計(jì)算機(jī)組成原理-基本實(shí)驗(yàn)

計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)1第一部分TEC—5計(jì)算機(jī)組成和數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

TEC-5實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由北京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院、清華大學(xué)科教儀器廠聯(lián)合研制。它適用于《計(jì)算機(jī)組成原理》等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是一種多用儀器。該儀器將提高學(xué)生的動(dòng)手能力，提高學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)整體和各組成部分的理解，提高學(xué)生對(duì)數(shù)字系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)能力?！EC-5實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)1．采用單板式結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)模型采用8位，簡(jiǎn)單、實(shí)用。計(jì)算機(jī)模型分為數(shù)據(jù)通路、控制器、時(shí)序電路、控制臺(tái)、數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)區(qū)五部分。各部分之間采用可插、拔的導(dǎo)線連接。2．指令系統(tǒng)采用4位操作碼，容納16條指令，已實(shí)現(xiàn)了加、減、邏輯與、存數(shù)、取數(shù)、條件轉(zhuǎn)移、10輸出和停機(jī)8條指令，指令功能非常典型。其他8條指令備用。3．?dāng)?shù)據(jù)通路采用雙端口存儲(chǔ)器作為主存，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)總線和指令總線雙總線體制，體現(xiàn)了當(dāng)代CPU的設(shè)計(jì)思想。24．運(yùn)算器中ALU由2片74181實(shí)現(xiàn)。4個(gè)通用寄存器由l片ispLSll016組成。5．控制器采用微程序控制器和硬連線控制器兩種類型，體現(xiàn)了當(dāng)代計(jì)算機(jī)控制器設(shè)計(jì)技術(shù)的完備性。6．控制存儲(chǔ)器中的微代碼可以通過PC機(jī)下載，省去插、拔ROM芯片。7.實(shí)驗(yàn)臺(tái)上提供了一片在系統(tǒng)編程器件ispLSll032，學(xué)生在PC機(jī)設(shè)計(jì)好組合邏輯控制器方案后下載到ispLSll032中，ispLSll032就構(gòu)成了新的控制器?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)對(duì)提高計(jì)算機(jī)綜合設(shè)計(jì)能力會(huì)有很大幫助。ispLSll032也可用于數(shù)字邏輯和數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。8．控制臺(tái)包含8個(gè)數(shù)據(jù)開關(guān)，用于置數(shù)功能；16個(gè)雙位開關(guān)，用于置信號(hào)電平；控制臺(tái)有復(fù)位和啟動(dòng)二個(gè)單脈沖發(fā)生器，有單拍、單步二個(gè)開關(guān)?？刂婆_(tái)有5種操作：寫存儲(chǔ)器，讀存儲(chǔ)器，讀寄存器，寫寄存器，啟動(dòng)程序運(yùn)行。39．微程序控制器中的微代碼輸出、微地址總線、程序地址總線、數(shù)據(jù)總線、存儲(chǔ)器地址總線、進(jìn)位、雙端口存儲(chǔ)器的讀、寫沖突位BUSYLg和BUSYR~等都有指示燈，便于查看指令的執(zhí)行過程。10．?dāng)?shù)字邏輯和數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)部分除上述可用的一片ISPl032、16個(gè)電平開關(guān)和2個(gè)單脈沖按鈕(復(fù)位和啟動(dòng))外，還有12個(gè)指示燈，11個(gè)雙列直插插座，5個(gè)8432編碼驅(qū)動(dòng)的數(shù)碼管，1個(gè)直接驅(qū)動(dòng)的數(shù)碼管，1個(gè)喇叭。時(shí)鐘信號(hào)源有500KHz，50KHz，11．電源部分具有抗電源對(duì)地短路能力。二、TEC-5實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成

