計算機組成原理與系統(tǒng)結構

1、西安財經(jīng)學院 信息學院計算機組成原理與系統(tǒng)結構實驗報告姓名學號班級年級11 級指導教師實驗名稱運算器實驗、通用寄存器實驗、移位寄存器實驗實驗室實驗樓 418實驗日期2012-11-272012-11-292012-12-4一、實驗目的及要求1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。2熟悉通用寄存器的概念、通用寄存器的組成和硬件電路。3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、實驗環(huán)境Dais-CMH /CMH計算機組成原理實驗箱一臺三、實驗原理（一）運算器實驗實驗中所用的運算器數(shù)據(jù)通路如圖1-1 所示。其中

2、運算器由兩片74LS181以并 / 串形式構成 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)，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 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

3、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、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。第1頁/共 15頁圖 1-1運算器電原理圖（二）通用寄存器實驗實驗中所用的通用寄存器數(shù)據(jù)通路如圖1-2 所示。由三片 8 位字長的 74LS374組成

4、R0、R1、 R2 寄存器組成。三個寄存器的輸入接口用一8 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1-1 ），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。第2頁/共 15頁圖 1-2通用寄存器單元電路表 1-1通用寄存器單元選通真值表CBA選擇100R0-B101R1-B110R2-B（

5、三）移位寄存器實驗圖 1-3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 控制信號設置其運行狀態(tài)，其控制特性列表如下：第3頁/共 15頁表 1-2299-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（一）運算器實驗圖 1-4實驗連線示意圖按圖 1-4 所示，

6、連接實驗電路： 總線接口連接：用8 芯扁平線連接圖1-4 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 1-4 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） 。第4頁/共 15頁（二）通用寄存器實驗圖 1-5實驗連線示意圖按圖 1-5 所示，連接實驗電路： 總線接口連接：用8 芯扁平線連接圖1-5 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 1-5 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） 。（三）移位寄存器實驗圖 1-6實驗

7、連線示意圖按圖 1-6 所示，連接實驗電路： 總線接口連接：用8 芯扁平線連接圖1-6 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 1-6 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)容及步驟（一）運算器實驗（一）算術運算實驗第5頁/共 15頁 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 1-7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

8、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）。（二）進位控制實驗進位控制運算器的實驗原理如實驗四圖所示，其中 181 的進位位進入 74LS74 鎖存器 D 端，該端的狀態(tài)

9、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 01010101(55H)，向 DR2存入 10101010(AAH)。操作步驟如下：注：【單步】鍵的功

10、能是啟動時序電路產(chǎn)生T1T4四拍單周期脈沖圖 1-8寄存器置數(shù)操作步驟第6頁/共 15頁 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T1T4四拍圖 1-9 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)

11、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表示運算結果有進位，CY=0表示運算結果無進位；減法運算時， CY=1

12、表示運算結果無借位，CY=0表示運算結果有借位。第7頁/共 15頁（二）通用寄存器實驗（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 1-10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 R0 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

13、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）。第8頁/共 15頁（三）移位寄存器實驗（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T1T4四拍單周期脈沖圖 1-11（二）寄存器移位首先置 CBA=011(299-B=0)、SW-B=0、CE=0，然后參照表改變 S0、S1、M的狀態(tài)，按動【單步】命令鍵觀察移位結果。（三）移位結果的寄存把移位寄存器移位后的內(nèi)容寄存到通用寄存器（以 R0 為例），首先按圖 1-6 所示連接實驗電路。在移位操作后保持 CBA=011（即 299-B=0）、置 S0=0、 S1=

14、0，令 LDR0=1，再按動【單步】命令鍵即可完成移位結果保存到通用寄存器 R0 的操作。（四）移位結果的讀出置 CBA=100、SW-B=0、CE=0，按【單步】鍵，數(shù)據(jù)總線單元顯示 R0寄存器的內(nèi)容，該內(nèi)容應與移位寄存器的內(nèi)容一致。六、實驗結果分析（一）運算器實驗手動實驗：（一）初始化操作“ ”“二進制開關單元”一旦進入 L 狀態(tài)，首先應把的 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 “”狀態(tài)下直接按 【復位】 按鈕亦L可完成微控制器的初始清零操

