信号（以后均不再说明）O

四、实验结果

1、根据实验步骤1和2,置数后DATABUS单元的指示灯显示DR1中的数为OC1H,显示DR2中的数

为43IL

2、运算器功能实验表：

M=0（算术运算）M=1

DR1DR2S3S2SIso

CN=1无进位CN=0有进位（逻辑运算）

Cl430000F=C1F=C2F=3E

Cl430001F=C3F=C4F=3C

Cl430010F=FDF=FEF=02

Cl430011F=FFF=0F=0

Cl430100F=41F=42F=BE

Cl430101F=43F=44F=BC

Cl430110F=70F=7EF=82

C1430111F=7FF=80F=80

C1431000F=02F=03F=7F

C1431001F=04F=05F=7D

C1431010F=3EF=3FF=43

C1431011F=40F=41F=41

C1431100F=82F=83F=FF

C1431101F=84F=85F=FD

C1431110F=BEF=BFF=C3

C1431111F=COF=C1F=C1

五、思考题答案

1、运算器的功能是什么？核心部分是什么？

答：运算器的主要功能是完成算术及逻辑运算，它由ALU和若干寄存器组成。ALU负责执行各种数

据运算操作；寄存器用于暂时存放参与运算的数据以及保存运算状态。运算器的核心部分是算术逻辑运

算单元。

六、提问及解答

1、逻辑运算指的是哪几种运算？总结各种逻辑运算的运算规律。

答：有逻辑乘、逻辑非、逻辑加、逻辑与儿种运算，它们的运算都是按位进行的。

七.实验心得

1、掌握了简单运算器的组成以及数据传送通路。

2、验证了运算功能发生器（74LS181）的组合功能。

3,第一次实验

实验二移位运算实验

一、实验目的

验证移位控制的功能

二、实验原理

移位运算实验中使用了一片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元

连接。299_G信号控制其使能端，T4时序为其时钟脉冲，由SISOM控制信号控制其功能状态，列表如

下：

表1-374LS299功能表

299_GS1soM功能

000任意保持

0100循环右移

0101带进位循环右移

0010循环左移

0011带进位循环左移

任意11任意装数

三、实验步骤及注意事项

1、按图上6连接实验线路，仔细检查无误后接通电源。（图中箭头表示需要接线的地方，接总线和

控制信号时要注意高低位一一对应，可用彩排线的颜色来进行区分）

信号单元T4匚X-----------TS4

算术逻辑单元

开关单元

299G□►O299G

S3

S2

S1

SO

W4

CN

输入单元

SWG------------>oSWG

图1-6移位运算实验接线图

2、按照如下步骤用输入单元的二进制数据开关把数据写入74LS299：

首先使各个控制电平的初始状态为：299_G=1,SW_G=1,SISOM=111,CLR=1-0-1,并将控制

台单元的开关$P05打在“NORM”状态，SP06打在“RUN”悻，SP03打在“STEP”状态，SP04打在“RUN”

