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计算机组成实验报告

2.1算术逻辑运算单元实验

2.1.1实验目的

1、掌握简单运算器的数据传输方式

2、掌握74LS181的功能和应用

2.1.2实验要求

完成不带进位位算术、逻辑运算实验。

按照实验步骤完成实验项目，了解算术逻辑运算单元的运行过程。

2.1.3实验说明

2.1.3.1ALU单元实验构成（如图2-1-1）

1、运算器由2片74LS181构成8位字长的ALU单元。

2、2片74LS374作为2个数据锁存器（DR1、DR2），8芯插座ALU-IN作为数据输入端，可通过短8芯扁平电缆，把数据输入端连接到数据总线上。

3、运算器的数据输出由一片74LS244（输出缓冲器）来控制，8芯插座ALU-OUT作为数据输出端，可通过短8芯扁平电缆把数据输出端连接到数据总线上。

图2-1-1

图2-1-2

2.1.3.2ALU单元的工作原理（如图2-1-2）

数据输入锁存器DR1的EDR1为低电平，并且D1CK有上升沿时，把来自数据总线的数据打入锁存器DR1。

同样使EDR2为低电平、D2CK有上升沿时把数据总线上的数据打入数据锁存器DR2。

算术逻辑运算单元的核心是由2片74LS181组成，它可以进行2个8位二进制数的算术逻辑运算，74LS181的各种工作方式可通过设置其控制信号来实现（S0、S1、S2、S3、M、CN）。

当实验者正确设置了74LS181的各个控制信号，74LS181会运算数据锁存器DR1、DR2内的数据。

由于DR1、DR2已经把数据锁存，只要74LS181的控制信号不变，那么74LS181的输出数据也不会发生改变。

输出缓冲器采用74LS244，当控制信号ALU-O为低电平时，74LS244导通，把74LS181的运算结果输出到数据总线；当ALU-O为高电平时，74LS244的输出为高阻。

信号名称

作用

有效电平

EDR1

选通DR1寄存器

低电平有效

EDR2

选通DR2寄存器

低电平有效

D1CK

DR1寄存器工作脉冲

上升沿有效

D2CK

DR2寄存器工作脉冲

上升沿有效

S0~S3

74LS181工作方式选择

见附表

选择逻辑或算术运算

高电平为逻辑运算,低电平为算术运算

有无进位输入

高电平有效

CCK

进位寄存器的工作脉冲

上升沿有效

ALU-O

74LS181计算结果输出至总线

低电平有效

2.1.3.3控制信号说明

2.1.4实验步骤

实验一：

不带进位位逻辑或运算实验

把ALU-IN（8芯的盒型插座）与CPT-B板上的二进制开关单元中J01插座相连（对应二进制开关H16~H23），把ALU-OUT（8芯的盒型插座）与数据总线上的DJ2相连。

把D1CK和D2CK用连线连到脉冲单元的PLS1上，把EDR1、EDR2、ALU-O、S0、S1、S2、S3、CN、M接入二进制开关（请按下表接线）。

控制信号

接入开关位号

D1CK

PLS1孔

D2CK

PLS1孔

EDR1

H8孔

EDR2

H7孔

ALU-O

H6孔

H5孔

H4孔

H3孔

H2孔

H1孔

H0孔

按启停单元中的运行按钮，使实验平台处于运行状态。

二进制开关H16~H23作为数据输入，置33H（对应开关如下表）。

H23

H22

H21

H20

H19

H18

H17

H16

数据总线值

8位数据

33H

置各控制信号如下：

EDR1

EDR2

ALU-O

按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在D1CK上产生一个上升沿，把33H打入DR1数据锁存器，通过逻辑笔或示波器来测量确定DR1寄存器（74LS374）的输出端，检验数据是否进入DR1中。

二进制开关H16~H23作为数据输入，置55H（对应开关如下表）。

H23

H22

H21

H20

H19

H18

H17

H16

数据总线值

8位数据

55H

置各控制信号如下：

EDR1

EDR2

ALU-O

按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在D2CK上产生一个上升沿的脉冲，把55H打入DR2数据锁存器。

经过74LS181的计算，把运算结果（F=A或B）输出到数据总线上，数据总线上的LED显示灯IDB0~IDB7应该显示为77H。

实验结果截图：

实验二：

不带进位位加法运算实验

二进制开关H16~H23作为数据输入，置33H（对应开关如下表）。

H23

H22

H21

H20

H19

H18

H17

H16

数据总线值

8位数据

33H

置各控制信号如下：

EDR1

EDR2

ALU-O

二进制开关H16~H23作为数据输入，置55H（对应开关如下表）。

H23

H22

H21

H20

H19

H18

H17

H16

数据总线值

8位数据

55H

置各控制信号如下：

EDR1

EDR2

ALU-O

按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在D2CK上产生一个上升沿，把55H打入DR2数据锁存器。

