計算機組成原理上機實驗報告

1、 計算機組成原理實驗課程實 驗 報 告 實驗題目 組成原理上機實驗 班 級 1237-小 姓 名 學 號 時 間 2014年5月 成 績 實驗一 基本運算器實驗1. 實驗?zāi)康模?） 了解運算器的組成原理（2） 掌握運算器的工作原理2. 實驗內(nèi)容輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)運算器邏輯功能表1-1進行邏輯、移位、算術(shù)運算,將運算結(jié)果填入表1-2。表 1-1 運算器邏輯功能表運算類型ABS3 S2 S1 S0CN結(jié)果邏輯運算65A70 0 0 0XF=( 65 ) FC=( ) FZ=( )65A70 0 0 1XF=( A7 ) FC=( ) FZ=( )0 0 1 0XF=( ) FC=( ) FZ=( )0

2、 0 1 1XF=( ) FC=( ) FZ=( )0 1 0 0XF=( ) FC=( ) FZ=( )移位運算0 1 0 1XF=( ) FC=( ) FZ=( )0 1 1 00F=( ) FC=( ) FZ=( )1F=( ) FC=( ) FZ=( )0 1 1 10F=( ) FC=( ) FZ=( )1F=( ) FC=( ) FZ=( )算術(shù)運算1 0 0 0XF=( ) FC=( ) FZ=( )1 0 0 1XF=( ) FC=( ) FZ=( ) 1 0 1 0（FC=0）XF=( ) FC=( ) FZ=( ) 1 0 1 0（FC=1）XF=( ) FC=( ) FZ

3、=( )1 0 1 1XF=( ) FC=( ) FZ=( )1 1 0 0XF=( ) FC=( ) FZ=( )1 1 0 1XF=( ) FC=( ) FZ=( )表1-2 運算結(jié)果表3. 實驗原理本實驗的原理如圖1-1所示。運算器內(nèi)部含有三個獨立運算部件，分別為算術(shù)、邏輯和移位運算部件，要處理的數(shù)據(jù)存于暫存器 A 和暫存器 B，三個部件同時接受來自 A 和 B 的數(shù)據(jù)（有些處理器體系結(jié)構(gòu)把移位運算器放于算術(shù)和邏輯運算部件之前，如 ARM），各部件對操作數(shù)進行何種運算由控制信號 S3S0和 CN 來決定，任何時候，多路選擇開關(guān)只選擇三部件中一個部件的結(jié)果作為 ALU 的輸出。如果是影響進

4、位的運算，還將置進位標志 FC，在運算結(jié)果輸出前，置 ALU 零標志。ALU 中所有模塊集成在一片 CPLD 中。圖 1-1 運算器原理圖邏輯運算部件由邏輯門構(gòu)成，較為簡單，而后面又有專門的算術(shù)運算部件設(shè)計實驗，在此對這兩個部件不再贅述。移位運算采用的是桶形移位器，一般采用交叉開關(guān)矩陣來實現(xiàn)，交叉開關(guān)的原理如圖1-2所示。圖1-2中顯示的是一個 4X4 的矩陣（系統(tǒng)中是一個 8X8 的矩陣）。每一個輸入都通過開關(guān)與一個輸出相連，把沿對角線的開關(guān)導(dǎo)通，就可實現(xiàn)移位功能，即：(1)對于邏輯左移或邏輯右移功能，將一條對角線的開關(guān)導(dǎo)通，這將所有的輸入位與所使用的輸出分別相連,而沒有同任何輸入相連的則輸

5、出連接 0。(2)對于循環(huán)右移功能，右移對角線同互補的左移對角線一起激活。例如，在 4 位矩陣中使用右 1和左 3對角線來實現(xiàn)右循環(huán) 1 位。(3)對于未連接的輸出位，移位時使用符號擴展或是 0 填充，具體由相應(yīng)的指令控制。使用另外的邏輯進行移位總量譯碼和符號判別。運算器部件由一片 CPLD 實現(xiàn)。ALU 的輸入和輸出通過三態(tài)門 74LS245 連到 CPU 內(nèi)總線上，另外還有指示燈標明進位標志 FC 和零標志 FZ。請注意：實驗箱上凡絲印標注有馬蹄形標記 ，表示這兩根排針之間是連通的。圖中除 T4 和 CLR，其余信號均來自于 ALU 單元的排線座，實驗箱中所有單元的 T1、T2、T3、T4

