计算机组成与系统结构实验指导书.docx
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计算机组成与系统结构实验指导书
《计算机组成与系统结构》实验指导书
内蒙古工业大学信息工程学院计算机系
2005年10月
第一部分实验系统介绍
1.1实验系统简介
实验系统采用北京清大数电科教仪器中心的“计算机组成原理与系统结构实验仪”，它由三大部分组成，即由单板方式下的硬件计算机组成原理实验部分、系统机监控管理控制部分和EDA及数字电子设计实验部分等组成。
由于系统的模块化，学生可通过一系列积木式实验，对CPU内部的运算功能，控制功能，总线结构，指令系统的设计和微指令的实现以及CPU内部如何工作有直观、深刻的认识。
在各项实验的基础上，通过自己设计并实现一台模型机的运行，从而对计算机的原理、结构、从部件到各系统、直到整机有一个形象生动的本质上的认识。
有利于培养学生的动手能力，创造性分析问题和解决问题的能力。
计算机组成原理与系统结构实验仪布局框图：
图1布局框图
系统提供31个按键及31按键指示灯，8个数据指示灯，8个地址指示灯，8个PC地址指针指示灯和5位微地址指示LED显示，向用户提供多种工作方式及最佳的观察效果。
实验仪有两种工作方式,其一是工作在单板方式,通过按钮开关及发光二极管以二进制数码形式进行手动单元实验。
以按键盘、LED显示作为操作平台，用十六进制数码形式进行按键式单元实验。
通过按键及LED显示可直接输入或装配用户模型机程序（机器程序和微控制程序），系统具备单步一条微指令、单步一条机器指令、连续运行程序等常规调试命令。
其二是工作在系统方式,用户可以使用系统机、通过所提供的软件调试环境，由系统机直接模拟单板方式下的工作环境。
包括31个按键及31按键指示灯，8个数据指示灯，8个地址指示灯，8个PC地址指针指示灯和5位微地址指示LED显示，进行各种实验。
1.2实验系统结构：
1.实验仪的总体结构框图：
图2总体结构框图
2.逻辑开关和电平显示电路图：
有31个逻辑开关AN1～AN31和31个电平显示电路,ANI输出对应于开关设置的相应逻辑值，开关按下时为逻辑“1”，常态时为逻辑“0”状态。
当输入端接高电平时发光管点亮；当输入端接低电平时发光管熄灭。
其对电路图:
图3逻辑开关和电平显示电路图
3.3个单脉冲电路图：
图4单脉冲电路图
每个电路的输出对应于2个输出端P＋，P－。
每按一次按钮，在相应的输出端输出正，负脉冲各1个。
4.时钟电路图：
提供一组方波信号发生器，输出频率F0为250KHZ，F1为500KHZ，F2为1MHZ，F3为2MHZ。
此方波信号为实验时钟及产生时序信号的时钟。
图5时钟电路图
5.时序发生器及启停电路图：
图6时序发生器及启停电路图
MF为时钟输入端，时钟频率可从F0－F3中选择一个。
TJ，DP为单步停机控制信号，当其中1个或2个都为高电平“1”时，此时，时序发生器处于停机或单步状态。
即：
每按一次启动按钮P0（P0和/P0已接入）产生一拍时序信号T1，T2，T3，T4。
当TJ，DP都为低电平时，按一次启动按钮P0，产生连续时序信号，CLR接P2作清除按钮。
连续输出时序波形如图7所示。
T1，T2，T3，T4有两组输出信号，以提高负载能力。
图7连续输出时序波形图
6.管理CPU控制器工作原理图：
本实验仪设计了管理CPU,目的将学生在单板方式下所做的实验结果及内容，通过管理CPU在系统机上显示出来。
同时又可以通过系统机提供的实验调试平台直接控制目标实验机进行各种实验。
图8管理CPU控制器工作原理图
