計算機科學與技術計算機組成原理

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上 計算機組成原理實 驗 指 導 書崔立民編沈陽大學信息工程學院專心-專注-專業(yè)目錄47課程編號： 課程類別：必修適用層次：本科 適用專業(yè)：計算機科學與技術課程總學時：64 適用學期:第5學期 實驗學時：12 開設實驗項目數(shù)：3撰寫人：崔立民 審核人：周昕 教學院長：范立南實驗一：定點運算器設計一、實驗目的與要求要求學生可以設計一個定點運算器，并驗證運算器的基本功能。1. 掌握算術邏輯運算單元（ALU）的工作原理2. 熟悉簡單運算器的數(shù)據(jù)傳送通路3. 驗證4位運算功能發(fā)生器（74LS181）的組合功能4. 按給定數(shù)據(jù)，完成幾種指定的算術邏輯運算二、實驗類型驗證

2、型三、實驗原理及說明實驗中所用的運算器數(shù)據(jù)通路如圖1.1所示。ALU是一個由2片74LS181組成的8位運算器，右方為低4位運算器芯片，左方為高4位運算器芯片。低位芯片的進位輸出端C(n4)與高位芯片的進位輸入端Cn相連，使低4位運算產(chǎn)生的進位送進高4位運算中。低位芯片的進位輸入端Cn可與外接的初始進位信號相連，高位芯片的進位輸出引至外部。兩個芯片的控制端SO、S1、S2、S3和M是相連的。為進行雙操作數(shù)運算，運算器的兩個數(shù)據(jù)輸入端分別由兩個數(shù)據(jù)暫存器DR1、DR2(用鎖存器74LS273實現(xiàn)）來鎖存數(shù)據(jù)。要將內總線上的數(shù)據(jù)鎖存到DR1或DR2中，則鎖存器74LS273的控制端LDDR1或LD

3、DR2須為高電平。當T4脈沖到來時，總線上的數(shù)據(jù)就被鎖存進DR1或DR2中了。為控制運算器向內總線上輸出運算結果，在其輸出端連接了一個三態(tài)門（用74LS245實現(xiàn)）。若要將運算結果輸出到總線上，則要將三態(tài)門74LS245的控制端ALUB置低電平。否則輸出高阻態(tài)。數(shù)據(jù)輸入單元（實驗板上印有 INPUT DEVICE）用以給出參與運算的數(shù)據(jù)。其中，輸入開關經(jīng)過一個三態(tài)門（74LS245）和內總線相連，該三態(tài)門的控制信號SWB取低電平時，開關上的數(shù)據(jù)就通過三態(tài)門而送入內總線中。總線數(shù)據(jù)顯示燈（在 BUS UNIT單元中）已與內總線相連，用來顯示內總線上的數(shù)據(jù)?？刂菩盘栔谐齌4為脈沖信號外，其他均為電

4、平信號。由于實驗電路中的時序信號已連至“W/R UNIT”單元中的相應時序信號引出端，因此，需要將“W/R UNIT”單元中的T4接至“STATE UNIT”單元中的微動開關KK2的輸出端。在進行實驗時，按動微動開關，即可獲得實驗所需的單脈沖。SO、S1、S2、S3、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU-B、SW-B各電平控制信號使用“SWITCH UNIT”單元中的二進制數(shù)據(jù)開關來模擬，其中Cn、ALU-B、SW-B為低電平有效，LDDR1、LDDR2為高電平有效。對于單總線數(shù)據(jù)通路，做實驗時就要分時控制總線，即當向 DR1、DRZ2暫存器打入數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)開關三態(tài)門打開，這時應保證運算器

5、輸出三態(tài)門關閉；同樣，當運算器輸出結果至總線時也應保證數(shù)據(jù)輸入三態(tài)門是關閉狀態(tài)。圖1.1 運算器數(shù)據(jù)通路原理圖四、實驗儀器序 號名 稱主要用途1計算機組成原理實驗系統(tǒng)一套2導線 五、實驗內容和步驟連接線路按照圖1.2連接實驗電路。數(shù)據(jù)線用8位排線，單命令控制信號用單信號線。打開實驗箱電源向暫存器DR1打入數(shù)據(jù)撥動數(shù)據(jù)開關形成二進制數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示燈會有相應的顯示。每個燈代表一個二進制位，燈亮為0，燈滅為1。將數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)總線，為了保證數(shù)據(jù)總線上沒有沖突的數(shù)據(jù)，需要關閉ALU的輸出。按一下微動開關KK2，向DR1的時鐘脈沖端發(fā)送一個上升沿脈沖，將數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)打入DR1。圖1.2 定點

