《計(jì)算機(jī)組成原理》實(shí)驗(yàn)教程文件

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)-實(shí)驗(yàn)一、運(yùn)算實(shí)驗(yàn)算術(shù)邏輯一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆蘸唵芜\(yùn)算器的數(shù)據(jù)傳送通路驗(yàn)證運(yùn)算功能發(fā)生器（74LS181）的組合功能二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備CCT-IV計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一臺，排線若干。實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)算器由兩片74LS181構(gòu)成。運(yùn)算器的輸出經(jīng)過一個(gè)三態(tài)門74LS245和數(shù)據(jù)總線相連，運(yùn)算器的兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端，分別由二個(gè)鎖存器74LS273鎖存，鎖存器的輸入端和數(shù)據(jù)總線相連，數(shù)據(jù)輸入輸出都通過總線完成；數(shù)據(jù)顯示燈（“BUSUNIT”）與數(shù)據(jù)總線相連，用來顯示數(shù)據(jù)總線內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)輸入由數(shù)

2、據(jù)開關(guān)（“INPUTDEVICE”）給出，并經(jīng)過三態(tài)門74LS245和數(shù)據(jù)總線相連，數(shù)據(jù)輸出可以經(jīng)總線輸出至七段數(shù)碼管（“OUTPUTDEVICE”）顯示W(wǎng)/RUNITT4STATEUNITKK2ALUUNITARAUJ3ALU-BS3-CNLDDR1LDDR2BUSUNITSW-BALU-BS3-CNLDDR1LDDR2ARSWITCHUNITSWJ3SW-BINPUTDEVICE圖1-1算術(shù)邏輯運(yùn)算實(shí)驗(yàn)接線圖數(shù)據(jù)顯示燈CNALU-BF3F0CNCN+4ALU(181)MA3A0B3B0B7B074LS245A7A0CN+4F3F0ALU(181)CNMA3A0B3B0S3S2S1S0MQ7

3、Q4Q3Q0DR(273)D7D0Q7Q4Q3Q0DR(273)D7D0LDDR1T4LDDR2三態(tài)門245SW-B數(shù)據(jù)開關(guān)圖1-2運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路圖12中T4為脈沖信號，其它均為電平信號。在實(shí)驗(yàn)中，只需將“W/RUNIT”的T4接至“STATEUNIT”的微動開關(guān)的輸出端，按動微動開關(guān)，即可獲得實(shí)驗(yàn)所需的單脈沖，而S3、S2、S1、S0、Cn、M、LDDR、ALU-B、SW-B各電平控制信號用“SWITCHUNIT”中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)開關(guān)來模擬，其中Cn、ALU-B、SW-B為低電平有效，LDDR1，LDDR2為高電平有效CnCyQ74LS74D+5VART4CnCn+4圖1-3進(jìn)位控制部件進(jìn)位控

4、制運(yùn)算的實(shí)驗(yàn)，是在前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加進(jìn)位控制部分（如1-3圖所示），其中181的進(jìn)位進(jìn)入一個(gè)74鎖存器，其寫入是由T4的AR信號控制，T4是脈沖信號，實(shí)驗(yàn)時(shí)將T4連至“STATEUNIT”的微動開關(guān)KK2上。AR是電平控制信號，可用于實(shí)現(xiàn)帶進(jìn)位控制實(shí)驗(yàn)，而T4脈沖是將本次運(yùn)算的進(jìn)位結(jié)果鎖存到進(jìn)位鎖存器中。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、按圖1-1實(shí)驗(yàn)接線圖連接線路，仔細(xì)查線無誤后，接通電源。2、用二進(jìn)制數(shù)碼開關(guān)分別向DR1和DR2寄存器置數(shù)01100101，10100111。=1*GB3打開數(shù)據(jù)輸入三態(tài)門SW-B=0關(guān)閉運(yùn)算器輸出三態(tài)門ALU-B=1=2*GB3向寄存器DR1傳送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)開關(guān)置01100101