所提供的系统平台，无论是按键按钮、状态灯、数据总线的执行情况、地址总线的执行情况、运算器的工作状态、执行结果和脉冲信号的产生，都使用与实际视觉效果相对应的图标表示出来。
图9系统机上显示的界面
7.运算器部分电路图：
图10运算器部分电路图
8.存储器实验原理图
图11存储器电路图
9.八位数据通道原理图
图12八位数据通道电路图
10.微控制器实验原理图
图13微控制器电路图
11.微指令流程图
图14微指令流程图
第二部分实验指导
2.1实验前注意事项
1、总线上只能有一个控制信号（/ALU－BUS、/SW－BUS、CE、/R0－BUS、/R1－BUS、/R2－BUS、/PC－BUS之一）如果有两个或两个以上控制信号同时为“0”，会产生总线竞争而出现错误。
注意每一次操作时均要先使本次步骤不用的总线控制信号为“1”（无效），再置用到的总线控制信号为“0”。
每个实验均同。
2、在做运算器实验、存储器实验、数据通路实验时，如果使用系统方式,必须将单板与系统方式开关都置成系统方式位置。
3、在做微控制器实验时，如果用系统方式进行实验，则必须按下列步骤进行：
a、将方式开关都置成系统方式位置。
b、将方式开关S3、S2、S1、S0、M、/CN、LDAR、CE、WE、LDDR1、LDDR2、SW－BUS、ALU－BUS、LDPC、LOAD、PC－BUS、R0－BUS、LDIR、LDR0、LDR1、LDR2、IR7、IR6、IR5、R1－BUS、R2－BUS设置成单板方式。
c、微控制器实验时将开关J1的右侧两个脚连接。
做综合实验时应将开关J1的左侧两个脚相连。
d、进行微程序控制器实验时必须用控制总线即使用26芯的平行线将UBIN与UPCOUT连接起来。
2.2控制信号引脚定义及说明
本实验仪输入输出信号引线通过线路板已连接到插头座上。
1．UA4－UA0微程序控制器的微地址输出信号，UA4为高位，UA0为低位。
此信号已接有指示灯，可监视地址变化。
2．IR7－IR5指示寄存器的IR7，IR6，IR5输出信号，输入至微程序控制器修改地址信号。
3．F0－F3时钟源输出信号端，F0输出频率为250KHZ，F1输出频率为500KHZ，F2输出频率为1MHZ，F3输出频率为2MHZ。
4．T1－T4时序信号发生器提供的4个标准时序输出信号，可以采用单拍或连续两种方式输出。
5．S3，S2，S1，S0有微程序控制器输出的ALU操作选择信号，以控制执行16种算术操作或16种逻辑操作中的一种操作。
6．M微程序控制器输出的ALU操作方式选择信号端，M＝0执行算术操作；M＝1执行逻辑操作。
7．/CN微程序控制器输出的进位标志信号。
/CN＝0表示ALU运算时最低位加进位1；/CN＝1则表示无进位。
8．SWE微程序控制器的微地址修改信号。
SWE已接逻辑开关，先按下CLR清零键，使微地址为全0时，将逻辑开关从“1”－“0”－“1”（相当于负脉冲），微地址修改为10000使机器处于写RAM的微程序。
9．SRD微程序控制器的微地址修改信号。
SRD已接逻辑开关，先按下CLR清零键，使微地址为全0时，将逻辑开关从“1”－“0”－“1”（相当于负脉冲），微地址修改为01000使机器处于读RAM的微程序。
10．CLR清零信号输入端，已连接单次脉冲P2按键中任一个。
11．LDAR微程序控制器的输入信号，将程序计数器的内容打入到地址寄存器AR中，产生RAM的地址。
12．CE微地址控制器输出的RAM片选信号，CE＝0时RAM6116被选中。
13．WE微程序控制器输出的RAM读写控制信号。
当CE＝0时，如果WE＝0为存储器读；如果WE＝1为存储器写。