状态。然后按下图所示步骤进行。

上面方括号中的控制电平变化要按照从上到下的顺序来进行，其中T4的正脉冲是通过按动一次控

制台单元的触动开关START来产生的。

3、参照前面的表格1-3,改变SOSIM299_G的状态，按动触动开关START,观察移位结果。

四、实验结果

参照前面的表格1-3,改变SOS1M299_G的状态，按动触动开关START,观察移位元结果。

表L374LS299菜单

299_GS1soM功能

000任意保持

0100循环右移

0101带进位循环右移

0010循环左移

0011带进位循环左移

任意11任意装数

五、思考题答案

1、本实验用的移位发生器是什么？其菜单是什么？

答：本实验用到的移位发生器是74LS299,其菜单见表1-3。

实验三乘法器设计实验

一、实验目的

1、本实验的内容：通过MAX+plusII软件下载程序到实验箱，观察乘法器输出并与理论值比较。

2、学生通过本实验熟悉CPLD的应用，掌握4位数组乘法器的设计原理。

3、学生应该按实验指导书的要求按时完成实验报告。

二、实验原理

硬件乘法器常规的设计通常使用“串行移位”和“并行加法”相结合的方法，这种方法的优点是所

需的硬件资源少，但是串行方法速度太慢，不能满足科学技术对高速乘法提出的要求。由于在计算机中

乘法运算大约占全部算术运算的1/3,因此采用高速乘法部件十分必要。随着大规模集成电路的发展，

高速的单元阵列乘法器应运而生，出现了各种形式的阵列乘法器，提供了极快的计算速度。使用CPLD

器件来设计4位阵列乘法器。4位乘4位不带符合的阵列乘法器的逻辑原理如下图l-7o

a3a2alaO

Xb3b2blbO

a3b0a2b0albOaObO

a3bla2blalblaObl

a3b2a2b2alb2a0b2

a3b3a2b3alb3a0b3

p7p6p5P4p3p2plp0

图1-7阵列乘法器逻辑图

依据逻辑图用原理图输入法，把四乘四位不带符合的阵列乘法器设计到CPLD单元芯片MAX7128

中。实验用输入单元的高4位作为b3-bO,低4位作为a3-aO,用输出单元的数码管来显示列阵乘法器的

结果。

三、实验步骤及注意事项

1、请参照附录3提示安装学习MAX+PLUSII软件。

2、光盘中提供设计的阵列乘法器文件打开。接通电源，通过MAX+plusH软件，把对应chengfa文

件中的mult.pof文件用下载电缆下教到实验箱中。

3、按图1-8连接实验线路，仔细检查无误后接通电源。（图中箭头表示需要接线的地方，接总线和

控制信号时要注意高低位一一对应，可用彩排线的颜色来进行区分）

4、用输入单元的二进制数据开关把乘数03H与被乘数02H写入寄存器（在CPLD器件）中，然后

把相乘的结果在输出单元显示。具体按照如下步骤,首先使各个控制电平的初始状态为：SW_G=1,CE=1,

WE=1,299_G=1,CLR=1-0-1,并将控制台单元的开关SP05打在“NORM”,开关SP03打在“STEP”,

开关SPO4H在“RUN”状态，然后按照下面框图所示步骤进行操作。下面方括号中的控制电平变化要

按照从上到下的顺序来进行。

注意：按动一下控制台单元大鼠标开关“START"，即可在G_CK得到一个正脉冲“-TL”。

5、观察乘法器输出，并与理论值相比较。

CE=1

WE=1299_G=0

SW_G=1SW_G=1CE=O

29"G=1WE=O

盛

国

璋

翁

寿

就

湘

区

建□

SW_G

懿

弟

爆输入单元

四、实验结果

用输入单元的二进制数据开关把乘数03H与被乘数02H写入寄存器中，在输出单元显示相乘结果

06Ho

五、思考题答案

1、如果在乘法器的运算结果发生溢出，那么在输出单元会出现什么现象？

答：如果在乘法器的运算结果发生溢出，会使得运算结果在移位元过程中发生丢失，将产生错误。

试验心得

1使用了学习了MAX+PLUSII软件。

2通过本实验熟悉了CPLD的应用，掌握4位数组乘法器的设计原理

3做实验是很要用心的是，要细致

实验四存储器实验

一、实验目的

1、掌握静态随机存储器RAM工作特性。

2、掌握静态随机存储器RAM的数据读写方法。

二、实验内容

运用静态随机存储器RAM进行单步读、写和连续写数据。

三、实验仪器

1、ZY15compSysl2BB计算机组成原理及系统结构教学实验箱一台

2、排线若干

四、实验原理

实验所用的半导体静态存储器电路原理如图『9所示，实验中的静态存储器由一片6116（2KX8）

构成，其数据线接至数据总线，地址由地址锁存器（74LS273）给出。地址灯LI01—LI08与地址总线相

连，显示地址内容。输入单元的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。

00______07

图1-9存储器实验原理图

地址总线为8位,接入6116的地址A7—A0,将6116的高三位A8-A10接地，所以其实际容量为

256字节。6116有三个控制线：CE（片选线）、0E（读线）、WE（写线）。本实验中将0E常接地，在此情

况，当CE=0、WE=0时进行写操作，CE=0、WE=1时进行读操作，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相应插针中，其它电平控制信号由开关单元