15、作。（二）控制信號的打入方法 有效狀態(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，點亮第9頁/共 15頁對應的發(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

16、總線。結合手動控制列舉如下約定： 數(shù)據(jù)開關送總線：令SW-B=1， CBA=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。驗證 74LS18

17、1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13驗M=0（算術運算）DR1DR2S3 S2 S1 S0Cn=1Cn=0M=1無進位有進位（邏輯運算）65A7F=（65）F=（ 66）F= （ 9A）65A7F=（E7）F=（ E8）F= （ 18）65A7F=（7D）F=（ 7E）F= （ 82）65A7F=（ 1）F=（ 00）F=（ 0）65A7F=（A5）F=（ A6）F= （ DA）65A7F=（27）F=（ 28）F= （ 58）65A7F=（BD）F=（ BE

18、）F= （ C2）65A7F=（3F）F=（ 40）F= （ 40）65A7F=（8A）F=（ 8D）F=（ BF）65A7F=（0C）F=（ 0D）F= （ 3D）65A7F=（A2）F=（ A3）F= （ A7）第10頁/共 15頁65A7F=（24）F=（ 25）F= （ 25）65A7F=（CA）F=（ CB）F=（1 ）65A7F=（4C）F=（ 4D）F= （ 7D）65A7F=（E2）F=（ E3）F= （ E7）65A7F=（64）F=（ 65）F=（ 65）在給定 DR1=14、DR2=15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

19、。表14驗M=0（算術運算）DR1DR2S3 S2 S1 S0Cn=1Cn=0M=1無進位有進位（邏輯運算）1415F=（14）F=（ 15）F= （ EB）1415F=（15）F=（ 16）F= （ EA）1415F=（FE）F=（ FF）F= （ 01）1415F=（FF）F=（ 00）F= （ 00）1415F=（14）F=（ 15）F= （ EB）1415F=（15）F=（ 16）F= （ EA）1415F=（FE）F=（ FF）F= （ 01）1415F=（FF）F=（0）F= （0）1415F=（28）F=（ 29）F= （ FF）1415F=（29）F=（ 2A）F= （ FE）

20、1415F=（12）F=（ 13）F= （ 15）1415F=（13）F=（ 14）F= （ FE）1415F=（28）F=（ 29）F= （ FF）1415F=（29）F=（ 2A）F= （ FE）1415F=（12）F=（ 13）F= （15）1415F=（13）F=（ 14）F= （ 14）在自動模式下自動模式下如表6-3 所示：按鍵8 位 LED顯示說明【返回】DY-HP.返回初始狀態(tài)待命0DY-H0輸入 DR1代號“ 0”【寄存】DY-H0X X 按【寄存】命令鍵第11頁/共 15頁14DY-H014輸入數(shù)字 14【寫】DY-H014按【寫】將 14打入DR1【增址】 DY-H1XX

21、按【增址】指向DR2代號“ 1”15DY-H115輸入數(shù)字 15【寫】DY-H115按【寫】將 15打入DR2【返回】 DY-HP.返回初始狀態(tài)待命5DY-H5輸入 CN代號“ 5”【寄存】 DY-H5XX按【寄存】命令鍵28DY-H528輸入運算 控制符【寫】DY-H5按【寫】將 28打入CN【返回】 DY-HP.返回閃動的 “H”待命狀態(tài)【運算】 DY-HA UXX輸出結果（二）通用寄存器實驗移位結果的讀出置 CBA=100、SW-B=0、CE=0，按【單步】鍵，數(shù)據(jù)總線單元顯示 R0寄存器的內(nèi)容，該內(nèi)容應與移位寄存器的內(nèi)容一致。在自動模式下：使用 26 只模擬開關進行控制。先按【復位】按鈕完成微控制器的初始清零第12頁/共 15頁操作。1. 進行寫操作，撥動