TEC-5實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：控制臺(tái)、數(shù)據(jù)通路、控制器、時(shí)序電路、數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)區(qū)、電源模塊下面分別對(duì)各組成部分予以介紹。4三、電源電源部分由一個(gè)電源、一個(gè)電源插座、一個(gè)電源開關(guān)和一個(gè)紅色電源指示燈組成。電源通過四個(gè)螺釘安裝在實(shí)驗(yàn)箱底部，它輸出+5V電壓，最大負(fù)載電流3A，具有抗+5V對(duì)地短路功能。電源插座用于接交流220V，插座內(nèi)裝有保險(xiǎn)絲。電源開關(guān)接通時(shí)，模塊電源輸出+5V，紅色指示燈點(diǎn)亮。5四、時(shí)序發(fā)生器時(shí)序發(fā)生器產(chǎn)生計(jì)算機(jī)模型所需的時(shí)序和數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)所需的時(shí)鐘。時(shí)序電路由一個(gè)500KHz晶振、2片GAL22V10(U63、U65)、一片74LS390(U64)組成。根據(jù)本機(jī)設(shè)計(jì)，執(zhí)行一條微指令需要4個(gè)節(jié)拍脈沖T1、T2、T3、T4，執(zhí)行一條機(jī)器指令需要三個(gè)節(jié)拍電位Wl、W2、W3，因此本機(jī)的基本時(shí)序如下：6圖1．1基本時(shí)序圖圖中，MF是晶振產(chǎn)生的500KHz基本時(shí)鐘，T1、n、T3、T4是數(shù)據(jù)通路和控制器中各寄存器的節(jié)拍脈沖信號(hào)，印制板上已將它們和相關(guān)的寄存器相連。T1、T2、T3、T4既供微程序控制器使用，也供硬連線控制器使用。W1、W2、W3只供硬連線控制器做節(jié)拍電位信號(hào)使用。另外，供數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)使用的時(shí)鐘50KHz和5KHz由MF經(jīng)一片74LS390分頻后產(chǎn)生。7五、數(shù)據(jù)通路

TEC-5的數(shù)據(jù)通路采用了數(shù)據(jù)總線和指令總線雙總線形式。它還使用了大規(guī)模在系統(tǒng)編程器件作為寄存器堆，使得設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單明了，可修改性強(qiáng)。圖1．2是數(shù)據(jù)通路總體圖，下面介紹圖中各個(gè)主要部件的作用。81．運(yùn)算器ALU

運(yùn)算器ALU由兩片74LSl81(U31和U35)組成，其中U35進(jìn)行低4位運(yùn)算，U31進(jìn)行高4位運(yùn)算。在選擇端M和S0-S3控制下，ALU對(duì)數(shù)據(jù)A、B進(jìn)行各種算術(shù)、邏輯運(yùn)算。有關(guān)74181運(yùn)算的具體操作，請(qǐng)看74181的資料和教科書。當(dāng)LDRi=I時(shí)，在T3的上升沿寄存器C(U20A)保存運(yùn)算產(chǎn)生的進(jìn)位標(biāo)志信號(hào)。2．運(yùn)算操作數(shù)寄存器DRl和DR2(U24、U25)DRl(U24)和DR2(U25)是運(yùn)算操作數(shù)寄存器，DRl和ALU的A口相連，DR2和ALU的B口相連。DRl和DR2各由一片74LS273構(gòu)成。當(dāng)LDDRl／LDDR2：1時(shí)，在T2上升沿，DRl／DR2接收來自通用寄存器堆A／B端口的數(shù)據(jù)。910運(yùn)算器74181通用寄存器系統(tǒng)編程器時(shí)序發(fā)生器雙端口存儲(chǔ)器RAM地址寄存器地址指示燈數(shù)據(jù)總線指示燈PC指示燈指令總線指示燈C進(jìn)位標(biāo)志指示燈微動(dòng)開關(guān)BUSYL#指示燈BUSYR#指示燈電源11第2部分計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)運(yùn)算器組成實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉雙端口通用寄存器堆的讀寫操作。2、熟悉簡(jiǎn)單運(yùn)算器的數(shù)據(jù)傳送通路。