6、 都連接至控制總線單元的 T1、T2、T3、T4，CLR 都連接至 CON 單元的 CLR 按鈕。T4 由時序單元的 TS4 提供（時序單元的介紹見附錄二），其余控制信號均由 CON 單元的二進制數(shù)據(jù)開關(guān)模擬給出?？刂菩盘栔谐?T4 為脈沖信號外，其余均為電平信號，其中 ALU_B 為低有效，其余為高有效。暫存器 A 和暫存器 B 的數(shù)據(jù)能在 LED 燈上實時顯示，原理如圖1-3 所示（以 A0 為例，其線路連接圖它相同）。進位標志 FC、零標志 FZ 和數(shù)據(jù)總線 D7D0 的顯示原理也是如此。圖1-3 A0顯示原理圖運算器的邏輯功能表如表1-1 所示，其中 S3 S2 S1 S0 CN 為控

7、制信號，F(xiàn)C 為進位標志，F(xiàn)Z 為運算器零標志，表中功能欄內(nèi)的 FC、FZ 表示當前運算會影響到該標志。4.實驗結(jié)果運算類型ABS3 S2 S1 S0CN結(jié)果邏輯運算65A70 0 0 0XF=( 65 ) FC=( 0 ) FZ=( )65A70 0 0 1XF=( A7 ) FC=( 0 ) FZ=( )0 0 1 0XF=( 26 ) FC=( 0 ) FZ=( )0 0 1 1XF=( E7 ) FC=( 0 ) FZ=( )0 1 0 0XF=( 9A ) FC=( 0 ) FZ=( )移位運算0 1 0 1XF=( CA ) FC=( 1 ) FZ=( )0 1 1 00F=( 3

8、2 ) FC=( 1 ) FZ=( )1F=( B2 ) FC=( 1 ) FZ=( )0 1 1 10F=( CA) FC=( 0 ) FZ=( )1F=(CA ) FC=( 0 ) FZ=( )算術(shù)運算1 0 0 0XF=( 65 ) FC=( 1 ) FZ=( )1 0 0 1XF=( 0C ) FC=( 1 ) FZ=( ) 1 0 1 0（FC=0）XF=( 33 ) FC=( 1 ) FZ=( ) 1 0 1 0（FC=1）XF=( 0D ) FC=( 1 ) FZ=( )1 0 1 1XF=(BE ) FC=( 1 ) FZ=( )1 1 0 0XF=( 64 ) FC=( 0

9、) FZ=( )1 1 0 1XF=( 66 ) FC=( 0 ) FZ=( )5.實驗心得通過本次試驗，了解了運算器的組成原理和工作原理，初步了解這門實驗課的方法和步驟等，這只是一次很簡單的實驗，為的就是為后面幾次相對比較復(fù)雜的實驗打下堅實的基礎(chǔ)，以便于更好的學習。實驗二 靜態(tài)隨機存儲器實驗1. 試驗?zāi)康恼莆侦o態(tài)隨機存儲器RAM工作特性及數(shù)據(jù)的讀寫方法2.實驗內(nèi)容1. 向存儲器中指定的地址單元輸入數(shù)據(jù),地址先輸入AR寄存器，再將數(shù)據(jù)送入總線后，存到指定的存儲單元，觀察數(shù)據(jù)在各部件上的顯示結(jié)果。2. 從存儲器中指定的地址單元讀出數(shù)據(jù), 地址先輸入AR寄存器, 讀出的數(shù)據(jù)送入總線, 觀察數(shù)據(jù)在各

10、部件上的顯示結(jié)果。3.實驗原理實驗所用的靜態(tài)存儲器由一片 6116（2K8bit）構(gòu)成（位于 MEM 單元），如圖 2-1 所示。6116 有三個控制線：CS（片選線）、OE（讀線）、WE（寫線），其功能如表 2-1 所示，當片選有效（CS=0）時，OE=0 時進行讀操作，WE=0 時進行寫操作，本實驗將 CS 常接地。由于存儲器（MEM）最終是要掛接到 CPU 上，所以其還需要一個讀寫控制邏輯，使得 CPU能控制 MEM 的讀寫，實驗中的讀寫控制邏輯如圖 2-2 所示，由于 T3 的參與，可以保證 MEM的寫脈寬與 T3 一致，T3 由時序單元的 TS3 給出（時序單元的介紹見附錄 2）。I

