計算機組成原理實驗指導(1)

1、計算機組成原理實驗指導實驗一運算器部件實驗一、實驗目的 掌握簡單運算器的數(shù)據(jù)傳輸方式。 驗證運算功能發(fā)生器(74LS181)及進位控制的組合功能。二、實驗要求完成不帶進位及帶進位算術運算實驗、邏輯運算實驗，了解算術邏輯運算單元的運用。三、實驗原理實驗中所用的運算器數(shù)據(jù)通路如圖7-1-1所示。其中運算器由兩片74LS181以并/串形式構(gòu)成8位字長的ALU。運算器的輸出經(jīng)過一個三態(tài)門(74LS245)以8芯扁平線方式和數(shù)據(jù)總線相連，運算器的2個數(shù)據(jù)輸入端分別由二個鎖存器(74LS273)鎖存，鎖存器的輸入亦以8芯扁平線方式與數(shù)據(jù)總線相連，數(shù)據(jù)開關(INPUT DEVICE)用來給出參與運算的數(shù)據(jù)，

2、經(jīng)一三態(tài)門(74LS245)以8芯扁平線方式和數(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(nèi)容。圖7-1-1運算器電原理圖圖7-1-1中T2、T4為時序電路產(chǎn)生的節(jié)拍脈沖信號，通過連接時序啟停單元時鐘信號“”來獲得，剩余均為電平控制信號。進行實驗時，首先按動位于本實驗裝置右中側(cè)的復位按鈕使系統(tǒng)進入初始待令狀態(tài)，在LED顯示器閃動位出現(xiàn)“P.”的狀態(tài)下，按【增址】命令鍵使LED顯示器自左向右第4位切換到提示符“L”，表示本裝置已進入手動單元實驗狀態(tài)，在該狀態(tài)下按動【單步】命令鍵，即可獲得實驗所需的單脈沖信號，而LDDR1、LDDR2、ALU-B、SW-B、S3、

3、S2、S1、S0、CN、M各電平控制信號用位于LED顯示器上方的26位二進制開關來模擬，均為高電平有效。四、實驗連線 圖7-1-2實驗連線示意圖按圖7-1-2所示，連接實驗電路： 總線接口連接：用8芯扁平線連接圖7-1-2中所有標明“”或“”圖案的總線接口。 控制線與時鐘信號“”連接：用雙頭實驗導線連接圖7-1-2中所有標明“”或“”圖案的插孔（注：Dais-CMH的時鐘信號已作內(nèi)部連接）。五、實驗系統(tǒng)工作狀態(tài)設定在閃動的“P.”狀態(tài)下按動【增址】命令鍵，使LED顯示器自左向右第4位顯示提示符“L”，表示本裝置已進入手動單元實驗狀態(tài)。在“L”狀態(tài)下，如圖7-1-3所示系統(tǒng)用位于實驗系統(tǒng)“ 二進

4、制開關單元”的26只撥動開關來模擬與微控制器相對應的控制信號。用手動加載正邏輯控制電平（即高電平信號“H”）和按【單步】命令鍵產(chǎn)生的單周期4拍時序信號T1、T2、T3、T4的方法來實現(xiàn)和完成各單元實驗所需的控制信號操作。圖7-1-3二進制開關模擬控制原理圖六、手動實驗提示（一）初始化操作一旦進入“L”狀態(tài)，首先應把“ 二進制開關單元”的26只模擬開關撥至下方（即低電平信號“L”），使26只微控制狀態(tài)指示燈處“暗”，然后按【單步】命令鍵關閉全部控制信號鎖存輸出位，用手動方法完成微控制器的初始清零操作。在“L”狀態(tài)下直接按【復位】按鈕亦可完成微控制器的初始清零操作。（二）控制信號的打入方法 有效狀

5、態(tài)的特征：本系統(tǒng)提供的是“正邏輯”控制電路，通常情況下把高電平“H”定義為有效狀態(tài)，以點亮發(fā)光二極管為標志。 有效狀態(tài)的建立：結(jié)合實驗項目，按實驗要求把相關的二進制開關撥向上方，點亮對應的發(fā)光二極管。 有效狀態(tài)的控制：在建立有效狀態(tài)的基礎上，按【單步】命令鍵單次啟動時序節(jié)拍信號T1、T2、T3、T4，模型機按時序要求在相關時刻發(fā)出控制信號，以手動方式實現(xiàn)相關單元實驗。（三）總線輸入/輸出約定 輸入約定對于計算機各部件的數(shù)據(jù)輸出必須通過數(shù)據(jù)總線來完成，為了避免總線沖突與競爭，模型機規(guī)定在同一機器周期內(nèi)只能允許一個部件的數(shù)據(jù)占用總線。結(jié)合手動控制列舉如下約定： 數(shù)據(jù)開關送總線：令SW-B=1，CB