3、驗(yàn)證運(yùn)算器74LSl81的算術(shù)邏輯功能。

4、按給定數(shù)據(jù)，完成指定的算術(shù)、邏輯運(yùn)算。二、實(shí)驗(yàn)電路12二實(shí)驗(yàn)電路

13SN74181框圖（1）DM74LS181N外特性圖中AB為ALU兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端，F(xiàn)為輸出結(jié)果，M,S為功能選擇控制輸入端，C為進(jìn)位輸入，G，P為輸出小組進(jìn)位輔助函數(shù)。ALU介紹14

ALU單元邏輯設(shè)計(jì)，可構(gòu)造并行進(jìn)位鏈，X輸出中包含進(jìn)位傳遞函數(shù)P,Y輸出包含進(jìn)位產(chǎn)生函數(shù)G.S組合分別控制X，Y與或非門輸出。其邏輯關(guān)系如表3-1所示。S3S2XiS1S0Yi00100Ai01Ai+01AiBi10Ai+Bi10Ai11Ai110表3-1一位ALU單元的輸入選擇邏輯

選擇不同的控制信號(hào)Si，可獲得不同的輸出Fi，以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)算功能。15工作方式選擇S3S2S1S0邏輯運(yùn)算M=1算術(shù)運(yùn)算M=0工作方式選擇S3S2S1S0邏輯運(yùn)算M=1算術(shù)運(yùn)算M=00000A減11000A加（A+B）0001AB減11001A加B0010+BA減11010BAB加（A+B）0011邏輯1全11011A+BA+B0100A加（A+B）1100邏輯0全00101AB加（A+B）1101AB加A0110A加B1110ABAB加A0111A+B1111AA（3）74LS181功能表（實(shí)現(xiàn)16種算術(shù)運(yùn)算與16種邏輯運(yùn)算功能）16圖示出了本次實(shí)驗(yàn)所用的運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路圖。參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)首先通過實(shí)驗(yàn)臺(tái)操作板上的八個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)開關(guān)SW7-SW0來設(shè)置，然后輸入到雙端口通用寄存器堆RF中。17

RF(U54)由一個(gè)ispLSll016實(shí)現(xiàn)，功能上相當(dāng)于四個(gè)8位通用寄存器，用于保存參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)，運(yùn)算后的結(jié)果也要送到RF中保存。18雙端口寄存器堆模塊的控制信號(hào)中，RSl、RS0用于選擇從B端口(右端口)讀出的通用寄存器，RDl、RD0用于選擇從A端口(左端口)讀出的通用寄存器。而WRl、WR0用于選擇寫入的通用寄存器。LDRi是寫入控制信號(hào)，當(dāng)LDRi二1時(shí)，數(shù)據(jù)總線DBUS上的數(shù)據(jù)在T3寫入由WRl、WR0指定的通用：寄存器。RF的A、B端口分別與操作數(shù)暫存器DRl、DR2相連；另外，RF的B端口通過一個(gè)三態(tài)門連接到數(shù)據(jù)總線DBUS上，因而RF中的數(shù)據(jù)可以直接通過B端口送到DBUS上。

19DRl(U46)和DR2(U47)各由1片74LS273構(gòu)成，用于暫存參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)。DRl接ALU的A輸入端口，DR2接ALU的B輸入端口。20ALU(U55、U60)由兩片74LSl81構(gòu)成，ALU的輸出通過一個(gè)三態(tài)門(74LS244)發(fā)送到數(shù)據(jù)總線DBUS上。21實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的八個(gè)發(fā)光二極管DBUS7-DBUS0顯示燈接在DBUS上，可以顯示輸入數(shù)據(jù)或運(yùn)算結(jié)果。另有一個(gè)指示燈C顯示運(yùn)算器進(jìn)位標(biāo)志信號(hào)狀態(tài)。22圖中尾巴上帶粗短線標(biāo)記的信號(hào)都是控制信號(hào)，其中S3、S2、S1、S0、M、Cn0、LDDRl、LDDR2、ALUBUS#、SW．BUS#、LDRi、RSl、RS0、RDl、RD0、WRl、WR0都是電位信號(hào)23在本次實(shí)驗(yàn)中用撥動(dòng)開關(guān)K0--K15來模擬；T2、T3為時(shí)序脈沖信號(hào)，印制板上已連接到實(shí)驗(yàn)臺(tái)的時(shí)序電路。實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行單拍操作，每次只產(chǎn)生一組T1、T2、T3、T4時(shí)序脈沖，需將實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的DP、DB開關(guān)進(jìn)行正確設(shè)置。將DP開關(guān)置1，DB開關(guān)置0，每按一次QD按鈕，則順序產(chǎn)生T1、T2、丁3、T4一組單脈沖。

