计算机组成原理实验指导书

目录

目录....................................................I

实验系统介绍..........................................-1-

第一部分基本单元实验...............................-2-

1.1算术逻辑运算实验................................-2-

一、实验目的...........................................................-2-

二、实验内容...........................................................-2-

三、实验仪器...........................................................-2-

四、实验原理...........................................................-2-

五、实验步骤...........................................................-3-

六、实验报告...........................................................-5-

七、实验思考题.........................................................-5-

1.2进位控制实验....................................-6-

一、实验目的...........................................................-6-

二、实验内容...........................................................-6-

三、实验仪器...........................................................-6-

四、实验原理...........................................................-7-

五、实验步骤...........................................................-7-

六、实验报告...........................................................-9-

七、实验思考题.........................................................-9-

1.3移位运算实验......................................-9-

一、实验目的...........................................................-9-

二、实验内容..........................................................-10-

三、实验仪器..........................................................-10-

四、实验原理..........................................................-10-

五、实验步骤..........................................................-10-

六、实验报告..........................................................-11-

七、实验思考题........................................................-11-

1.4存储器实验.......................................-11-

•、实验目的..........................................................-11-

二、实验内容..........................................................-12-

三、实验仪器..........................................................-12-

四、实验原理..........................................................-12-

五、实验步骤..........................................................-13-

六、实验报告..........................................................-14-

七、实验思考题........................................................-14-

1.5总线控制实验.....................................-15-

一、实验目的..........................................................-15-

二、实验内容..........................................................-15-

三、实验仪器..........................................................-15-

四、实验原理..........................................................-15-

五、实验步骤..........................................................-15-

六、实验报告..........................................................-16-

七、实验思考题........................................................-16-

1.6时序实验.......................................-17-

一、实验目的..........................................................-17-

二、实验内容..........................................................-17-

三、预备知识..........................................................-17-

四、实验仪器..........................................................-17-

五、实验原理..........................................................-17-

六、实验步骤..........................................................-18-

七、实验报告..........................................................-19-

八、实验思考题........................................................-19-

1.7微程序控制器的组成与微程序设计实验...............-20-

一、实验目的..........................................................-20-

二、实验内容..........................................................-20-

三、实验仪器..........................................................-20-

四、实验原理..........................................................-20-

五、实验步骤...........................................................-21-

六、实验报告..........................................................-25-

