《計算機組成原理與系統(tǒng)結構》實驗指導書

1、計算機組成原理與系統(tǒng)結構實驗指導書實驗1 運算器組成實驗實驗序號：1 實驗名稱：運算器組成實驗適用專業(yè)：計算機科學與技術 學 時 數(shù)：4學時一、 實驗目的1、 掌握簡單運算器的數(shù)據(jù)傳送通路。2、 驗證運算功能發(fā)生器（74LS181）的組合功能。二、 實驗原理實驗中所用的運算器數(shù)據(jù)通路如圖1-1所示。其中運算器由兩片74LS181以并/串形式構成8位字長的ALU。運算器經過一個三態(tài)門（74LS245）和數(shù)據(jù)總線相連，運算器的兩個數(shù)據(jù)輸入端分別由二個鎖存器（74LS373）鎖存，鎖存器的輸入連至數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)開關（“INPUT DEVICE”）用來給出參與運算的數(shù)據(jù)，并經過一三態(tài)門（74LS245

2、）和數(shù)據(jù)總線相連，數(shù)據(jù)顯示燈（“BUS UNIT”）已和數(shù)據(jù)總線相連，用來顯示數(shù)據(jù)總線內容。圖11 運算器數(shù)據(jù)通路圖中已將用戶需要連接的控制信號用圓圈標明（其他實驗相同，不再說明），其中除T4為脈沖信號，其他均為電平信號。由于實驗電路中的時序信號均已連至“W/R UNIT”的相應時序信號引出端，因此，在進行實驗時，只需將“W/R UNIT”的T4接至“STATE UNIT”的微動開關KK2的輸出端，按動微動開關，即可獲得實驗所需的單脈沖，而S3、S2、S1、S0、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU-B、SW-B各電平控制信號用“SWITCH UNIT”中的二進制數(shù)據(jù)開關來模擬，其中Cn、

3、ALU-B、SW-B為低電平有效，LDDR1、LDDR2為高電平有效。三、 實驗內容1、 按照圖1-2連接實驗線路，仔細查線無誤后，接通電源。圖12 實驗連接圖2、 用二進制數(shù)碼開關向DR1和DR2寄存器置數(shù)。具體操作步驟圖示如下：數(shù)據(jù)開關(10100111)寄存器DR1(01100101)寄存器DR2(10100111)三態(tài)門數(shù)據(jù)開關(01100101)ALU-B=1SW-B=0LDDR1=0LDDR2=1T4=LDDR1=1LDDR2=0T4=檢驗DR1和DR2中存的數(shù)據(jù)是否正確，具體操作為：關閉數(shù)據(jù)輸入三態(tài)門（SW-B1），打開ALU輸出三態(tài)門（ALU-B0），當置S3、S2、S1、S0

4、、M為11111時，總線指示燈顯示DR1中的數(shù)，而置成10101時總線指示燈顯示DR2中的數(shù)。3、 驗證74LS181的算術運算和邏輯運算功能（采用正邏輯） 在給定DR165、DR2A7的情況下，改變運算器的功能設置，觀察運算器的輸出，填入下表1-1中，并和理論分析進行比較、驗證。表11DR1DR2S3 S2 S1 S0M=0（算術運算）M=1（邏輯運算）Cn=1無進位Cn=0有進位65A70 0 0 0F=(65)F=(66)F=(9A)65A70 0 0 1F=(E7)F=(E8)F=(18)65A70 0 1 0F=(7D)F=(7E)F=(82)0 0 1 1F=( )F=( )F=(

5、 )0 1 0 0F=( )F=( )F=( )0 1 0 1F=( )F=( )F=( )0 1 1 0F=( )F=( )F=( )0 1 1 1F=( )F=( )F=( )1 0 0 0F=( )F=( )F=( )1 0 0 1F=( )F=( )F=( )1 0 1 0F=( )F=( )F=( )1 0 1 1F=( )F=( )F=( )1 1 0 0F=( )F=( )F=( )1 1 0 1F=( )F=( )F=( )1 1 1 0F=( )F=( )F=( )1 1 1 1F=( )F=( )F=( )四、 實驗設備TDN-CM+計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)一臺，排線若干

6、。五、 實驗預習要求1、 復習運算器的基本組成與工作原理。2、 掌握74LS181的工作原理。六、 實驗報告1、 按照表1-1填寫實驗結果2、分析、總結實驗結果實驗2 存儲器實驗實驗序號：2 實驗名稱：存儲器實驗適用專業(yè)：計算機科學與技術 學 時 數(shù)：4學時一、 實驗目的掌握靜態(tài)隨機存儲器RAM工作特性及數(shù)據(jù)的讀寫方法。二、 實驗原理實驗所用的半導體靜態(tài)存儲器電路原理如圖2-1所示，實驗中靜態(tài)存儲器一片6116(2K×8)構成，其數(shù)據(jù)線接至數(shù)據(jù)總線，地址線由地址鎖存器（74LS273）給出。地址燈AD0AD7與地址線相連，顯示地址線內容。數(shù)據(jù)開關經一三態(tài)門（74LS245）連至數(shù)據(jù)總