经过74LS181的计算，把运算结果（F=A加B）输出到数据总线上，数据总线上的LED显示灯IDB0~IDB7应该显示为88H。

实验结果截图：

2.2通用寄存器单元实验

2.2.1实验目的

了解通用寄存器的组成和硬件电路，利用通用寄存器实现数据的置数、左移、右移等功能。

2.2.2实验要求

按照实验步骤完成实验项目，实现通用寄存器移位操作。

了解通用寄存器单元的工作原理运用。

2.2.3实验说明

2.2.3.1寄存器实验构成：

（如图2-2-1）

通用寄存器由2片GAL16V8构成8位字长的寄存器单元。

8芯插座RA-IN作为数据输入端，可通过短8芯扁平电缆，把数据输入端连接到数据总线上。

数据输出由一片74LS244（输出缓冲器）来控制。

用8芯插座RA-OUT作为数据输出端，可通过短8芯扁平电缆，把数据输出端连接到数据总线。

判零和进位电路由1片GAL、1片7474和一些常规芯片组成，用2个LED（ZD、CY）发光管分别显示其状态。

其中ZD为判零位显示灯,CY为进位位显示灯。

2.2.3.2通用寄存器单元的工作原理：

（图2-2-2）

通用寄存器单元的核心部件为2片GAL16V8，它具有锁存、左移、右移、保存等功能。

各个功能都由X1、X2信号和工作脉冲RACK来决定。

当置ERA=0、X0=1、X1=1，RACK有上升沿时，把总线上的数据打入通用寄存器。

可通过设置X0、X1来指定通用寄存器工作方式，通用寄存器的输出端Q0~Q7接入判零电路。

LED（ZD）亮时，表示当前通用寄存器内数据为0。

输出缓冲器采用74LS244，当控制信号RA-O为低时，74LS244开通，把通用寄存器内容输出到总线；当RA-O为高时，74LS244的输出为高阻。

GAL方程如下：

Clk,OEpin1,11;

A,B,C,Dpin3,4,5,6;

QA,QB,QC,QDpin18,17,14,13;

S0,S1,SIL,SIRpin8,9,2,7;

Q=[QD,QC,QB,QA];

I=[D,C,B,A];

SL=[QC,QB,QA,SIL];

SR=[SIR,QD,QC,QB];

equations

=S0&S1&I

#S0&!

S1&SR

S0&S1&SL

S0&!

S1&Q;

图2-2-2

2.2.3.3控制信号说明

信号名称

作用

有效电平

X0、X1

通用寄存器的工作模式

见附表

ERA

选通通用寄存器

低电平有效

RA-O

通用寄存器内容输出至总线

低电平有效

RACK

通用寄存器工作脉冲

上升延有效

在ALU单元中作为逻辑和算术运算的选择。

在本实验中决定是否带进位移位

0带进位

1不带进位

2.2.4实验步骤

实验一：

数据输入通用寄存器

把RA-IN（8芯的盒型插座）与CPT-B板上二进制开关单元中的J01插座相连（对应二进制开关H16~H23），把RA-OUT（8芯的盒型插座）与数据总线上的DJ6相连。

把RACK连到脉冲单元的PLS1，把ERA、X0、X1、RA-O、M接入二进制拨动开关。

（请按下表接线）。

控制信号

接入开关位号

RACK

PLS1孔

H12孔

H11孔

ERA

H10孔

RA-O

H9孔

H4孔

二进制开关H16~H23作为数据输入，置42H（对应开关如下表）。

H23

H22

H21

H20

H19

H18

H17

H16

数据总线值

8位数据

42H

置各控制信号如下：

H12

H11

H10

ERA

RA-O

按启停单元中的运行按钮，置实验平台为运行状态。

按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在RACK上产生一个上升沿，把42H打入通用寄存器。

此时数据总线上的指示灯IDB0~IDB7应该显示为42H。

由于通用寄存器内容不为0，所以LED（ZD）灯灭。

实验结果截图：

实验二：

寄存器内容无进位位左移实验

按照实验1数据输入的方法把数据42H打入通用寄存器中，数据总线上显示42H。

实现左移功能，置各控制信号如下：

H12

H11

H10

ERA

RA-O

按启停单元中的运行按钮，置实验平台为运行状态。

按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在RACK上产生一个上升沿，使通用寄存器中的值左移。

此时数据总线上的LED指示灯IDB0~IDB7应该显示为84H。

由于通用寄存器内容不为0，所以ZD（LED）灯灭。

按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，使通用寄存器中的值左移，此时数据总线上的LED指示灯IDB0~IDB7应该显示为09H。