七、实验思考题........................................................-25-

第二部分综合实验...............................-26-

2.1基本模型机实验..................................-26-

•、实验目的..........................................................-26-

二、实验内容..........................................................-26-

三、实验仪器..........................................................-26-

四、实验原理..........................................................-26-

五、实验步骤..........................................................-30-

六、实验报告..........................................................-33-

七、实验思考题........................................................-33-

2.2移位运算模型机实验..............................-34-

一、实验目的..........................................................-34-

二、实验内容..........................................................-34-

三、实验仪器..........................................................-34-

四、实验原理..........................................................-34-

五、实验步骤..........................................................-35-

六、实验报告..........................................................-39-

七、实验思考题........................................................-39-

2.3复杂模型机实验...................................-40-

一、实验目的..........................................................-40-

二、实验内容..........................................................-40-

三、预备知识.........................................................-40-

四、实验仪器..........................................................-42-

五、实验原理..........................................................-42-

六、实验注意事项......................................................-43-

七、实验步骤..........................................................-43-

八、实验报告..........................................................-48-

九、实验思考题........................................................-48-

附录1实验用芯片介绍................................-49-

附录2联机软件操作说明..............................-57-

附录3模块布局图....................................-62-

附录4参考文献......................................-63-

实验系统介绍

众友计算机组成原理实验系统提供手动、PC联机两种操作方式，灵活方便。它通过RS-232

通讯接口与计算机联机使用。具有基于WIN98、WIN2000等操作系统的联机软件，界面友好,

可完成对程序的编辑、下载、读出和保存，并可实时监控实验系统的运行情况，检测实验连

线的正确性，具有单步微程序、单步程序和连续运行等多种调试界面，生动直观的数据流向

及数据、地址、控制总线的各种信息，动态的追踪模型机的运行轨迹，使学生更易理解计算

机的组成结构和运行方式。百分百展现模型机现场，使其“组成原理”一目了然。采用拨码

开关连接方式，简化了连线也极大的提高了实验的效率和接线成功率，使学生把注意力集中

在硬软件和调试过程中。

本实验系统具有8路软件示波器功能，无需示波器就可观察时序节拍信号的波形，而且

采用了抗短路过流的开关电源(+5V/3.0A,+12V),避免了因连线失误而导致芯片或整机损坏

的情况。

ZY15compl2BC计算机组成原理实验系统，具有实验内容丰富、电路设计新颖、重点突

出、操作灵活、视觉友好、完全符合计算机组成原理教学要求的特点。

第一部分基本单元实验

1.1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、实验内容

运用算术逻辑运算器进行算术运算和逻辑运算。

三、实验仪器

1、ZY15colnpl2BC计算机组成原理教学实验箱一台

2、迭插头对若干

四、实验原理

S3a

sl:

c

DATABtlS

D7——DO

图1-1运算器数据通路图

实验中所用的运算器数据通路如图1-1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（输入）用来给出参与运算的数据。运算器的输出经过

一个三态门（74LS245）和数据总线相连。数据显示灯已和数据总线相连，用来显示数据总线

内容。

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、LDDRkLDDR2、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、SW_G

为低电平有效，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。

五、实验步骤

1、按图1-2连接实验线路，并将信号单元的拨码开关B1的T4信号置为“1”状态，算

术逻辑单元的拨码开关B14的各个信号置为“1”状态，B5、B7必须关闭。仔细检查无误后,

接通电源,(图中箭头表示需要接线的地方)

图1-2算术逻辑运算实验接线图

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”。响DR1中置

入11000001(C1H)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：在开关单元内令拨码开关B11中各信号的置为“1”

状态，并使拨位开关SQ01(CLR)=1-0-1,SQ03(ALU_G)=1,SQ04(SW_G)=l,

SQO9(LDDR1)=O,SQ08(LDDR2)=0,SQ15——SQ10(S3S2S1SOMCN)=111111,将控制台

单元的开关INT_KEY拨至“NORM”状态，SP03拨至“STEP”状态，SP04拨至I」“RUN”

状态，PROGKEY拨到“RUN”状态，然后按下图所示步骤进行。

LDDR1=1"LDDR1-O-

SW_G=OLDDR2=0LDDR2=1

T4=nT4=n

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SP02(START)来产生的。

置数完成以后，检验DRI和DR2中存的数是否正确，具体操作为：

结果显示在数据总线单元，在显示结果后将指示灯显示的值与输入的数据进行比较。

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1-1,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=X