的二进制开关给出，其中S%G为低电平有效，LDAR为高电平有效。

五、实验步骤

1、形成时钟脉冲信号T3,具体接线方法和操作步骤如下：

（1）将信号源单元中的CLOCK和CK（clock下方），TS3和T3用排线相连。

（2）将信号源单元中的两个二进制开关“SP03”设置为“RUN”状态、“SP04”设置为“RUN”状

态（当“SP03”开关设置为“RUN”状态、“SP04”开关设置为“RUN”状态0寸，每按动一次触动开关START,

则T3的输出为连续的方波信号。当"SP03"开关设置为"STEP"状态、"SP04”开关设置为“RUN”状

态时，每按动一次触动开关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170连接实验线路，仔细检查无误后接通电源。（图中箭头表示需要接线的地方，接总线

潮

里

建

洋

春

嘛

3、给存储器的00、01、02、03、04地址单元中分别写入数据11、22、33、44、55,具体操作步

骤如下：（以向00号单元写入11为例）首先使各个控制电平的初始状态为：SW_G=1,CE=1,WE=1,LDAR=O,

CLR=1-0-1,PC_G=1,并将控制台单元的开关SP05打在“NORM”状态，然后按下图所示步骤进行。

图中方括号中的控制电平变化要按照从上到下的顺序来进行，其中T3的正脉冲是通过按动一次控

制台单元的触动开关START来产生的，而WE的负脉冲则是通过让开关单元的WE开关做l-0f1变化来

产生的。

LDAR=1SW_G=1

SW_G=O

T3=-TLLDAR=O

SW_G=OWE="LT

————4、

依次读出第00、01、02、03、04号单元中的内容，在数据总线单元的指示灯上进行显示，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00号单元读出11数据为例)

-SW_G=1

WE=1

SW_G=0T3=nLDAR=0

SWG=1_L」LCE=O_

其

中AR的值在地址总线单元的指示灯上显示，RAM相应单元的值在数据总线单元的指示灯上显示。

六、实验报告

1、按实验内容进行单步读、写、连续写。着重写明各开关的状态，并按先后顺序写明操作步骤;

2、将存储器的地址和其对应的数据列表记录。

七、实验思考题

1、静态存储器是靠什么存储信息？动态存储器又是靠什么存储信息？

2、静态存储器和动态存储器的优缺点？

实验五扩展8255并行口实验

一、实验目的

1、了解可编程并行接口芯片8255的基本工作原理与工作方式。

2、掌握8255的编程方法，熟悉其各种使用方法。

二、实验原理

1、8255芯片引脚特性及外部连接

(1)8255的引脚分配图如图3-1所示

3叫

[I

PA区

W2骂

巨

M1网

O巴3

PRA-巨

骂

GD叵3

5三3

GAND

叵

A1

巴53

O

四3

PC7

口

PC6?9

PC匹

小?3

5沟

4匹

PCO卫23

西?9

PC药

PC1

匹

PC2蚂

匹3

33

四3

PBO

但3

PB1

PB2巴

2

图3-18255芯片引脚说明

(2)外部连接说明

暨引脚D7—DO连至系统总线

CS引脚接至高位地址MP16、MP17译码出的一位

AO、A1引脚接至地址总线(数据总线)AO、A1

而接至RD,称接至WE

CS.AO、Al、RD,标五个引脚的电平与8255操作关系如表3—1所示:

表3-18255功能表

AlA0RDWRCS操作

读:柒作(输入)

000I0数据总线f通道A

0I0I0数据总线一通道B

I00I0数据总线一通道C

写，操作(输出)

