计算机组成原理实验指导书

目录

第一章性能特点.................................................................3

1.1系统功能及特点.........................................................3

1.2实验系统组成...........................................................3

第二章实验项目................................................................4

2.1算术逻辑运算单元实验...................................................4

实验一不带进位位逻辑或运算实验...........................................6

实验二不带进位位加法运算实验.............................................7

2.2通用寄存器单元实验.....................................................8

实验一数据输入通用寄存器.................................................10

实验二寄存器内容无进位位左移实验........................................10

实验三寄存器内容无进位位右移实验........................................11

2.3进位控制、通用寄存器判零实验..........................................11

实验一算术逻辑单元带进位位的加法运算实验................................13

实验二带进位移位实验.....................................................14

2.4存储器和总线实验......................................................15

实验一存储器的写操作.....................................................17

实验二读存储器的数据到总线上............................................18

2.5堆栈寄存器实验.........................................................18

实验一时4个寄存器进行写入操作..........................................19

实验二对4个寄存器进行读出操作.........................................20

2.6微程序控制单元实验....................................................21

实验一微地址打入操作.....................................................23

实验二微地址+1操作......................................................23

2.7指令部件模块实验......................................................24

实验一PC计数器置数......................................................27

实验二PC计数器加1............................................................................................................27

实验三置当前指令寄存器...................................................27

2.8时序与启停实验........................................................27

2.9模型机的总体设计......................................................30

第三章综合实验的调试.........................................................38

3.1实验目的..............................................................38

3.2实验连线..............................................................38

3.3指令系统..............................................................39

3.4微指令表..............................................................41

3.5程序调试..............................................................44

实验一实现普通的加、减法指令...........................................44

实验二带进位运算的模型机...............................................46

第四章驻机键盘和液晶显示器的使用方式........................................52

4.1键盘定义..............................................................52

4.2操作方法..............................................................52