7、線，分時給出地址和數(shù)據(jù)。圖21 存儲器實驗原理圖因地址寄存器為8位，接入6116的地址A7A0,而高三位A8A10接地，所以其實際容量為256字節(jié)。6116有三個控制線：CE(片選線)、OE（讀線）、WE（寫線）。當片選有效（CE0）時，OE=0時進行讀操作，WE=0時進行寫操作。本實驗中將OE常接地，在此情況下，當CE=0、WE=0時進行讀操作，CE=0、WE=1時進行寫操作，其寫時間與T3脈沖寬度一致。實驗時將T3脈沖接至實驗板上時序電路模塊的TS3相應插孔中，其脈沖寬度可調，其它電平控制信號由“SWITCH UNIT”單元的二進制開關模擬，其中SW-B為低電平有效，LDAR為高電平有效。

8、三、 實驗內容1、 形成時鐘脈沖信號T3，具體接線方法和操作步驟如下：1） 接通電源，用示波器接入方波信號源的輸出插孔H24，調節(jié)電位器W1，使H24端輸出實驗所期望的頻率的方波。2） 將時序電路模塊中的和H23排針相連。圖22 實驗連線圖3） 在時序電路模塊中有兩個二進制開關“STOP”和“STEP”。將“STOP”開關置為“RUN”狀態(tài)、“STEP”開關置為“EXEC”狀態(tài)時，按動微動開關START，則T3輸出為連續(xù)的方波信號，此時調節(jié)電位器W1，用示波器觀察，使T3輸出實驗要求的脈沖信號。當“STOP”開關置為“RUN”狀態(tài)，“STEP”開關置為“STEP”狀態(tài)時，每按動一次微動開關ST

9、ART，則T3輸出一個單脈沖，其脈沖寬度與連續(xù)方式相同。4） 關閉電源。2、 按圖2-2連接實驗線路，仔細查線無誤后接通電源。由于存儲器模塊內部的連線已經接好，因此只需要完成實驗電路的形成、控制信號模擬開關、時鐘脈沖信號T3與存儲模塊的外部連接。3、 給存儲器的00、01、02、03、04地址單元中分別寫入數(shù)據(jù)11、12、13、14、15,具體操作步驟如下：（以向0號單元寫入11為例）依次讀出第00、01、02、03、04號單元中的內容，觀察上述各單元中的內容是否寫前面寫入的一致。具體操作步驟如下：（從0號單元讀出11數(shù)據(jù)為例）四、實驗設備TDN-CM+計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)一臺，排線若干

10、。五、 實驗預習要求1、 復習靜態(tài)隨機存儲器RAM工作特性2、 了解三態(tài)門以及地址鎖存器和6116的工作原理及組成六、實驗報告 要認真記錄存儲器進行讀寫的步驟實驗3 微控制器實驗實驗序號：3 實驗名稱：微控制器實驗適用專業(yè)：計算機科學與技術 學 時 數(shù)：4學時一、 實驗目的1、 掌握時序產生器的組成原理2、 掌握微程序控制器的組成原理3、 掌握微程序的編制、寫入，觀察微程序的運行二、 實驗原理實驗所用的時序電路原理如圖3-1所示，可產生4個等間隔的時序信號TS1TS4，其中為時鐘信號，由實驗臺右上方的方波信號源提供，可產生頻率及脈寬可調的方波信號。為了便于控制程序的運行，時序電路發(fā)生器也設置了

11、一個啟?？刂朴|發(fā)器Cr，使TS1-TS4信號輸出可控。圖中STEP（單步）、STOP（停機）分別是來自實驗板上方中部的兩個二進制開關STEP、STOP模擬信號。START鍵是來自實驗板上方中部的一個微動開關START的按鍵信號。當STEP開關為0時（EXEC），一旦按下啟動鍵，運行觸發(fā)器Cr一直處于“1”狀態(tài)，因此時序信號TS1TS4將周而復始的發(fā)送出去。當STEP為1(STEP)時，一旦按下啟動鍵，機器便處于單步運行狀態(tài)，即此時只發(fā)送一個CPU周期的時序信號的停機。利用單步方式，每次只讀一條微指令，可以觀察微指令的代碼與當前微指令的執(zhí)行結果。另外，當機器連續(xù)運行時，如果STOP開關置“1”（

12、STOP），也會使機器停機。圖31 時序電路原理圖由于時序電路的內部線路已經連好，所以只需將時序電路與方波信號源連接（即將時序電路的時鐘脈沖輸入端接至方波信號發(fā)生器輸出端H23）,時序電路的CLR已接至實驗板左下方的CLR模擬開關上。微程序控制器的組成見圖3-2，其中控制存儲器采用3片2816的E2PROM，具有調電保護功能，微命令寄存器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，他們帶有清“0”端和預置端。在不判別測試的情況下，T2時刻打入微地址寄存器的內容即為下一條微指令地址。在T4時刻進行測試判別時，轉移邏輯