11、OM 用來選擇是對 I/O 還是對 MEM 進行讀寫操作，RD=1 時為讀，WR=1 時為寫。如表2-2所示。表 2-1 SRAM 6116 功能表 圖 2-2 讀寫控制邏輯表 2-2 讀寫邏輯控制表IOMWRRDINOUTMEM110有效101有效010寫001讀實驗原理圖如圖 2-3 所示，存儲器數(shù)據(jù)線接至數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)總線上接有 8 個 LED 燈顯示 D7D0 的內(nèi)容。地址線接至地址總線，地址總線上接有 8 個 LED 燈顯示 A7A0 的內(nèi)容，地址由地址鎖存器（74LS273，位于 PC&AR 單元）給出。數(shù)據(jù)開關(guān)（位于 IN 單元）經(jīng)一個三態(tài)門（74LS245）連至數(shù)據(jù)總線，分時給

12、出地址和數(shù)據(jù)。地址寄存器為 8 位，接入 6116 的地址A7A0，6116 的高三位地址 A10A8 接地，所以其實際容量為 256 字節(jié)。實驗箱中所有單元的時序都連接至時序與操作臺單元，CLR 都連接至 CON 單元的 CLR 按鈕。實驗時 T3 由時序單元給出，其余信號由 CON 單元的二進制開關(guān)模擬給出，其中 IOM 應(yīng)為低（即 MEM 操作），RD、WR 高有效，MR 和 MW 低有效，LDAR 高有效。圖 2-3 存儲器實驗原理圖4.實驗心得 通過本次試驗，了解了靜態(tài)隨機存儲器RAM工作特性及數(shù)據(jù)的讀寫方法，同時知道了組成原理的理論課也很重要，沒有理論課的基礎(chǔ)，實驗時就不知道怎么弄

13、了，只有把理論和實踐結(jié)合起來才能學好這門課。實驗三 系統(tǒng)總線與總線接口1. 實驗?zāi)康模?） 理解總線的概念及其特性（2） 掌握控制總線的功能和應(yīng)用2. 實驗內(nèi)容1、 輸入設(shè)備將一個數(shù)打入 R0 寄存器。2、 輸入設(shè)備將另一個數(shù)打入地址寄存器。3、 將 R0 寄存器中的數(shù)寫入到當前地址的存儲器中。4、將當前地址的存儲器中的數(shù)用 LED 數(shù)碼管顯示。3. 實驗原理實驗接線圖由于存儲器和輸入、輸出設(shè)備最終是要掛接到外部總線上，所以需要外部總線提供數(shù)據(jù)信號、地址信號以及控制信號。在該實驗平臺中，外部總線分為數(shù)據(jù)總線、地址總線、和控制總線，分別為外設(shè)提供上述信號。外部總線和 CPU 內(nèi)總線之間通過三態(tài)門

14、連接，同時實現(xiàn)了內(nèi)外總線的分離和對于數(shù)據(jù)流向的控制。地址總線可以為外部設(shè)備提供地址信號和片選信號。表 3-2 讀寫邏輯控制表IOMWRRDINOUTMEM110有效101有效010寫001讀在理解讀寫控制邏輯的基礎(chǔ)上我們設(shè)計一個總線傳輸?shù)膶嶒灐嶒炈每偩€傳輸實驗框圖如圖 3-3 所示，它將幾種不同的設(shè)備掛至總線上，有存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、寄存器。這些設(shè)備都需要有三態(tài)輸出控制，按照傳輸要求恰當有序的控制它們，就可實現(xiàn)總線信息傳輸。圖 3-3 總線傳輸實驗框圖4. 實驗心得通過本次試驗，我們對總線的概念和其特性及控制總線的功能和應(yīng)用得到更多的了解。學會了自己譯碼，自己譯出控制信號等，感覺這

15、是一門比較有趣的課程，希望這能在以后的學習和工作中帶來一定的益處。實驗四 微程序控制器實驗1. 實驗?zāi)康模?） 掌握微程序控制器的組成原理（2） 掌握微程序的編制、寫入，觀察微程序的運行過程2.實驗內(nèi)容設(shè)計以下機器指令的微程序，如表4-2所示：表4-2 機器指令的微程序助記符機器指令碼說明IN0010 0000IN R0ADD0000 0000R0 + R0R0OUT0011 0000R0OUTHLT0101 0000停機本實驗安排了四條機器指令，分別為 ADD（0000 0000）、IN（0010 0000）、OUT（0011 0000）和 HLT（0101 0000），括號中為各指令的二進