第五章HKCPT软件简介和安装.................................................55

5.1HKCPT性能特点......................................................55

5.2软件安装和卸载.......................................................55

5.3HKCPT软件界面介绍.................................................56

5.4菜单介绍..............................................................56

5.5HKCPT实验仪操作指南...............................................61

附录1HKCPT微指令序列表...............................................63

附录2HKCPT软件热键表..................................................64

附录3HKCPT常用集成电路引出端功能图...................................65

附录4基于CPLD的算术逻辑运算单元的设计（扩充选配类）..................70

注意事项：

在做单元模块实验前,务必先将左侧板总线上短8芯扁平电缆及右侧板上连线板全部拔

离实验平台。做实验时，根据实验说明连接相关总线。可通过PC机软件（HKCPT）中的查

看一刷新菜单来观察各寄存器当前值。

第一章性能特点

1.1系统功能及特点

1.1.1提供各个基本功能模块

我们在比较了国内的多家实验平台厂商的产品后，发现多数产品不是连线过于繁琐，就

是由CPLD来替代所有的硬件。市场需要一种连线不多，但具有灵活性的实验系统，不同设计

方案，不同的连线方法，可以得到不同的结果。

我们所提供的实验平台本身就是一个可运行的系统。整个系统采用功能模块化的设计思

路，实验者可单独设计和调试各个功能模块，最终实现一个新的系统，这样可大大减轻实验

指导教师的工作量。

整个实验平台提供了运算器模块、指令部件模块、堆栈寄存器模块、存储器模块、总线

传输模块、微程序模块、启停和时序模块，以及用于调试和观察数据的监控模块。

1.1.2组成结构

整个系统采用总线结构，总线结构具有扩展能力强，结构简单清晰，连线方便快捷等特

点。本实验平台的总线分为：内部、外部地址总线，内部、外部数据总线。整个系统的各个

总线都布有测试孔，以便于测试。各模块的电源、地、地址数据总线已经按照标准连接完毕，

控制信号都按各功能模块的布局引出，实验者可方便的定位各测试点。

1.1.3监控模块

监控模块为实验调试和程序设计带来了相当的便利。实验者可以通过监控模块来修改微

程序和内存中的程序。为了实验的连贯性，系统中还提供了FLASHMEMORY来保存微程序和

程序，掉电时内容不会丢失，实验者可随时保存和读取微程序与程序。为了使实验者随时观

察数据和地址，实验平台提供了一块2*16的液晶屏，可同时显示当前地址、当前总线上的

数据和当前的微指令和一些关键寄存器的值。

1.1.4操作方式：

单机方式：整个系统可单独使用，可通过24个按键和液晶来编辑内存和微程序存储器

中的数据，在系统运行时可监控所有关键数据。实验者使用拨动开关来产生二进制码进行微

程序和程序的编写。

联机方式：系统可与PC机相连，PC机上提供了windows界面的操作软件，实验者可在

PC机上进行编辑、加载、动态调试等操作。

1.2实验系统组成

本实验平台由两部分组成,左边为实验模块部分，主要分布着各个实验单元和监控单元。

实验平台的右边为数据输出板，板上分布着24个二进制开关、若干个LED发光二极管、

DIP插座，还有1块用于显示当前状况的液晶板。

第二章实验项目

2.1算术逻辑运算单元实验

2.1.1实验目的

1、掌握简单运算器的数据传输方式

2、掌握74LS181的功能和应用

2.1.2实验要求

完成不带进位位算术、逻辑运算实验。按照实验步骤完成实验项目，了解算术逻辑运算

单元的运行过程。

2.1.3实验说明

2.1.3.1ALU单元实验构成（如图2-1-1）

1、运算器由2片74LS181构成8位字长的ALU单元。

2、2片74LS374作为2个数据锁存器（DR1、DR2）,8芯插座ALU-IN作为数据输入

端，可通过短8芯扁平电缆，把数据输入端连接到数据总线上。

运算器的数据输出由一片74LS244（输出缓冲器）来控制，8芯插座ALU-OUT作为数据输

出端，可通过短8芯扁平电缆把数据输出端连接到数据总线上。

H3

ALU-0CN口

so口

口

口

眄）算术逻辑单元S3S2srlZD匚

□□l-

ALU-IN054

B2

±

KT

02口c

图2-1-1

D$3

\DALO2.M

AD

D595ALi23；

AlF1

I2DBW5AL221；BO

F稳2

DOm5Al3，9;B1

.QO5DBL17B2

.6DBL”B3

.D2QI

D39DBLVkDBLO1CKM

.Q2f

.D4512DBHQ/<DBL122,

D5S0

2315DBHl/<DBI；220；

IDO0S1

,D7-loDBUy《DBL318;S2

OFQ519DBig/S3

CL

D49AQ6CC7B

0+4邛

XL9-A

D2CKOD2CK1JEMgG

ITKSO6p

XL10

EDR2OEDR22SI5

D74LS374

74LS32S33

XC1974LS181

AJO12A4I

A-12aI413

A445oA-I5

A-I6弓8A-l"D60

aQ2DAW

A103,

ATO-INQ1

4I5DA”D64A-QO1AQ1

AT27Q26DAWKDAHO2AQ23A63

.AO

A138.Q3“DAL"7MHi233A-045T05

DOA1

A-U13.mQ412DAHQ/A2A6-A<T

.