6、運算器設計實驗接線圖向暫存器DR2打入數(shù)據(jù)步驟類似于，與其區(qū)別在于向DR2發(fā)送上升沿脈沖信號。進行數(shù)據(jù)計算并觀察計算結果ALU的運算模式可以在實驗參考書的第55頁圖2.5的74LS181運算功能表得到，本實驗所用的74181是正邏輯。按照運算表撥動運算模式控制信號S0、S1、S2、S3、Cn、M，可以在數(shù)據(jù)總線顯示燈上觀察計算的結果六、實驗數(shù)據(jù)處理與分析驗證74181運算表。七、注意事項實驗室應嚴格按照信號發(fā)生順序發(fā)送命令信號，否則無法得到正確的實驗結果八、預習與思考題設計下面運算的運算模式控制信號：1. DR1DR2àDR12. DR2 + 1 à DR1實驗二：存儲系統(tǒng)

7、設計一、實驗目的與要求1. 設計一個數(shù)據(jù)通路并熟悉它的原理；2. 掌握數(shù)字邏輯電路的一般規(guī)律；3. 掌握靜態(tài)隨即存儲器的工作特性以及數(shù)據(jù)的讀寫方法。二、實驗類型驗證型三、實驗原理及說明實驗所用的半導體靜態(tài)存儲器電路原理如圖2.1所示，實驗中的靜態(tài)存儲器由一片6116（2K*8）芯片構成，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ADOAD7與地址線相連，顯示地址線狀況。數(shù)據(jù)開關經(jīng)一個三態(tài)門（74LS245）連至數(shù)據(jù)總線，分時給出地址和數(shù)據(jù)。因地址寄存器為8位，所以接入6116芯片的地址為A7AO，而高3位A8A10接地，所以其實際容量只有256字節(jié)。6116芯片有三

8、個控制線：CE（片選線）、OE（讀線）、WE寫線）。當片選有效（CE0）、OE0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CE0、WE0時進行讀操作，CE0、WEl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，其他電平控制信號由“SWITCH UNIT”單元的二進制開關模擬，其中SWB為低電平有效，LDAR為高電平有效。圖2.1存儲系統(tǒng)實驗原理圖四、實驗儀器序 號名 稱主要用途計算機組成原理實驗系統(tǒng)一套導線若干臺式計算機一臺 五、實驗內容和步驟形成時鐘脈沖信號T3。具體接線方法和操作

9、步驟如下：接通電源，用示波器接到方波信號源的輸出插孔H23調節(jié)電位器W1及W2，使H23端輸出實驗所期望的頻率和占空比的方波。將時序電路模塊（STATE UNIT）單元中的和信號源單元（SIGNAL UNIT）中的 H23排針相連。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TS3端輸出連續(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START，則T

10、3輸出一個單脈沖，其脈沖寬度與連續(xù)方式相同。用PC聯(lián)機軟件中的示波器功能也能看到波形。這樣可以代替真實示波器。按圖2.2連接實驗線路，仔細查線無誤后接通電源。圖2.2存儲系統(tǒng)實驗接線圖寫存儲器。給存儲器的00、01、02、03、04地址單元中分別寫入數(shù)據(jù)11H、12H、13H、14H、15H。由上面的存儲器實驗原理圖（圖2.1）看出，由于數(shù)據(jù)和地址全由一個數(shù)據(jù)開關給出，因此要分時地給出。下面的寫存儲器要分兩個步驟：第一步寫地址，先關掉存儲器的片選（CEl），打開地址鎖存器門控信號（LDAR1），打開數(shù)據(jù)開關三態(tài)門（SWB0），由開關給出要寫入的存儲單元的地址，按動START產(chǎn)生T3脈沖將地址打

11、入到地址鎖存器；第二步寫數(shù)據(jù)，關掉地址鎖存器門控信號（LDAR0），打開存儲器片選，使之處于寫狀態(tài)（CE0，WE1），由開關給出此單元要寫入的數(shù)據(jù)，按動SIART產(chǎn)生T3脈沖將數(shù)據(jù)寫入到當前的地址單元中。寫其他單元依次循環(huán)上述步驟。寫存儲器流程如圖2.3所示（以向00號單元寫入11H為例）。圖2.3寫存儲器流程讀存儲器。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與前面寫入的一致。同寫操作類似，讀每個單元也需要兩步：第一步寫地址，先關掉存儲器的片選（CEl），打開地址鎖存器門控信號（LDAR1），打開數(shù)據(jù)開關三態(tài)門（SWB0），由開關給出要寫存儲單元的地址，