16、制代碼3.實驗原理微程序控制器的基本任務(wù)是完成當前指令的翻譯和執(zhí)行，即將當前指令的功能轉(zhuǎn)換成可以控制的硬件邏輯部件工作的微命令序列，完成數(shù)據(jù)傳送和各種處理操作。它的執(zhí)行方法就是將控制各部件動作的微命令的集合進行編碼，即將微命令的集合仿照機器指令一樣，用數(shù)字代碼的形式表示，這種表示稱為微指令。這樣就可以用一個微指令序列表示一條機器指令，這種微指令序列稱為微程序。微程序存儲在一種專用的存儲器中，稱為控制存儲器,微程序控制器原理框圖如圖 4-1 所示。圖4-1微程序控制器組成原理框圖微程序控制器的組成見圖4-2，其中控制存儲器采用 3 片 2816 的 E2PROM，具有掉電保護功能，微命令寄存器

17、18 位，用兩片 8D 觸發(fā)器（273）和一片 4D（175）觸發(fā)器組成。微地址寄存器 6 位，用三片正沿觸發(fā)的雙 D 觸發(fā)器（74）組成，它們帶有清“0”端和預(yù)置端。在不判別測試的情況下，T2 時刻打入微地址寄存器的內(nèi)容即為下一條微指令地址。當 T4 時刻進行測試判別時，轉(zhuǎn)移邏輯滿足條件后輸出的負脈沖通過強置端將某一觸發(fā)器置為“1”狀態(tài)，完成地址修改。首先將 KK1 撥至停止檔、KK3 撥至編程檔、KK4 撥至控存檔、KK5 撥至置數(shù)檔，由 CON 單元的 SD05SD00 開關(guān)給出需要編輯的控存單元首地址（000000），IN 單元開關(guān)給出該控存單元數(shù)據(jù)的低 8 位（00010001），連

18、續(xù)兩次按動時序與操作臺單元的開關(guān)ST（第一次按動后 MC 單元低 8 位顯示該單元以前存儲的數(shù)據(jù)，第二次按動后顯示當前改動的數(shù)據(jù)），此時 MC 單元的指示燈 MA5MA0 顯示當前地址（000000），M7M0 顯示當前數(shù)據(jù)（00010001）。然后將 KK5 撥至加 1檔，IN 單元開關(guān)給出該控存單元數(shù)據(jù)的中 8 位（00100010），連續(xù)兩次按動開關(guān) ST，完成對該控存單元中 8 位數(shù)據(jù)的修改，此時 MC 單元的指示燈 MA5MA0 顯示當前地址（000000），M15M8 顯示當前數(shù)據(jù)（00100010）；再由 IN 單元開關(guān)給出該控存單元數(shù)據(jù)的高 8 位（00110011），連續(xù)兩次

19、按動開關(guān) ST，完成對該控存單元高 8 位數(shù)據(jù)的修改此時 MC 單元的指示燈 MA5MA0 顯示當前地址（000000），M23M16 顯示當前數(shù)據(jù)（00110011）。此時被編輯的控存單元地址會自動加 1（01H），由 IN 單元開關(guān)依次給出該控存單元數(shù)據(jù)的低 8 位、中 8 位和高 8 位配合每次開關(guān) ST 的兩次按動，即可完成對后續(xù)單元的編輯。編輯完成后需進行校驗，以確保編輯的正確。以校驗 00H 單元為例，對于控制存儲器進行校驗的具體操作步驟如下：首先將 KK1 撥至停止檔、KK3 撥至校驗檔、KK4 撥至控存檔、KK5 撥至置數(shù)檔。由 CON 單元的 SD05SD00 開關(guān)給出需要校