6、A=000，CE=0 存儲器內(nèi)容送總線：令CE=1，SW-B=0，CBA=000 其它部件送總線：令CBA=001111，SW-B=0，CE=0 輸出共享對于計算機各部件的數(shù)據(jù)輸入可共享總線內(nèi)容，即在同一機器周期內(nèi)允許把當前數(shù)據(jù)同時送2個以上部件單元，結(jié)合手動控制舉例如下：例：把數(shù)據(jù)開關的內(nèi)容送通用寄存器R0、運算寄存器DR1、地址寄存器AR、指令寄存器IR，令SW-B=1，LDR0=1，LDDR1=1，LDAR=1，LDIR=1，然后按【單步】命令鍵即可實現(xiàn)總線數(shù)據(jù)共享。七、實驗內(nèi)容（一）算術運算實驗 寫操作（置數(shù)操作）撥動二進制數(shù)據(jù)開關向DR1和DR2寄存器置數(shù)，具體操作步驟如下： 注：【

7、單步】鍵的功能是啟動時序電路產(chǎn)生T1T4四拍單周期脈沖 圖7-1-4寄存器置數(shù)操作步驟 讀操作（運算寄存器內(nèi)容送總線）首先關閉數(shù)據(jù)輸入三態(tài)控制端(SW-B=0)，存儲器控制端CE保持為0，令LDDR1=0、LDDR2=0，然后打開ALU輸出三態(tài)門(CBA=010)，置M、S0、S1、S2、S3為11111，再按【單步】鍵，數(shù)據(jù)總線單元顯示DR1的內(nèi)容，若把M、S0、S1、S2、S3置為10101，再按【單步】鍵，數(shù)據(jù)總線單元顯示DR2的內(nèi)容。 算術運算（不帶進位加）置CBA=010，CN、M、S0、S1、S2、S3狀態(tài)為101001，按【單步】鍵，此時數(shù)據(jù)總線單元應顯示00001100（0CH

8、）。 （二）進位控制實驗進位控制運算器的實驗原理如實驗四圖2-4-1所示，其中181的進位位進入74LS74鎖存器D端，該端的狀態(tài)鎖存受AR和T4信號控制，其中AR為進位位允許信號，高電平有效；T4為時序脈沖信號，當AR=1時在T4節(jié)拍將本次運算的進位結(jié)果鎖存到進位鎖存器中，實現(xiàn)帶進位控制實驗。 進位位清零操作在“L”狀態(tài)下，按動【復位】按鈕，進位標志燈CY“滅”，實現(xiàn)對進位位的清零操作。（當進位標志燈“亮”時，表示CY=1）。 用二進制數(shù)據(jù)開關向DR1和DR2寄存器置數(shù)首先關閉ALU輸出三態(tài)門(CBA=000)、CE=0，開啟輸入三態(tài)門(SW-B=1)，設置數(shù)據(jù)開關，向DR1存入010101

9、01(55H)，向DR2存入10101010(AAH)。操作步驟如下：注：【單步】鍵的功能是啟動時序電路產(chǎn)生T1T4四拍單周期脈沖 圖7-1-5寄存器置數(shù)操作步驟 驗證帶進位運算的進位鎖存功能關閉數(shù)據(jù)輸入三態(tài)門(SW-B=0)、CE=0，使CBA=010，AR=1，置CN、M、S0、S1、S2、S3的狀態(tài)為101001，按【單步】鍵，此時數(shù)據(jù)總線單元顯示的數(shù)據(jù)為DR1加DR2，若進位標志燈CY“亮”，表示有進位；反之無進位。（三）邏輯運算實驗 寫操作（置數(shù)操作）撥動二進制數(shù)據(jù)開關向DR1和DR2寄存器置數(shù)，具體操作步驟如下： 注：【單步】鍵的功能是啟動時序電路產(chǎn)生T1T4四拍單周期脈沖 圖7-

10、1-6寄存器置數(shù)操作步驟 讀操作（運算寄存器內(nèi)容送總線）首先關閉數(shù)據(jù)輸入三態(tài)控制端(SW-B=0)，存儲器控制端CE保持為0，令LDDR1=0、LDDR2=0，然后打開ALU輸出三態(tài)門(CBA=010)，置M、S0、S1、S2、S3為11111，再按【單步】鍵，數(shù)據(jù)總線單元顯示DR1的內(nèi)容，若把M、S0、S1、S2、S3置為10101，再按【單步】鍵，數(shù)據(jù)總線單元顯示DR2的內(nèi)容。 邏輯或非運算邏輯或非運算的方法是置CBA=010，M、S0、S1、S2、S3狀態(tài)為11000，按【單步】鍵，此時數(shù)據(jù)總線單元應顯示00011000（18H）。 注：加法運算時，CY=1表示運算結(jié)果有進位，CY=0表