13、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。在該實驗電路中設有一個編程開關（位于實驗板右上方），它具有三種狀態(tài)：PROM（編程）、READ（校驗）、RUN（運行）。當處于“編程狀態(tài)”時，學生可根據(jù)微地址和微指令格式將微指令二進制代碼寫入到控制存儲器2816種。當處于“校驗狀態(tài)”時，可以對寫入控制器的二進制代碼進行校驗，從而可以判斷寫入的二進制代碼是否正確。當處于“運行狀態(tài)”時，只要給出微程序的入口微地址，則可根據(jù)微程序流程圖自動執(zhí)行微程序。圖中微地址寄存器輸出端增加了一組三態(tài)門，目的是隔離觸發(fā)器的輸出，增加抗干擾能力，并用來驅動微地址顯示燈。微指令字長共24位，其

14、控制順序如下：表 31其中UA5-UA0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(1)-P(4)是四個測試字位。其功能是根據(jù)機器指令及其相應微代碼進行譯碼，使微程序轉入相應的微地址入口，從而實現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運行，其原理如圖33所示，圖中I7-I2為指令寄存器圖32 微控器實驗原理圖的72位輸出，SE5-SE1為微控制單元微地址鎖存器的強置端輸出。AR為算術運算是否影響進位及判零標志控制位，其為零有效。B字段中的RS-B、R0-B、RI-B分別為源寄存器選通信號、目的寄存器選通信號及變址寄存器選通信號，其功能是根據(jù)機器指令來進行三個工作寄

15、存器R0、R1及R2的選通譯碼，其原理圖如圖34，圖中I0-I4為指令寄存器的第04位，LDRi為打入寄存器信號的譯碼器使能控制位。圖33圖34三、 實驗內容1、 圖35為幾條機器指令對應的參考微程序流程圖，將全部微程序按微指令格式變成二進制代碼，可得到表32的二進制代碼表。圖35 微程序流程圖2、 按圖36連接實驗線路，仔細檢查無誤后接通電源。圖36 實驗線路圖3、 觀測時序信號用雙蹤示波器（或PC示波器功能）觀察方波信號源的輸出，時序電路中的“STOP”開關置為“RUN”，“STEP”開關置為“EXEC”。按動START按鍵，從方波器上可觀察到TS1、TS2、TS3、TS4各點的波形，比較

16、他們的相互關系，畫出其波形，并標注測量所得的脈沖寬度，見圖37。表32 二進制代碼表4、 觀察微程序控制器的工作原理 編程A. 將編程開關置為PROM狀態(tài)B. 將實驗板上“STATE UNIT”中的“STEP”開關置為“STEP”，“STOP”開關置為“RUN”。C. 用二進制模擬開關置微地址MA5-MA0。D. 在MK24-MK1開關上置微代碼，24位開關對應24位顯示燈，開關量為“0”時燈亮，開關量為“1”時燈滅。E. 啟動時序電路（按動啟動按鈕“START”）即將微代碼寫出到E2PROM 2816的相應地址對應的單元中。F. 重復C-E步驟，將表32的微代碼寫出2816。圖37 校驗A.

17、 將編程開關置為READ（校驗）狀態(tài)B. 將實驗板上的“STEP”開關置為“STEP”，“STOP”開關置為“RUN”。C. 用二進制模擬開關置微地址MA5-MA0。D. 按動啟動按鈕“START”鍵，讀出微代碼，觀察顯示燈MD24-MD1的狀態(tài)（燈亮為0，燈滅為1），檢查讀出的微代碼是否與寫入相同。如不同，則將開關置于PROM編程狀態(tài)，重新執(zhí)行即可。 單步運行A. 將編程開關置為RUN（運行）狀態(tài)。B. 實驗板的“STEP”及“STOP” 開關保持原裝。C. 操作CLR開關，使CLR信號101，微地址寄存器MA5-MA0清零，從而明確本機的運行入口微地址為000000（二進制）。D. 按動啟

18、動按鈕“START”鍵，啟動時序電路，則每按動一次啟動鍵，讀出一條微指令后停機，此時實驗臺上的微地址顯示燈將顯示所讀出的一條指令。 連續(xù)運行A. 將編程開關置為RUN（運行）狀態(tài)。B. 將實驗板上 “STEP”開關置為“EXEC”狀態(tài)。C. 使CLR信號101，此時微地址寄存器清零，從而明確本機的運行入口微地址為000000（二進制）。D. 啟動時序電路，則可連續(xù)讀出微指令。四、 實驗設備TDN-CM+計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)一臺，排線若干。五、 實驗預習準備1預習時序電路工作原理2預習微程序控制器的組成原理六、 實驗報告1記錄微程序執(zhí)行的具體狀態(tài)2分析實驗現(xiàn)象實驗四 總線控制實驗實驗序號：4 實驗名稱：總線控制實驗適用專業(yè)：計算機科