12、按動START產(chǎn)生T3脈沖將地址打入到地址鎖存器；第二步讀存儲器，關掉地址鎖存器門控信號（LDAR0），關掉數(shù)據(jù)開關三態(tài)門（SWB1），片選存儲器，使它處于讀狀態(tài)（CE0，WE0），此時數(shù)據(jù)總線上顯示的數(shù)據(jù)即為從存儲器當前地址中讀出的數(shù)據(jù)內容。讀其他單元依次循環(huán)上述步驟。讀存儲器操作流程如下圖3.4所示(以從00號單元讀出11H數(shù)據(jù)為例）。圖2.4讀存儲器流程六、實驗數(shù)據(jù)處理與分析觀察分析存儲器的最小寫入時間七、注意事項本實驗使用的存儲芯片是靜態(tài)存儲器，在執(zhí)行存儲器讀寫操作時必須在地址信號和數(shù)據(jù)信號穩(wěn)定的情況下再發(fā)送存儲器讀寫命令。八、預習與思考題1. 如何測定存儲器的最小寫入時間？實驗三：數(shù)

13、據(jù)通路設計一、實驗目的與要求1. 設計一個數(shù)據(jù)通路并熟悉它的原理；2. 掌握數(shù)字邏輯電路的一般規(guī)律；3. 掌握指令周期的設計方法，熟悉指令的執(zhí)行過程。二、實驗類型綜合型三、實驗原理及說明實驗原理圖圖3.1為本實驗所使要用的8位單總線運算器數(shù)據(jù)通路圖。圖3.2為本實驗的接線圖。兩片74LS181構成了8位字長的ALU。兩個8位字長的寄存器273（8位D觸發(fā)器）作為暫存工作寄存器DR1和DR2，保存參與運算的數(shù)據(jù)或運算結果。ALU的輸出通過三態(tài)門74LS245發(fā)送到數(shù)據(jù)總線上。實驗臺操作板上運算器單元的八個發(fā)光二極管顯示燈接在數(shù)據(jù)總線BUS上，可以顯示數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)。參與運算的數(shù)據(jù)通過另一個三態(tài)

14、門74LS245輸入到BUS總線上，還可送至DR1或DR2暫存工作寄存器，也可以送入RAM芯片6116，還可以送入地址鎖存器AR。圖中除了8位排線的信號都是控制信號，除了T3 、T4是脈沖信號外，其他均為電位信號。S3，S2，S1，S0，M，LDDR1，LDDR2，各電位控制信號用二進制數(shù)據(jù)開關來模擬，其中，為低電平有效。6116為靜態(tài)RAM存儲芯片，存儲容量為2K*8，為了實驗方便，只使用其中的低8位地址，即使用256*8的容量。存儲芯片6116的片選信號為，低電平有效；存儲器讀寫控制信號為，高電平讀，低電平寫。實驗箱中接入6116的引腳信號是經(jīng)過時序部件的信號，控制面板上的讀寫控制信號為W

15、E，高電平時6116工作在寫狀態(tài)，低電平時6116工作在讀狀態(tài)。6116工作的地址保存在地址鎖存器AR中，可以通過數(shù)據(jù)總線向AR寄存器打入數(shù)據(jù)，存儲器模塊的地址顯示燈顯示存儲器工作的地址。圖3.1數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)總線的沖突數(shù)據(jù)通路中有3個設備可以向數(shù)據(jù)總線輸出數(shù)據(jù)，分別是INPUT單元、ALU、6116，所以，應該保證這3個部件在工作時沒有數(shù)據(jù)發(fā)送沖突。AR寄存器內容的保護6116是靜態(tài)RAM，讀寫過程中地址線的內容不能發(fā)生變化，所以訪存地址打入AR后應該將LDARßL，這樣AR的打入脈沖端被封鎖，AR的內容就不會變化了。四、實驗儀器序 號名 稱主要用途1計算機組成原理實驗系統(tǒng)一套2臺式

16、計算機一臺3導線 五、實驗內容和步驟向DR1(DR2)打入數(shù)據(jù)用INPUT單元的DIP開關設定一個數(shù)據(jù)，打開INPUT的三態(tài)控制端(SW-BßL)，將數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)總線，關閉ALU的輸出(ALU-BßH)和6116的輸出(CEßH)，打開DR1的打寫入控制(LDDR1ßH，LDDR2ßL)，發(fā)T4脈沖。向DR2打入數(shù)據(jù)時LDDR2ßH，LDDR1ßL，其他步驟相同。 向AR打入數(shù)據(jù)用INPUT單元的DIP開關設定一個數(shù)據(jù)，打開INPUT的三態(tài)控制端(SW-BßL)，將數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)總線，關閉ALU的輸出(ALU-BßH)和6116的輸出(CEßH)，打開AR的打入控制(LDARßH)，發(fā)T3脈沖。向6116寫入數(shù)據(jù)設定訪存地址按照的步驟向AR寫入一個地址。圖3.2實驗接線圖寫入數(shù)據(jù)用INPUT單元的DIP開關設定一個數(shù)據(jù)，打開INPUT的三態(tài)控制端(SW-BßL)，將數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)總線，關閉ALU的輸出(ALU-BßH)。使6116工作在寫