20、驗的控存單元地址（000000），連續(xù)兩次按動開關(guān) ST，MC 單元指示燈 M7M0 顯示該單元低 8 位數(shù)據(jù)（00010001）；KK5 撥至加 1檔，再連續(xù)兩次按動開關(guān) ST，MC 單元指示燈 M15M8 顯示該單元中 8 位數(shù)據(jù)（00100010）；再連續(xù)兩次按動開關(guān) ST，MC 單元指示燈 M23M16 顯示該單元高 8 位數(shù)據(jù)（00110011）。位于實驗平臺 MC 單元左上角一列三個指示燈 MC2、MC1、MC0 用來指示當前操作的微程序字段，分別對應(yīng) M23M16、M15M8、M7M0。實驗平臺提供了比較靈活的手動操作方式，比如在上述操作中在對地址置數(shù)后將開關(guān) KK4 撥至減 1

21、檔，則每次隨著開關(guān) ST 的兩次撥動操作，字節(jié)數(shù)依次從高 8 位到低 8 位遞減，減至低 8 位后，再按動兩次開關(guān)ST，微地址會自動減一，繼續(xù)對下一個單元的操作。表 4-1 微指令格式其中 MA5MA0 為 6 位的后續(xù)微地址，A、B、C 為三個譯碼字段，分別由三個控制位譯碼出多位。C 字段中的 P為測試字位。其功能是根據(jù)機器指令及相應(yīng)微代碼進行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，從而實現(xiàn)完成對指令的識別，并實現(xiàn)微程序的分支，本系統(tǒng)上的指令譯碼原理如圖 4-3 所示，圖中 I7I2 為指令寄存器的第 72 位輸出，SE5SE0 為微控器單元微地址鎖存器的強置端輸出，指令譯碼邏輯在 IR 單元的

22、 INS_DEC（GAL20V8）中實現(xiàn)。從圖 4-2 中也可以看出，微控器產(chǎn)生的控制信號比表 4-1 中的要多，這是因為實驗的不同，所需的控制信號也不一樣，本實驗只用了部分的控制信號。本實驗除了用到指令寄存器（IR）和通用寄存器 R0 外，還要用到 IN 和 OUT 單元，從微控器出來的信號中只有 IOM、WR 和 RD 三個信號，所以對這兩個單元的讀寫信號還應(yīng)先經(jīng)過譯碼，其譯碼原理如圖 4-4 所示。IR 單元的原理圖如圖 4-5 所示，R0 單元原理如圖 4-7 所示，IN 單元的原理圖見圖 4-3 所示，OUT 單元的原理圖見圖 4-6 所示。圖 4-3 指令譯碼原理圖 圖 4-4 讀

23、寫控制邏輯 圖4-5 IR單元原理圖 實驗中機器指令由 CON 單元的二進制開關(guān)手動給出，其余單元的控制信號均由微程序控制器自動產(chǎn)生，為此可以設(shè)計出相應(yīng)的數(shù)據(jù)通路圖，見圖 4-8 所示。圖 4-8 數(shù)據(jù)通路圖4.實驗心得通過本次試驗，我學習到了微程序控制器的組成原理及其編制、寫入。每一條控制代碼，都是由幾個控制代碼組合而成，這用到了前面幾次實驗的知識，也讓我掌握了自己編寫控制代碼的能力，感覺這次實驗中收獲良多，相信對最后一次實驗會有很大的幫助。實驗五 簡單模型機設(shè)計實驗1. 實驗?zāi)康模?） 掌握一個簡單CPU的組成原理（2） 在掌握部件單元電路的基礎(chǔ)上，進一步將其構(gòu)造成一臺基本模型計算機（3）

24、 為其定義五條機器指令，編寫相應(yīng)的微程序，并上機調(diào)試掌握整機概念2.實驗內(nèi)容用所設(shè)計的5條機器指令編寫一匯編語言程序，運行該程序并觀察程序運行的結(jié)果。要求該程序必須包含IN、ADD、OUT、JMP、HLT指令并且程序的長度在6條指令以上。設(shè)計一段機器程序，要求從 IN 單元讀入一個數(shù)據(jù)，存于 R0，將 R0 和自身相加，結(jié)果存于R0，再將 R0 的值送 OUT 單元顯示。3.實驗原理簡單模型機微程序流程圖本實驗要實現(xiàn)一個簡單的 CPU，并且在此 CPU 的基礎(chǔ)上，繼續(xù)構(gòu)建一個簡單的模型計算機。CPU 由運算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0），指令寄存器（IR）、程序計數(shù)器（PC）和地址寄存器（AR）組成,如圖 5-1-1 所示。這個 CPU 在寫入相應(yīng)的微指令后，就具備