5、，LDDR1=1，LDDR2=0，按下KK2，產(chǎn)生T4信號=3*GB3向寄存器DR2傳送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)開關(guān)置10100111，LDDR1=0，LDDR2=1，按下KK2，產(chǎn)生T4信號=4*GB3關(guān)閉數(shù)據(jù)輸入三態(tài)門SW-B=1，打開運(yùn)算器輸出三態(tài)門ALU-B=0=5*GB3當(dāng)置S3、S2、S1、S0、M為11111時(shí)，總線指示燈DR1中的數(shù)，而置成10101時(shí)總線指示DR2中的數(shù)。3、驗(yàn)證74LS181的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算功能，在給定DR1=65，DR2=A7的情況下，改變運(yùn)算器的功能設(shè)置，觀察運(yùn)算器的輸出，填入表中，并和理論分析進(jìn)行比較、驗(yàn)證，更改DR1，DR2的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證輸入輸

6、出DR1:A=65、DR2:B=A7M=0M=1S3S2S1S0Cn=1Cn=0Cn=*0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111表1-14、進(jìn)位標(biāo)志清零操作,S3S2S1S0M的狀態(tài)置為00000，AR狀態(tài)置為0，按動開關(guān)KK2。5、驗(yàn)證帶進(jìn)位運(yùn)算及進(jìn)位鎖存功能，使Cn=1，Ar=0，SW-B=1來進(jìn)行帶位算術(shù)運(yùn)算,做加法運(yùn)算，首先向DR1，DR2置數(shù)，然后使ALU-B=0，S3S2S1S0，M狀態(tài)為10010（加）及01100（減），此時(shí)數(shù)據(jù)總線上顯示的數(shù)據(jù)為DR1加DR2加當(dāng)前進(jìn)位標(biāo)志，這個(gè)結(jié)果是否產(chǎn)生

7、進(jìn)位，則要按動開關(guān)KK2，若進(jìn)位標(biāo)志燈亮，表示沒進(jìn)位；反之，有進(jìn)位，更改DR1，DR2的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證，并將結(jié)果記錄到下表。S3S2S1S0M=10010S3S2S1S0M=01100ABCn=1Cn=0Cn=1Cn=0DR1DR2CyFCyFCyFCyF表1-2實(shí)驗(yàn)二、存儲器實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆侦o態(tài)隨機(jī)存儲器RAM工作特性及數(shù)據(jù)的讀寫方法二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備CCT-IV計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一臺，排線若干。實(shí)驗(yàn)原理數(shù)據(jù)燈OED7D06116A10A8A7A0CEWET3地址燈AD7AD0AR（273）LDART3三態(tài)門245SW-B數(shù)據(jù)開關(guān)圖2-1存儲器實(shí)驗(yàn)原理圖實(shí)驗(yàn)所用的半導(dǎo)體靜

8、態(tài)存儲器電路原理如圖所21所示，實(shí)驗(yàn)中的靜態(tài)存儲器由一片（）構(gòu)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AD0-AD7與地址線相連，顯示地址線內(nèi)容。數(shù)據(jù)開關(guān)經(jīng)一三態(tài)門（74LS245）連至數(shù)據(jù)總線，分時(shí)給出地址和數(shù)據(jù)。因地址寄存器為8位，6116的地址A7-A0，而高三位A8-A10接地，所以其實(shí)際容量為256字節(jié)。6116有三個(gè)控制線：CE（片選線）、OE（讀線）、WE（寫線）。當(dāng)片選取有效（CE=0）時(shí)，OE=0時(shí)進(jìn)行讀操作，CE=0、WE=1時(shí)進(jìn)行寫操作，其寫時(shí)間與T3脈沖寬度一致。實(shí)驗(yàn)時(shí)將T3脈沖接至實(shí)驗(yàn)板上時(shí)序電路模塊的TS3相應(yīng)的插孔中，其脈沖寬度可