0001F=A+BF=(A+B)力(11F=A+B

0010F=A+BF=(A+~B)力U1F=AB

0011F=0减1F=0F=0

0100F=A力口A豆F=A力口A豆力口1F=AB

0101F=(A+B)力UA豆F=(A+B)力口A豆力口1F=B

0110F=4减B减1F=A减BF=A㊉B

0111F=A后减1F=ABF=AB

1000F=A力口ABF=A力UAB力U1F=A+B

1001F=A加8F=A力口B力「1F=A㊉B

1010F=(A+B)力(1ABF=(A+B)力HAS力口1F=B

1011F=AB减1F=ABF=AB

1100F=A加AF=A力(1A力(11F=1

1101F=(A+B)力口AF=(A+B)力口A力口1F=A+B

1110F=(A+B)力口AF=(A+B)加A力口1F=A+B

1111F=A减1F=AF=A

通过前面的操作，我们」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=0有进位（逻辑运算）

C1430000F=F=F=

C1430001F=F=F=

C1430010F=F=F=

C1430011F=F=F=

C1430100F=F=F=

C1430101F=F=F=

C1430110F=F=F=

C1430111F=F=F=

C1431000F=F=F=

C1431001F=F=F=

C1431010F=F=F=

C1431011F=F=F=

C1431100F=F=F=

C1431101F=F=F=

C1431110F=F=F=

C1431111F=F=F=

六、实验报告

1、在显示结果后将指示灯显示的值与输入的数据进行比较：

2、完成表1-2,比较理论分析值与实验结果值；并对结果进行分析。

七、实验思考题

运算器的功能是什么？核心部分是什么？

1.2进位控制实验

一、实验目的

验证带进位控制的算术运算功能发生器的功能。

二、实验内容

按给定的数据完成几种指定的算术运算。

三、实验仪器

1、ZYl5compl2BC计算机组成原理教学实验箱一台

2、迭插头对若干

四、实验原理

D7DO

图1-3进位控制实验原理图

进位控制运算器的实验原理如图卜3所示，在实验1.1的基础上增加进位控制部分，其

中181的进位进入一个锁存器，T4是脉冲信号，实验时将信号单元B1的T4拨为“1”。AR是

电平控制信号（低电平有效），可用于实现带进位控制实验，而T4脉冲是将本次运算的进位

结果锁存到进位锁存器中。

五、实验步骤

1、按图1-4连接实验线路，并将信号单元的拨码开关B1的T4信号置为“1”状态，算

术逻辑单元拨码开关B14的各个信号置为“1”状态，B5、B7必须关闭，仔细检查无误后，

接通电源。（图中箭头表示需要接线的地方）

ALU_G0卜ALU_G

算术逻辑单元

AR>AR

开关单元

输入单元SW_G匚<SW_G

图1-4进位控制实验接线图

2、进位标志清零。具体操作方法如下：

实验板中开关单元中的SQ01(CLR)开关为微控制器单元的标志位CY、ZI的清零开关，

它为0时是清零状态(开关向上为1,向下为0),所以将此开关做0-1操作，即可使标

志位CY、ZI清零(清零后CY、ZI指示灯亮)。

3、用输入单元的二进制数据开关向DR1存入11000001,向DR2存入01000011。具体操

作步骤如下：

首先使各个控制电平的初始状态为：开关单元内将拨码开关B11中的各个信号置为“1”

状态，令SQ01(CLR)=SQ04(SW_G)=1,分别为SQ09(LDDR1)=0,SQ08

(LDDR2)=0,SQ15——SQ10(S3S2SISOMCN)=11HU,撇控制台单元的开关INTJKEY

携lj“NORM”》炮，PROGKEY拨至『'RUN"席，SP03拨到“STEP”状态，SP04拨到“RUN”

状态。然后按照下图所示步骤进行。

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

LDDR1=RLDDR1=O-

SW_G=OLDDR2=(JLDDR2=1

T4=n」T4=n_

动一次控制台单元的触动开关SP02(START)来产生的。

4、验证带进位运算及进位锁存功能。

进行带进位算术运算：前面的操作已经向DR1、DR2置数，然后在开关单元关闭数据输

入三态门SQ04(SW_G)=l并使SQ08(LDDR2)=0,打开ALU输出三态门SQ03(ALU_G)

=0,使ALU单元的输出结果进入总线，当SQ15——SQI0(S3S2S1S0MCN)的状态为100101

时，数据总线单元指示灯显示的数据为DR1加DR2加当前进位标志得到的结果。这个结果

是否产生进位，则要使SQ05(AR)=0,然后按动触动开关SP02(START),若进位标志灯CY

仍然亮，表示无进位；若进位标志灯CY灭，表示有进位。

在本例中DR1为11000001,DR2为01000011,结果为00000100；当SQ05(AR)=0

时按动SP02(START)鼠标开关CY灭，表示有进位。

六、实验报告

记录实验数据，总结收获。

七、实验思考题

1、74LS181能提高运算速度的原因是什么？

2、在定点二进制运算器中，减法运算一般通过什么方式实现?