若一直按PLS1，在总线上将看见数据循环左移的现象。

实验结果截图：

实验三：

寄存器内容无进位位右移实验

按照实验1数据输入的方法把数据42H打入通用寄存器中，数据总线上显示42H。

实现右移功能，置各控制信号如下：

H12

H11

H10

ERA

RA-O

按启停单元中的运行按钮，置实验平台为运行状态。

按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在RACK上产生一个上升沿，使通用寄存器中的值右移。

此时数据总线上的LED指示灯IDB0~IDB7应该显示为21H。

由于通用寄存器内容不为0，所以ZD（LED）灯灭。

按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，使通用寄存器中的值右移，此时数据总线上的LED指示灯IDB0~IDB7应该显示为90H。

若一直按PLS1，在总线上将看见数据循环左移的现象。

实验结果截图：

2.4存储器和总线实验

2.4.1实验目的

熟悉存储器和总线的硬件电路

2.4.2实验要求

按照实验步骤完成实验项目，熟悉存储器的读、写操作，理解在总线上数据传输的方法。

2.4.3实验说明

2.4.3.1存储器和总线的构成

总线由1片74LS245、1片74LS244组成，把整个系统分为内部总线和外部总线。

2片74LS374锁存当前的数据、地址总线上的数据以供LED显示。

（如图2-4-1）存储器采用静态1片RAM（6264）。

存储器的控制电路由1片74LS32和74LS08组成。

（如图2-4-2）

图2-4-1图2-4-2

2.4.3.2存储器和总线的原理

1、总线的原理：

由于本系统内使用8根地址线、8根数据线，所以使用1片74LS245作为数据总线，另1片74LS244作为地址总线（见图2-4-3）。

总线把整个系统分为内部数据、地址总线和外部数据、地址总线，由于数据总线需要进行内、外部数据的交换，所以由BUS信号来控制数据的流向，当BUS=1时数据由内到外，当BUS=0时，数据由外到内。

图2-4-3

2、由于本系统内使用8根地址线、8位数据线，所以6264的A8~A12接地，其实际容量为256个字节（如图2-4-4）。

6264的数据、地址总线已经接在总线单元的外部总线上。

存储器有3个控制信号：

地址总线设置存储器地址，RM=0时，把存储器中的数据读出到总线上；当WM=0，并且EMCK有一个上升沿时，把外部总线上的数据写入存储器中。

为了更方便地编辑内存中的数据，在实验平台处于停机状态时，可由监控来编辑其中的数据。

图2-4-4

2.4.3.3控制信号说明

信号名称

作用

有效电平

BUS

总线方向选择

6264的读允许信号

低电平有效

6264的写允许信号

低电平有效

EMCK

6264的写入脉冲信号

上升沿有效

监控对6264的读允许信号

低电平有效

监控对6264的写允许信号

低电平有效

M/C

监控选择程序空间或微程序空间

2.4.4实验步骤

实验一：

存储器的写操作

把内部地址总线AJ1（8芯盒形插座）与CPT-B板上的二进制开关单元中J03插座相连（对应二进制开关H0~H7），把内部数据总线DJ8与CPT-B板上的J02插座相连（对应二进制开关H8~H15）。

把EMCK连到脉冲单元的PLS1，WC、RC、BUS接入二进制的开关中。

（请按下表接线）。

信号定义

接入开关位号

EMCK

PLS1孔

H22孔

H21孔

BUS

H21孔

按启停单元中的运行按钮，置实验平台为运行状态。

二进制开关H0~H7作为地址（A0~A7）输入，置05H（对应开关如下表）。

数据总线值

8位数据

05H

二进制开关H8~H15作为数据（D0~D7）输入，置88H（对应开关如下表）。

H15

H14

H13

H12

H11

H10

数据总线值

8位数据

88H

置各控制信号如下：

H22

H21

RM、BUS

按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在EMCK上产生一个上升沿，数据从内部数据总线流向外部数据总线，将数据88H写入地址为05H的存储单元。

实验结果截图：

实验二：

读存储器的数据到总线上

在做好实验1的基础上，保持电源开启和线路连接不变，只拔掉内部数据总线DJ8与CPT-B板上的J02插座（对应二进制开关H8~H15）的连接。

按启停单元中的运行按钮，置实验平台为运行状态。

二进制开关H0~H7作为地址（A0~A7）输入，置05H（对应开关如下表）

数据总线值

8位数据

05H

置各控制信号如下：

H22

H21

RM、BUS

按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在EMCK上产生一个上升沿，数据从外部数据总线流向内部数据总线，将存储器55H单元中的内容输出，应该为实验1中的写入的数据88H。