9、調(diào)，其它電平控制信號由“SWITCHUNIT”單元的二進(jìn)制開關(guān)模擬，其中SW-B為低電平有效，LDAR為高電平有效。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容W/RUNITT3WESTATEUNITTS3SIGNALUNITH23MAINMEND7D0A7A0W/RCEW/REXTBUSAD0AD7BUSUNITD0D7ADDRESUNITLDARSW-BLDARCEWESWITCHUNITSWJ3SW-BINPUTDEVICE2-2存儲器實(shí)驗(yàn)接線圖形成時(shí)鐘脈沖信號T3，具體接線方法和操作步驟如下：=1*GB3接通電源,調(diào)節(jié)電位器W1使H24端輸出實(shí)驗(yàn)所期望的頻率的方波（可用示波器觀察）=2*GB3將時(shí)序電路模塊中的和H2

10、3排針相連，CLR置1=3*GB3在時(shí)序電路模塊中有兩個(gè)二進(jìn)制開關(guān)“STOP”和“STEP”。將“STOP”開關(guān)置為“RUN”狀態(tài)、“STEP”開關(guān)置為“EXEC”狀態(tài)時(shí)，按動微動開關(guān)START，則T輸出連續(xù)的方波信號民，此時(shí)調(diào)節(jié)電位器W1，用示波器觀察，使T3輸出實(shí)驗(yàn)要求的脈沖信號。當(dāng)“STOP”開關(guān)置為“RUN”狀態(tài)、“STEP”開關(guān)置為“STEP”狀態(tài)時(shí)，每按動一次微動開關(guān)START，則T3輸出一個(gè)單脈沖，其脈沖寬度與連續(xù)方式相同。按圖22連接實(shí)驗(yàn)線路，仔細(xì)查線無誤后接通電源。由于存儲器模塊內(nèi)部連線已經(jīng)好，因此只需完成實(shí)驗(yàn)電路的形成，控制倍模擬開關(guān)、時(shí)鐘脈沖信號T3與存儲模塊的外部連接。

11、給存儲器的00、01、02、37地址單元中分別寫入數(shù)據(jù)11、12、，具體步驟如下：(以向0號單元寫入11為例)=1*GB3數(shù)據(jù)開關(guān)置00000000，SW-B=1=2*GB3打開輸入三態(tài)門SW-B=0，不選內(nèi)存CE1=3*GB3傳送至地址寄存器LDAR1，按下START=4*GB3數(shù)據(jù)開關(guān)置數(shù)00010001,打開內(nèi)存地址輸入門LDAR0=6*GB3選擇內(nèi)存CE0，寫入內(nèi)存WE1，按下START依次讀出第00、01、02、37單元中的內(nèi)容，觀察上述各單元中的內(nèi)容是否與前面寫入的一致。具體操作步驟如下：(以從0號單元讀出11數(shù)據(jù)為例)=1*GB3數(shù)據(jù)開關(guān)置00000000，SW-B=1=2*GB

12、3打開輸入三態(tài)門SW-B=0，不選內(nèi)存CE1=3*GB3傳送至地址寄存器LDAR1，按下START=4*GB3關(guān)閉輸入三態(tài)門SW-B=1，選擇內(nèi)存CE0，讀內(nèi)存WE0=5*GB3重復(fù)上面四步，開關(guān)數(shù)據(jù)每次加1=6*GB3比較前面輸入數(shù)據(jù)及后面輸出數(shù)據(jù)是否一致，并填入下表地址內(nèi)容地址內(nèi)容地址內(nèi)容地址內(nèi)00000000-10000000-00000010-00000011-00000000-00010001-00000000-10010010-00010011-00010000-00100000-10100000-10100000-00010010-00100011-