1.3移位运算实验

一、实验目的

验证移位控制的功能。

二、实验内容

使用一片74LS299来实现移位控制。

三、实验仪器

1、ZY15compl2BC计算机组成原理教学实验箱一台

2、迭插头对若干

四、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/输出端以拨码开关方

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

五、实验步骤

1、按图1-5连接实验线路，并将信号单元的拨码开关B1的T4信号置为“1”状态，算

术逻辑单元的拨码开关B15各个信号置为“1”状态，B5、B7必须关闭，其他的拨码开关相

应位应置为“0”，仔细检查无误后接通电源。(图中箭头表示需要接线的地方)

算术逻辑单元299.G口>.1299_G

开关单元

输入单元oSWn_w(11~ZHZSW_G

图1-5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：开关单元令SQOI(CLR)=1-0-1,SQ02(299_G)=l,

SQ04(SW_G>LSQ13、SQ12、SQ11(SkSO,M)=111,并将控制台单元的开关INTJCEY

拨至“NORM”状态，PROGKEY拨至lj“RUN”状态，SP03拨到"STEP"状态，SP04拨到

“RUN”状态。然后按下图所示步骤进行。

rso=i1一

SW_G=OSl=lSW_G=1

-——T4二_n_——

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SP02(START)来产生的。

3、按照表格1-3,改变SOSIM299_G的状态，并按动触动开关SP02(即START键)，

观察移位结果。

六、实验报告

对照表1—3,列表记录移位结果。

七、实验思考题

本实验用到的移位发生器的主要功能是什么？

1.4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、ZY15compl2BC计算机组成原理教学实验箱台

2、迭插头对若干

四、实验原理

实验所用的半导体静态存储器电路原理如图1-6所示，实验中的静态存储器山一片

HY6116（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

指示灯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三态门（74LS245）

连至数据总线，分时给出地址和数据。

图L6存储器实验原理图

地址总线为8位，接入HY6116的地址A7—A0,将HY6116的高三位A8—A10接地，

所以其实际容量为256字节。HY6116有三个控制线：CE（片选线）、0E（读线）、WE（写

线）。本实验中将OE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，电平控制信号由开关单元的二进制开关

给出，其中SW_G为低电平有效，LDAR为高电平有效。

五、实验步骤

1、按图1-7连接实验线路，并将信号单元的拨码开关B1的T3置为“1”状态，将控制

台单元中的两个二进制开关SP03拨到“STEP”状态，SP04拨到“RUN”状态，INT_KEY

拨到“NORM”状态，PROGKEY拨至lj“RUN”状态，仔细检查无误后接通电源。(图中箭头

表示需要接线的地方)

图L7存储器实验接线图

2、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：在开关单元令SQ01(CLR)=1-0-1,

SQ04(SW_G)=l,SQ09(CE)=l,SQ08(WE)=l,SQ03(LDAR)=0,然后按卜图所示步骤进行。

LDAR=1

SW_G=OSW_G=1

T3=-TLLDAR=O

CE=O

SW_G=OWE=V

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SP02(START)来产生的，而WE的负脉冲则是通过让开关单

元的SQ08(WE)开关做1一0-*1变化来产生的。

3、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)

CE=1

rSW_G=1

WE=1

SW_G=OT3=nLDAR=O

SW_G=1

LLDAR=1JCE=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？

1.5总线控制实验

一、实验目的

1、理解总线的概念及其特性。

2、掌握总线传输控制特性。

二、实验内容

改变输入寄存器的地址值，在输出单元的数码管上会显示出该地址下的存储器RAM的值。

三、实验仪器

1、ZY15compl2BC计算机组成原理教学实验箱•台

2、迭插头对若干

四、实验原理

总线是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路，是构成计算机系统的骨架。借助总

线连接，计算机在系统各部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作。因此，所谓总线

就是指能为多个功能部件服务的一组公用信息线。

总线传输实验框图如图1-8所示，它将几种不同的设备挂至总线上，有存储器、输入设

备、输出设备、寄存器。这些设备都需要有三态输出控制，按照传输要求恰当有序的控制它

们，就可实现总线信息传输。

数据总线

图1-8总线示意图

五、实验步骤

1、根据挂在总线上的几个基本部件，设计一个简单的流程：

①输入设备将一个数写入地址寄存器。

②输入设备将另一个数写入到存储器的当前地址单元中。

③将存储器当前地址单元中的数用LED数码管显示。

2、按照图1-9接线图连线，并将信号单元的拨码开关B1的T3置为“1”状态，将控

制台单元中的两个二进制开关SP03拨到“STEP”状态，SP04拨至lj“RUN”状态，INT_KEY

拨到“NORM”状态，PROGKEY拨至卜'RUN”状态，仔细检查无误后接通电源。（图中箭头

表示需要接线的地方)