00I00数据总线一通道A

0II00数据总线一通道B

I0I00数据总线一通道C

III00数据总线一捽制字寄存器

断开功能

XXXXI数据总线f三态

II0I0非法条件

XXII0数据总线一三态

2、为本实验设计两条指令

(1)端口读指令

助记符CIND,R0

指令格式

III0RI

D

其中第一字节前四位为操作码，D为端口地址，其功能是将端口地址为D的端口内容写入至寄存器

Ri中。

(2)端口写指令

助记符COUTRi,D

指令格式

IIIIRI

D

其功能是将Ri寄存器中的内容写至以D为端口地址的端口中。

3、两条指令的微程序流程可设计为：

CINCOUT

k，37

PCfARPC-*AR

PC+1PC+1

167471

RAMfBUSRAM-BUS

BUS-ARBUS-*AR

J70J72

[D]-RIRI-*[D]

右+

根据以上的微程序流程图编写微程序,见表3-2o

表3-2新增微指令表

微地址S3sCNRDM17M16ABpuA50°uA016进制代码

3600000001111011011011011101EDB7

3700000001111011011011100101EDB9

6700000000111000000011100000E038

70000000010001000000000001011001

7100000000111000000011101000E03A

72000000110000001000000001030201

三、实验步骤及注意事项

1、本实验的指令系统是在复杂模型机的指令系统基础上，用CIN和COUT两条指令代替RRC和RLC

指令得到的。根据该指令系统，编写一段程序，这里给出一个例子。

地址内容助记符说明

0044INR0；输入单元（10010000）-R0

01F0COUTR0,[03]；R0-*以03H为地址的端口

0203；地址

03E0CIN[00],R0；将端口八的内容读至R0

0400；地址

05F0COUTR0,[01]；将口0的内容写至端UB

0601；地址

0760HALT；停机

在上面的程序中，首先给8255写控制字，将8255设置成工作方式0,即A口输入，B口输出。该

控制字（10010000）由输入单元送给寄存器R0,然后再送给8255（地址端口为03H）。将开关单元中的

二进制开关量作为8255的输入，用扩展板上8255单元的发光二极管来显示8255的输出。

2、按照图3-3连线，检查无误后接通电源。（图中箭头表示需要接线的地方，接总线和控制信号时

要注意高低位一一对应，可用彩排线的颜色来进行区分。本实验中，接线时要特别注意VCC和GND的

方向，不能接反，以免烧坏芯片）

3、联机下载程序和微程序

使用联机软件的文件装载将实验程序和微程序下载到实验箱中，并用软件的读出功能进行检查。本

实验参考程序对应的文件名为“扩展8255接口实验.TXT”（联机软件的使用方法参看附录2）。

4、运行程序

（1）单步运行程序

A、使控制台单元的开关SP05处于“NORM”状态，SP06处于“RUN”状态，信号源单元中的SP03

为“STEP"状态，SP04为“RUN”状态,开关单元的开关SWB、SWA为“11”。

B、拨动开关单元的总清开关CLR微地址清零，程序计数器清零，程序首址为00H。按

动一次控制台单元的PULSE,清除控制寄存器和置三个端口为输入方式，使8255复位。

C、单步运行微指令，每按动一次控制台单元的START触动开关，即单步运行,条微指令。对照3-2

微程序流程图，观察微地址显示灯是否和流程一致。

D、当运行结束后，检查扩展板8255单元的显示灯指示是否与开关单元中的二进制开关S3S2SISO

状态一致。

(2)连续运行程序

A、使控制台单元的开关SP05处于“NORM”状态，SP06处于“RUN”状态，信号源单元中的SPO3

为“RUN”状态，SP04为“RUN”状态，开关单元的开关SWB、SWA为“11”。

B、拨动开关单元的总清开关CLR(130f1),微地址及程序计数器清零，按动一次控制台单元的

PULSE,使8255复位。然后按动控制台单元