13、00100000-00110010-00000000-10110010-00110011-00110000-01000000-10110000-11000010-01000011-01000000-01010011-00000000-11010010-01010011-01010000-01100000-10110000-11100010-01100011-01100000-01110100-00000000-11110010-01110011-0111表2-1實(shí)驗(yàn)四、模型機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆詹考卧獙?shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將其組成系統(tǒng)構(gòu)造一臺基本模型計(jì)算機(jī)為其定義五條機(jī)器指令，并編寫相應(yīng)

14、的微程序，具體上機(jī)調(diào)試掌握整機(jī)概念二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備CCT-IV計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一臺，排線若干。三、實(shí)驗(yàn)原理部件實(shí)驗(yàn)過程中，各部件單元的控制信號是人為模擬產(chǎn)生的，而本次實(shí)驗(yàn)將能在微程序控制下自動產(chǎn)生名部件單元控制信號，實(shí)現(xiàn)特定指令的功能。這里，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，CPU從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令到一條機(jī)器指令執(zhí)行結(jié)束的一個(gè)指令周期全部由微指令組成的序列來完成，即一條機(jī)器指令對應(yīng)一個(gè)微程序。本實(shí)驗(yàn)采用五條機(jī)器指令：IN（輸入）、ADD（二進(jìn)制加法）、STA（存數(shù)）、OUT（輸出）、JMP（無條件轉(zhuǎn)移）其指令格式如下（前4位為操作碼）：助記符機(jī)器指令碼說明IN0000-0

15、000“INPUTDEVICE”中的開關(guān)狀態(tài)R0ADDaddr0001-0000*-*R0+addrR0STAaddr0010-0000*-*R0addrOUTaddr0011-0000*-*addrBUSJMPaddr0100-0000*-*AddrPC其中IN為單字長（8位），其余為雙字長指令，*-*為addr對應(yīng)的二進(jìn)制地址碼。為了向RAM中裝入程序和數(shù)據(jù)，檢查寫入是否正確，并能啟動程序執(zhí)行，還必須設(shè)計(jì)三個(gè)控制臺操作微程序。存儲器讀操作(KRD)：撥動總清開關(guān)CLR后，控制臺開關(guān)SWB、SWA為“00”時(shí)，按START微動開關(guān)，可對RAM連續(xù)手動讀操作。存儲器寫操作(KWE)：撥動總清開

16、關(guān)CLR后，控制臺開關(guān)SWB、SWA為“01”時(shí)，按START微動開關(guān)，可對RAM連續(xù)手動寫入。啟動程序(RP)：撥動總清開關(guān)CLR后，控制臺開關(guān)SWB、SWA為“11”時(shí)，按START微動開關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到第01號“取址”微指令，啟動程序運(yùn)行。上述三條控制臺指令用兩個(gè)開關(guān)SWB、SWA的狀態(tài)來設(shè)置，其定義如下：SWBSWA控制臺指令001011讀內(nèi)存(KRD)寫內(nèi)存(KWE)啟動程序(RP)表6-1根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路框圖，微代碼定義如表6-2所示242322212019181716151413121110987654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCA5A5A5A5A5A01

17、5選擇000001LDRi010LDDR1011LDDR2100LDIR101LOAD110LDAR987選擇000001P(1)010011100P(4)101110LDPC121110選擇000001RS-B010011100101ALU-B110PC-B表6-2當(dāng)擬定“取指”微指令時(shí)，該微指令的判別測試為P(1)測試。由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P(1)的測試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本機(jī)用指令寄存器的前4位(IR7-IR4)作為測試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個(gè)固定微地址單元。控制臺操作為P(4)測試，它以控制臺開關(guān)SWB、SWA作為測試條件，出現(xiàn)了3路分支，占用3個(gè)固