A-I5II2Q515DAH1/DAH319A3

、.D20、、

Bo琪

A。门.D3Q316DAH2/AURXJT

D4Qa

"1819DA"KDBHO1rB2

D57)BH122；

D49BB3

D6-

ID7<DBH220CNM

6GND|

DICK>OEK<DBH318

CLS0

EDR1群1也S1

力S2

74LS3747

S3更CN+J

74LS32M8Ti

SO6E

515

S24算术逻辑单元

S33

xiX>^一

74LS181

S03

xuQ"里一

si

xuoQ-^_

S2a

S3

2.1.3.2ALU单元的工作原理（如图2-1-2）

数据输入锁存器DR1的EDR1为低电平，并且DICK有上升沿时，把来自数据总线的

数据打入锁存器DR1。同样使EDR2为低电平、D2CK有上升沿时把数据总线上的数据打入

数据锁存器DR2。

算术逻辑运算单元的核心是由2片74LS181组成，它可以进行2个8位二进制数的算

术逻辑运算，74LS181的各种工作方式可通过设置其控制信号来实现（SO,SI、S2、S3、M、

CN）。当实验者正确设置了74LS181的各个控制信号，74LS181会运算数据锁存器DR1、

DR2内的数据。由于DR1、DR2已经把数据锁存，只要74LS181的控制信号不变，那么

74LS181的输出数据也不会发生改变。

输出缓冲器采用74LS244,当控制信号ALU-0为低电平时，74LS244导通，把74LS181

的运算结果输出到数据总线；当ALU-0为高电平时，74LS244的输出为高阻。

2.1.3.3控制信号说明

信号名称作用有效电平

EDR1选通DR1寄存器低电平有效

EDR2选通DR2寄存器低电平有效

DICKDR1寄存器工作脉冲上升沿有效

D2CKDR2寄存器工作脉冲上升沿有效

SO〜S374LS181工作方式选择见附表

M选择逻辑或算术运算高电平为逻辑运算，低电平为算术运算

CN有无进位输入高电平有效

CCK进位寄存器的工作脉冲上升沿有效

ALU-074LS181计算结果输出至总线低电平有效

2.1.4实验步骤

实验一：不带进位位逻辑或运算实验

把ALU-IN（8芯的盒型插座）与右板上的二进制开关单元中J01插座相连（对应二进制

开关H16-H23）,把ALU-OUT（8芯的盒型插座）与数据总线上的DJ2相连。

把DICK和D2CK用连线连到脉冲单元的PLS1上，把EDR1、EDR2、ALU-O、SO、

SI、S2、S3、CN、M接入二进制开关（请按下表接线）。

控制信号接入开关位号

DICKPLS1孔

D2CKPLS1孔

EDR1H8孔

EDR2H7孔

ALU-OH6孔

CNH5孔

MH4孔

S3H3孔

S2H2孔

S1H1孔

SOH0孔

•按启停单元中的运行按钮，使实验平台处于运行状态。

•二进帝开关H16-H23作为数据输入，置33H（对应开关如F表）。

H23H22H21H20H19H18H17H16数据总线值

D7D6D5D4D3D2D1DO8位数据

0011001133H

置各控制信号如下:

H8H7H6H5H4H3H2H1H0

EDR1EDR2ALU-OCNMS3S2S1SO

010111110

•按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在DICK上产生一个上升沿，把33H打入DR1数

据锁存器，通过逻辑笔或示波器来测量确定DR1寄存器（74LS374）的输出端，检验数据

是否进入DR1中。

•二进制开关H16-H23作为数据输入，置55H（对应开关如下表）。

H23H22H21H20H19H18H17H16数据总线值

D7D6D5D4D3D2D1DO8位数据

0101010155H

置各控制信号如下:

H8H7H6H5H4H3H2H1H0

EDR1EDR2ALU-0CNMS3S2S1SO

100111110

•按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在D2CK上产生•个上升沿的脉冲，把55H打入

DR2数据锁存器。

•经过74LS181的计算，把运算结果r=人或8）输出到数据总线上，数据总线上的

LED显示灯1DB0〜IDB7应该显示为77H。

实验二：不带进位位加法运算实验

•二进制开关H16〜H23作为数据输入，置33H（对应开关如下表）。

H23H22H21H20H19H18H17H16数据总线值

D7D6D5D4D3D2D1DO8位数据

0011001133H

置各控制信号如卜.:

H8H7H6H5H4H3H2H1H0

EDR1EDR2ALU-0CNMS3S2S1SO

010101001

•按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在DICK上产生一个上升沿，把33H打入DR1数

据锁存器，通过逻辑笔或示波器来测量确定DR1寄存器（74LS374）的输出端，检验数据

是否进入DR1中。

•二进制开关H16〜H23作为数据输入，置55H（对应开关如下表）。

H23H22H21H20H19H18H17H16数据总线值

D7D6D5D4D3D2D1DO8位数据

0101010155H

置各控制信号如K：

H8H7H6H5H4H3H2H1H0

EDR1EDR2ALU-0CNMS3S2S1SO

100101001

•按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在D2CK上产生一个上升沿，把55H打入DR2数

据锁存器。

・经过74LS181的计算，把运算结果（F=A加B）输出到数据总线上，数据总线上的LED

显示灯IDB0-IDB7应该显示为88H。

2.1.5实验思考

验证74LS181的算术运算和逻辑运算，在保持DR1=65H、DR2=A7H时，改变运算器

的功能设置，观察运算器的输出，填写以下表格来进行分析和比较。

M=0（算术运算）M=1

DR1DR2S3S2S1so

CN=1CN=0逻辑运算

65A70000F=F=F=

65A70001F=F=F=

65A70010F=F=F=

65A70011F=F=F=

65A70100F=F=F=

65A70101F=F=F=

65A70110F=F=F=

65A70111F=F=F=

65A71000F=F=F=

65A71001F=F=F=

65A71010F=F二F=

65A71011F=F=F=

65A71100F=1-I-

65A71101F=F-F=

65A71110F二F二F=

65A71111F=F=F=

附74LS181的逻辑

方式M=1逻辑运算M=0算术运算

S3S2S1SO逻辑运算CN=1（无进位）CN=0（有进位）

0000F=/AF=AF=A加1

0001F=/(A+B)F=A+BF=(A+B)力口1

0010F=/ABF=A+/BF=(A+/B)加1

0011F=0F=减1（2的补）F=0

0100F=/(AB)F=A加A/BF=A加A/Bill1

0101F=/BF=(A+B)力口A/BF=(A+B)加A/B加1

0110F=A㊉BF=A减B减1F=A减B

0111F=A/BF=A/B减1F=A/B

1000F=/A+BF=A力口ABF=A加AB加1

1001F=/(A®B)F=A力UBF=A力|JB力II1

1010F=BF=(A+/B)加ABF=(A+/B)力IIAB力II1

1011F=ABF=AB减1F=AB

1100F=1F=A力IIAF=A加A加1

1101F=A+/BF=(A+B)加AF=(A+B)力口A加1

1110F=A+BF=(A+/B)加AF=(A+/B)加A加1

miF=AF=A减1FA

2.2通用寄存器单元实验

2.2.1实验目的

了解通用寄存器的组成和硬件电路，利用通用寄存器实

起卜

现数据的置数、左移、右移等功能。

mcx

M□

2.2.2实验要求

■"R-OUT

m按照实验步骤完成实验项目，实现通用寄存器移位操

作。了解通用寄存器单元的工作原理运用。

~~Rfi-IN2.2.3实验说明

2.2.3.1寄存器实验构成：（如左图）

.«1、通用寄存器由2片GAL16V8构成8位字长的寄存器

I—I□

Rft-OUT单元。8芯插座RA-IN作为数据输入端，可通过短8芯扁平

电缆，把数据输入端连接到数据总线上。

2、数据输出由一片74LS244（输出缓冲器）来控制。用8芯插座RA-OUT作为数据输

出端，可通过短8芯扁平电缆，把数据输出端连接到数据总线。

3、判零和进位电路由1片GAL、1片7474和一些常规芯片组成，用2个LED（ZD、

CY）发光管分别显示其状态。其中ZD为判零位显示灯,CY为进位位显示灯。

2.2.3.2通用寄存器单元的工作原理：（图2-2-2）

通用寄存器单元的核心部件为2片GALI6V8,它具有锁存、左移、右移、保存等功能。

各个功能都由XI、X2信号和工作脉冲RACK来决定。当置ERA=0、X0=l、Xl=l,RACK

有上升沿时，把总线上的数据打入通用寄存器。可通过设置X0、XI来指定通用寄存器工作

方式，通用寄存器的输出端Q0〜Q7接入判零电路。LED（ZD）亮时，表示当前通用寄存器

内数据为0。

输出缓冲器采用74LS244,当控制信号RA-0为低时，74LS244开通，把通用寄存器内

容输出到总线；当RA-0为高时，74LS244的输出为高阻。

GAL方程如下：

Clk,OEpin1,11;

A,B,C,Dpin3,4,5,6;

QA,QB,QC,QDpin18,17,14,13

SO,SI,SIL,SIRpin8,9,2,7;

Q=[QD,QC,QB,QA];

I=[D,C,B,A]；

SL=[QC,QB,QA,SIL];

SR=[SIR,QD,QC,QB];

equations

Q:=S0&S1&I

#SO&!S1&SR

#!S0&S1&SL

#!SO&!S1&Q;

iNOCLK0

IN)0

IN2

0IFRA4»

IN3

0"KA")1

IN4

0IJRAQ2

IN5

0I?RA")3

IN60

IN70

D25BQRA-()4

IN8_