此时数据总线上的指示灯IDB0~IDB7显示结果88H。

实验结果截图：

2.5堆栈寄存器实验

2.5.1实验目的

1、熟悉堆栈概念

2、熟悉堆栈寄存器的组成和硬件电路

2.5.2实验要求

按照实验步骤完成实验项目，对4个堆栈寄存器进行读出、写入数据操作。

2.5.3实验说明

2.5.3.1堆栈寄存器组实验构成（图2-5-1）

本系统内有4个寄存器R0~R3，寄存器组由4个74LS374组成，由1片74LS139（2-4译码器）来选择4个74LS374，并且由2片74LS32来组成控制线。

8芯插座R-IN、R-OUT作为数据输入、输出端，可通过短8芯扁平电缆把数据输入、输出端连接到数据总线上。

图2-5-1

2.5.3.2堆栈寄存器组原理（图2-5-2）

由SA、SB两根控制线通过74LS139译码来选择4个寄存器（74LS374）。

当WR＝0时，表示数据总线向寄存器写入数据，RCK为寄存器的工作脉冲，在有上升沿时把总线上数据打入74LS139选择的那个寄存器。

当RR=0时，74LS139所选择的寄存器上的数据输出至数据总线。

在本系统内使用了WR=0作为写入允许，RCK信号为上升沿时打入数据、RR=0时数据输出。

图2-5-2

2.5.3.3控制信号说明：

信号名称

作用

有效电平

SA、SB

选通寄存器

低电平有效

数据读出允许

低电平有效

数据写入允许

低电平有效

RCK

寄存器写入脉冲

上升沿有效

2.5.4实验步骤

实验一：

对4个寄存器进行写入操作

将R-IN（8芯盒形插座）与CPT-B板上的二进制开关单元中J03插座相连（对应二进制开关H0~H7），R-OUT可通过短8芯扁平电缆与数据总线上DJ4相连。

把RR、WR、SA、SB接入二进制拨动开关（SA，SB借用X0，X1的H12，H11孔），把RCK连到脉冲单元的PLS1。

（请按下表接线）。

信号定义

接入开关位号

RCK

PLS1孔

H15孔

H14孔

H12孔

H11孔

1、把数据写入寄存器R0

二进制开关H0~H7作为数据（D0~D7）输入，置11H（对应开关如下表）

数据总线值

8位数据

11H

按启停单元中的运行按钮，置实验平台为运行状态。

置WR=0、RR=1、SB=0、SA=0（对应开关如下表）。

H15

H14

H12

H11

按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在RCK上产生一个上升沿的脉冲，把11H打入R0寄存器。

实验结果截图：

2、把数据写入寄存器R1

置二进制开关H0~H7（D0~D7）为22H，各控制信号对应开关如下表。

H15

H14

H12

H11

按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在RCK上产生一个上升沿的脉冲，把22H打入R1寄存器。

实验结果截图：

3、把数据写入寄存器R2

置二进制开关H0~H7（D0~D7）为33H，各控制信号对应开关如下表。

H15

H14

H12

H11

按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在RCK上产生一个上升沿的脉冲，把33H打入R2寄存器。

同理：

置二进制开关H0~H7为44H，RR=1WR=0、SA=1、SB=1，在RCK脉冲作用下把44H打入R3寄存器。

实验结果截图：

实验二：

对4个寄存器进行读出操作

置WR=1、RR=0、SB=0、SA=0（对应开关如下表）。

此时把寄存器R0数据读出总线数据IDB0~IDB7指示灯将显示11H。

保持RR、WR的值不变（RR=0，WR=1），可通过分别设置SB、SA为10、01、11把R1，R2，R3中的值显示在总线上。

观察寄存器输出的数据是否与上实验中写入的数据相同。

H15

H14

H12

H11

2.6微程序控制单元实验

2.6.1实验目的

1、熟悉微程序控制器的原理

2、掌握微程序编制、写入并观察运行状态

2.6.2实验要求

按照实验步骤完成实验项目，掌握设置微地址、微指令输出的方法

2.6.3实验说明

2.6.3.1微程序控制单元的构成：

（如图2-6-1）

8位微地址寄存器由2片74LS161组成；3片6264（3*8位）为微程序存储器；24位微指令锁存器由3片74LS374组成。

图2-6-1

2.6.3.2微程序控制单元原理：

（如图2-6-2）

由于本系统中指令系统规模不大、功能较简单，微指令可以采用全水平、不编码的方式，每一个微操作控制信号由1位微代码来表示，24位微代码至少可表示24个不同的微操作控制信号。

如要实现更多复杂的操作可通过增加一些译码电路来实现。

增量方式来控制微代码的运行顺序，每一条指令的微程序连续存放在微指令存储器连续的单元中。

每一指令的微程序的入口地址是通过对指

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