18、定微地址單元。當(dāng)分支微地址單元固定后，剩下的其它地方就可以一條微指令占用控存一個(gè)微地址單元。注意：微程序流程圖上的單元地址為8進(jìn)制。當(dāng)全部做程序設(shè)計(jì)完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化，表6-2即將圖6-3的微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的“二進(jìn)制代碼表”。下面介紹指令寄存器(IR)：指令寄存器用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，先把它從內(nèi)存取到緩沖寄存器中，然后再傳送到指令寄存器。指令劃分為操作碼和地址碼，由二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成，為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對操作碼進(jìn)行測試P(1)，通過節(jié)拍脈沖T4的控制以便識別所要求的操作?！爸噶钭g碼器”(實(shí)驗(yàn)板上標(biāo)有“INSDECODE”的芯片)，根據(jù)指

19、令中的操作碼譯碼強(qiáng)置微控器單元的微地址，使下一條微指令指向相應(yīng)的微程序首地址。本系統(tǒng)有兩種外部I/O設(shè)備，一種是二進(jìn)制代碼開關(guān)，它作為輸入設(shè)備(INPUTDEVICE)另一種是數(shù)碼塊，它作為輸出設(shè)備(OUTPUTDEVICE)。例如：輸入時(shí)，二進(jìn)制開關(guān)數(shù)據(jù)直接經(jīng)過三態(tài)門送到外部數(shù)據(jù)總線上，只要開關(guān)狀態(tài)不變，輸入的信息也不變。輸出時(shí)，將輸出數(shù)據(jù)送到外部數(shù)據(jù)總線上，當(dāng)寫信號民(W/R)有效時(shí)，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，驅(qū)動數(shù)碼塊顯示。表6-3二進(jìn)制代碼表微地址S3S2S1S0MCnWEA9A8A.BCUA5UA0000000000110000001000100000100000001111011011

20、000001002000000001100000001001000030000000011100000000001000400000000101100000000010105000000011010001000000110061001010110011010000000010700000000111000000000110110.00000000000100000000000111000000011110110110000011120000000111101101100001111300000001111011011000111014000000011110110110010110150000

21、001010000010000000011600000000111000000000111117000000001010000000010101200000000111101101100100102100000001111011011001010022000000001010000000010111230000000110000000000000012400000000001000000001100025000001110000101000000001260000000011010001100000012700000111000010100001000030000001101000101000

22、010001本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)機(jī)器指令程序如下：地址內(nèi)容助記符說0000IN“INPUTDEVICE”R00000-00010001-0000ADD0AHR0+0AHR00000-00100000-10100000-00110010-0000STA0BHR00B10110000-01010011-0000OUT0BH0BHBU10110000-01110100-0000JMP00H00HP00000000-10010000-10100000-00010000-1011四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、

23、按連線圖連接實(shí)驗(yàn)線路2、寫程序(手動寫入)=1*GB3先將機(jī)器指令對應(yīng)的微代碼正確寫入2816中，由于在實(shí)驗(yàn)五微程序控制實(shí)驗(yàn)中已將微代碼寫入EEPROM苦盡甜來中，對照表6-2校驗(yàn)正確后就可使用。=2*GB3使用KWE和KRD微程序進(jìn)行機(jī)器指令程序的裝入和檢查。使編程開關(guān)處于“RUN”，STEP為“STEP”狀態(tài)，STOP為“RUN”狀態(tài)。撥動總清開關(guān)CLR(01)，微地址寄存器清零，程序計(jì)數(shù)器清零。然后使控制臺SWB、SWA開關(guān)置為“01”，按動一次啟動開關(guān)START，微地址顯示燈顯示“010001”，再按動一次啟動開關(guān)START，微地址顯示燈顯示“010100”，此時(shí)數(shù)據(jù)開關(guān)的內(nèi)容置為要寫入的機(jī)器指令，按動一次我START鍵，即完成該條指令的寫入。若仔細(xì)閱讀KWE的流程，就不難發(fā)現(xiàn)，機(jī)器指令的首地址只要第一次給入即可，PC會自動加1，所以，每次按動STA