11、示運算結(jié)果無進位；減法運算時，CY=1表示運算結(jié)果無借位，CY=0表示運算結(jié)果有借位。八思考題驗證74LS181的算術運算和邏輯運算功能（采用正邏輯） 在給定DR1=65、DR2=A7的情況下，改變運算器的功能設置，觀察運算器的輸出，填入下表中，并和理論分析進行比較、驗證。表71DR1DR2S3 S2 S1 S0M=0（算術運算）M=1（邏輯運算）Cn=1無進位Cn=0有進位656565A7A7A7 F=（65）F=（E7）F=（7D）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ） F=（66） F=（E8）

12、F=（7E）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ） F=（9A） F=（18） F=（82）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）F=（ ）實驗二通用寄存器實驗一、實驗目的 熟悉通用寄存器概念。 熟悉通用寄存器的組成和硬件電路。二、實驗要求完成3個通用寄存器的數(shù)據(jù)寫入與讀出。三、實驗原理實驗中所用的通用寄存器數(shù)據(jù)通路如圖7-2-1所示。由三片8位字長的74LS374組成R0、R1、R2寄存器組成。三個寄存器的輸入接口用一8

13、芯扁平線連至BUS總線接口，而三個寄存器的輸出接口用一8芯扁平線連至BUS總線接口。圖中R0-B、R1-B、R2-B經(jīng)CBA二進制控制開關譯碼產(chǎn)生數(shù)據(jù)輸出選通信號（詳見表7-2-1），LDR0、LDR1、LDR2為數(shù)據(jù)寫入允許信號，由二進制控制開關模擬，均為高電平有效；T4信號為寄存器數(shù)據(jù)寫入脈沖，上升沿有效。在手動實驗狀態(tài)（即“L”狀態(tài)）每按動一次【單步】命令鍵，產(chǎn)生一次T4信號。圖7-2-1通用寄存器單元電路表7-2-1通用寄存器單元選通真值表CBA選擇100R0-B101R1-B110R2-B四、實驗連線圖7-2-2實驗連線示意圖按圖7-2-2所示，連接實驗電路： 總線接口連接：用8芯扁

14、平線連接圖7-2-2中所有標明“”或“”圖案的總線接口。 控制線與時鐘信號“”連接：用雙頭實驗導線連接圖2-3-2中所有標明“”或“”圖案的插孔（注：Dais-CMH的時鐘信號已作內(nèi)部連接）。五、實驗內(nèi)容（一）通用寄存器的寫入撥動二進制數(shù)據(jù)開關向R0和R1寄存器置數(shù)，具體操作步驟如下： 注：【單步】鍵的功能是啟動時序電路產(chǎn)生T1T4四拍單周期脈沖 圖7-2-3寄存器置數(shù)操作步驟（二）通用寄存器的讀出關閉數(shù)據(jù)輸入三態(tài)(SW-B=0)，存儲器控制端CE=0，令LDR0=0、LDR1=0、LDR2=0，分別打開通用寄存器R0、R1、R2輸出控制位，置CBA=100時，按【單步】鍵，數(shù)據(jù)總線單元顯示R

15、0中的數(shù)據(jù)01H；置CBA=101時，按【單步】鍵。數(shù)據(jù)總線單元顯示R1中的數(shù)據(jù)80H；置CBA=110時，按【單步】鍵，數(shù)據(jù)總線單元顯示R2中的數(shù)據(jù)（隨機）。實驗三移位寄存器實驗一、實驗目的 了解移位寄存器的硬件電路，驗證移位控制與寄存的組合功能。 利用寄存器進行數(shù)據(jù)傳輸。二、實驗要求實現(xiàn)寄存器移位操作，了解通用寄存器的運用。三、實驗原理圖7-3-1帶進位移位寄存器電原理圖上圖所示，使用了一片74LS299作為移位發(fā)生器，其中8位輸入輸出端以8芯扁平線連接形式和總線接口連接。299-B信號控制其使能端（0有效），T4為時序節(jié)拍脈沖，實驗時按【單步】命令鍵產(chǎn)生。由S0 、S1、M 控制信號設置

16、其運行狀態(tài)，其控制特性列表如下：表7-3-1299-BS1S0M功能000任意保持0100循環(huán)右移0101帶進位循環(huán)右移0010循環(huán)左移0011帶進位循環(huán)左移任意11任意裝數(shù)說明：令CBA=011時表中299-B=0。四、實驗連線 圖7-3-2實驗連線示意圖按圖7-3-2所示，連接實驗電路： 總線接口連接：用8芯扁平線連接圖7-3-2中所有標明“”或“”圖案的總線接口。 控制線與時鐘信號“”連接：用雙頭實驗導線連接圖7-3-2中所有標明“”或“”圖案的插孔（注：Dais-CMH的時鐘信號已作內(nèi)部連接）。五、實驗內(nèi)容（一）移位寄存器置數(shù)首先置CBA=000，然后按下面所列流程圖操作：注：【單步】鍵的功能是啟動時序電路產(chǎn)生T1T4四拍單周期脈沖（二）寄存器移位首先置CBA=011(299-B=0)、