24三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.TEC-5計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)1臺(tái)。

2．邏輯測(cè)試筆一支(在TEC-5實(shí)驗(yàn)臺(tái)上)．

3．雙蹤示波器一臺(tái)(公用)4．萬用表一只(公用)25四、實(shí)驗(yàn)任務(wù)

1．按圖示，將運(yùn)算器模塊與實(shí)驗(yàn)臺(tái)操作板上的線路進(jìn)行連接。由于運(yùn)算器模塊內(nèi)部的連線已由印制板連好，故接線任務(wù)僅僅是完成數(shù)據(jù)開關(guān)、控制信號(hào)模擬開關(guān)、與運(yùn)算器模塊的外部連線。注意：為了建立清楚的整機(jī)概念，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲心芰?，手工連線是絕對(duì)必要的。

2．用開關(guān)SW7一SW0向通用寄存器堆R1=內(nèi)的R0--R3寄存器置數(shù)。然后讀出R0—R3的內(nèi)容，在數(shù)據(jù)總線DBUS上顯示出來。

3．驗(yàn)證ALU的正邏輯算術(shù)、邏輯運(yùn)算功能。令DRl=55H，DR2=OAAH，Cn#=l。在M---0和M=I兩種情況下，令S3一S0的值從0000B變到1111B，列表表示出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果包含進(jìn)位C，進(jìn)位C由指示燈顯示。注意：進(jìn)位C是運(yùn)算器ALU最高位進(jìn)位Cn+4~的反，即有進(jìn)位為1，無進(jìn)位為0。26五、實(shí)驗(yàn)要求1．做好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，掌握運(yùn)算器的數(shù)據(jù)傳輸通路及其功能特性，并熟悉本實(shí)驗(yàn)中所用的模擬開關(guān)的作用和使用方法。2．寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，內(nèi)容是：(1)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?2)按實(shí)驗(yàn)任務(wù)3的要求，列表表示出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(3)按實(shí)驗(yàn)任務(wù)4的要求，在表中填寫各控制信號(hào)模擬開關(guān)值，以及運(yùn)算結(jié)果值。27六、實(shí)驗(yàn)步驟和結(jié)果（1）實(shí)驗(yàn)任務(wù)2的實(shí)驗(yàn)步驟和結(jié)果如下：（假定令R0=34H,R1=21H,R2=52H,R3=65H)

1、

置DP=1,DB=0,編程開關(guān)撥到正常位置.

接線表如下：數(shù)據(jù)通路WR0WR1RS0RS1SW_BUS#RS_BUS#LDRi電平開關(guān)K0K1K2K3K4K5K62、打開電源（以下是將34H,21H,52H,65H分別寫入R0,R1,R2,R3）3、置K0(WR0)=0,K1(WR1)=0,K4(SW_BUS#)=0,K5(RS_BUS#)=1,K6(LDRi)=1,SW7-SW0=34H.

在DBUS上將觀察到DBUS=34H.按QD按鈕,將34H寫入R0.

28（以下是在DBUS總線上顯示R0,R1,R2,R3的值）7、置K2(RS0)=0,K3(RS1)=0,K4(SW_BUS#)=1,K5(RS_BUS#)=0,K6(LDRi)=0.

在DBUS上將觀察到DBUS=34H.