299_G

PC_GEZK

开

关CEEZK

单WE匚M

元

SW_G匚”

LDAR□<

图1-9总线控制实验连线图

3、具体操作步骤图示如下:

首先使各个控制电平的初始状态为：开关单元对应的拨位开关SQ01(CLR)=1-0-1,

SQ04(SW_G)=1,SQ03(LDAR)=0,SQ02(299_G)(LED_G)=1,SQ05(PC_G)(WE)

=1,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LDAR的正脉冲是通

数据开关数据开关

(00000001)11100111

SW_G=0SW_G=1SW_G=0

RAM内容送到

LED

-CE=0-

CE=0CE=1299_G(LED_G)=0

WE=i_rSW_G=1PC_G(WE)=TT

过让开关单元的SQ03(LDAR)开关做0-1-0变化来产生的，而WE和PC_G(WE)的负

脉冲则是通过让开关单元的SQ08(WE)和SQ05(PC_G)开关做1-0-1变化来产生的。

完成上述操作后，在输出单元的数码管上观察结果。(实验结果：本例中数码管显示的结

果为E7。)学生做实验时可以自己改变输给RAM的值。

六、实验报告

改变寄存器的地址值，列表记录存储器的RAM值。

七、实验思考题

1、什么叫总线？总线控制的方式有哪些？

2、画出单总线结构示意图。

1.6时序实验

一、实验目的

1、掌握时序产生器的组成原理和设计思想，提高对基本逻辑部件的分析和设计能力。

2、观察、分析和测量实验箱的控制时序，提高实际动手能力。

3、增加对系统时序的理解，进一步深化理解计算机的工作原理。

二、实验内容

通过联机软件的示波器观察控制时序。

三、预备知识

1、复习有关时序电路的内容。

2、弄清实验电路中各部分之间的关系以及信号之间的逻辑关系。

3、掌握联机软件的使用方法，参见附录2。

四、实验仪器

1、ZY15compl2BC计算机组成原理教学实验箱•台

2、迭插头对若干

3、PC机一台

五、实验原理

实验所用的时序电路原理如图1-10所示，可产生4个相位等间隔的时序信号TS1—TS4,

其中CK为时钟信号，由实验台右上方的方波信号源提供，可产生频率可调的方波信号。实

验者可自行选择方波信号的频率（通过调节电位器RWDo为了便于控制程序的运行，时序

电路发生器设置了一个启停控制触发器。图中STEP（单步）、STOP（停机）分别是来自实验

板控制台单元二进制开关SP03、SP04的状态。START信号来自实验板控制台单元的一个微

动开关START的按键信号。当SP03、SP04开关状态都为RUN时，一旦按下启动键，运行

触发器一直处于"1”状态，即原理图中P17一直为“1”，因此时序信号TS1-TS4将周而复

始地发送出去。当SP03为“1"（STEP）时，一旦接下启动键，机器便处于单步运行状态。

此时只发送一个微指令周期的时序信号就停机。

TS4STOP

TS3STEP1

TS2

TS1

CLR

图1-10时序电路原理图

六、实验步骤

1、首先按照图1T1进行接线，将SP03和SP04开关的状态均拨到“RUN”状态，将信号

单元的拨码开关B1的Tl、T2、T3置为“1”状态，按动SP02(START)触动开关，时序信.

号TSI—TS4将周而复始地发送出去。

2、联机并用联机软件的示波器功能来观察输出波形，这时用联机软件的示波器功能就可

以观察到时序信号，将该信号与图1—12所示波形对比(软件的具体使用方法见附录2中的

软件操作说明)。通过调节RW1可以使输出波形的频率在100Hz到300Hz之间变化，必须重新

采样方可观察到变化的结果，注意：SQ01(CLK)=1-0-1,

信号单元

CKODCKTS1TS2IS5TS4

CZK—1□

IIIIIIIII

nnrw?rmrwdCSKHKrvnmg

信号单元

图1-11时序实验接线图

图1-12时序波形参考图

七、实验报告

1、绘出实验中观察到的波形图；

2、给出CK的频率，说明：CK与TSI、TS2、TS3、TS4之间