8、置K2(RS0)=1,K3(RS1)=0,K4(SW_BUS#)=1,K5(RS_BUS#)=0,K6(LDRi)=0.

在DBUS上將觀察到DBUS=21H.

9、置K2(RS0)=0,K3(RS1)=1,K4(SW_BUS#)=1,K5(RS_BUS#)=0,K6(LDRi)=0.

在DBUS上將觀察到DBUS=52H.

10、置K2(RS0)=1,K3(RS1)=1,K4(SW_BUS#)=1,K5(RS_BUS#)=0,K6(LDRi)=0.

在DBUS上將觀察到DBUS=65H.

11、關(guān)斷電源，拆線

29實(shí)驗(yàn)電路原理分析

四個(gè)8位通用寄存器RD1,RD0選擇A端口讀出RS1,RS0選擇B端口讀出WR1,WR0選擇寫入寫入控制1允許八D觸發(fā)器暫存器1允許八D觸發(fā)器暫存器1允許1允許30（2）實(shí)驗(yàn)任務(wù)3的實(shí)驗(yàn)步驟和結(jié)果如下：1、

置DP=1,DB=0,編程開關(guān)撥到正常位置.接線表如下：數(shù)據(jù)通路WR0WR1RD0RD1RS0RS1

LDRi電平開關(guān)K0K1K2K3K4K5K6

數(shù)據(jù)通路LDDR1LDDR2S0S1S2S3M電平開關(guān)K7K7K8K9K10K11K12

數(shù)據(jù)通路ALU_BUS#SW_BUS#電平開關(guān)K13K14數(shù)據(jù)通路的信號(hào)Cn#接VCC312、打開電源(以下2條是向R0寫入55H,向R1寫入0AAH)3、置K0(WR0)=0,K1(WR1)=0,K6(LDRi)=1,K13(ALU_BUS#)=1,K14(SW_BUS#)=0.

置SW7-SW0為55H,按QD按鈕,將55H寫入R0.32R0寫入55H

K0=0K1=0K6=1K13=1K14=00101010101010101334、置K0(WR0)=1,K1(WR1)=0,K6(LDRi)=1,K13(ALU_BUS#)=1,K14(SW_BUS#)=0.

置SW7-SW0為0AAH,按QD按鈕,將0AAH寫入R1.

34R1寫入0AAH

K0=1K1=0K6=1K13=1K14=0101010101010101035

(以下1條是將R0寫入DR1,將R1寫入DR2)5、置K2(RD0)=0,K3(RD1)=0,K4(RS0)=1,K5(RS1)=0,K6(LDRi)=0,K7(LDDR1和LDDR2)=1.

按QD按鈕,將R0寫入DR1,將R1寫入DR2.這時(shí)DR1=55H,DR2=0AAH.

36將R0寫入DR155H將R1寫入DR2AAHK2=0K3=0K4=1K5=0K6=00101010110101010K7=1K7=137(以下2條是M=H時(shí)進(jìn)行邏輯運(yùn)算)6、置K6(LDRi)=1,K7(LDR1和LDR2)=0,K8(S0)=0,K9(S1)=0,K10(S2)=0,K11(S3)=0,

K12(M)=1,K13(ALU_BUS#)=0,K14(SW_BUS#)=1.在數(shù)據(jù)總線DBUS上觀察到邏輯運(yùn)算結(jié)果0AAH.

按QD按鈕,觀察到進(jìn)位C為0.

7、其他開關(guān)不變,只改變K8(S0),K9(S1),K10(S2),K11(S3)的設(shè)置,觀察其他15種邏輯運(yùn)算結(jié)果,

并按QD按鈕,觀察進(jìn)位C.

38M=H邏輯運(yùn)算K12（M)=1K6=10101010110101010K7=0K7=00000K13=0K14=11010101039M=H邏輯運(yùn)算K12（M)=1K6=10101010110101010K7=0K7=00001K13=0K14=1XXXXXXXX40(以下2條是M=L