14．LDPC微程序控制器输出的PC加1信号。
15．LOAD微程序控制器的输出信号。
LOAD＝0时，PC程序计数器处于并行置数状态；LOAD＝1时，PC处于计数状态。
16．ALU－BUS微程序控制器的输出信号，控制运算器的运算结果是否送到总线BUS，低电平有效。
17．PC－BUS微程序控制器的输出信号，控制程序计数器的内容是否送到总线BUS，低电平有效。
18．R0－BUS微程序控制器的输出信号，控制寄存器R0的内容是否送到总线BUS，低电平有效。
19．SW－BUS微程序控制器的输出信号，控制8位数据开关SW7－SW0的开关量是否送到总线，低电平有效。
20．LDR0微程序控制器的输出信号，控制把总线上的数据打入寄存器R0。
21．LDDR1微程序控制器的输出信号，控制把总线上的数据打入运算暂存器DR1。
22．LDDR2微程序控制器的输出信号，控制把总线上的数据打入运算暂存器DR2。
23．LDIR微程序控制器的输出信号，控制把总线上的数据（指令）输入到指令寄存器IR中。
24．P
（1）微程序控制器的输出的修改地址P
（1）标志信号。
用于机器指令的微程序分支测试。
25．UP微程序控制器的微地址寄存器输出控制信号，UP＝0微地址信号输出。
26．MF时序发生器的时钟输入端，从F0，F1，F2，F3中选一个。
27．P0，P0时序发生器启动控制信号，按一次P0时，时序发生器可输出一拍（单拍）或连续时序信号T1，T2，T3，T4。
28．TJ，DP时序发生器的停机单步控制信号端。
当DP为低电平时，按一次P0按键，产生连续时序信号T1，T2，T3，T4。
当DP为高电平时，时序发生器处于单拍状态，按一次P0，产生一拍（单拍）时序信号T1，T2，T3，T4。
TJ信号端已连接到微程序控制器产生的“自动停机”控制信号端。
29．P0，/P0，P1，/P1，P2，/P2单次脉冲（按键）输出端。
P为正脉冲，/P为负脉冲。
30．D7－D0八位数据通路的8条总线，D7为高位，D0为低位。
31．CN＋4ALU的进位输出端，CN＋4＝0表示运算后进位输出。
32．A7－A0存贮器RAM的地址输入信号，A7为高位，A0为低位。
33．SW7－SW0八位数据输入端，在SW－BUS有效时，将八位数据输入到总线。
34．R0-BUS控制发送数据信号，将寄存器R0的数据发送到总线上，低电平有效。
35．R1-BUS控制发送数据信号，将寄存器R1的数据发送到总线上，低电平有效。
36．LDR1控制接收数据信号，将总线上的数据打入到寄存器R1。
37．R2-BUS控制发送数据信号，将寄存器R2的数据发送到总线上，低电平有效。
38．LDR2控制接收数据信号，将总线上的数据打入到寄存器R2。
39．PC7－PC0程序计数器PC输出信号端，PC7为高电平，PC0为低电平。
此信号已连接到逻辑电平指示灯上，以监视PC值变化。
40．LDPC程序计数器PC计数控制信号，LDPC＝1时，在时序信号上升沿到来时，程序计数器PC地址加1。
2.3实验指导
实验一、时序与启停实验
一、实验目的
了解实验系统的基本组成，掌握时序电路与启停电路的工作原理。
二、实验要求
通过时序电路的启动了解以单步、连续方式运行时序电路的过程，观察T1、T2、T3、T4各点的时波形。
要求实验前预习，实验中记录和分析结果，实验后完成实验报告。
三、实验设备
计算机组成原理与体系结构实验系统一台，连接电缆和排线若干。
四、实验原理
实验所用的时序与启停电路原理如图6所示。
其中时序电路由1/2片74LS74、1片74LS175及6个二输入与门、2个二输入与非门和3个反向器构成。
可产生4个等间隔的时序信号T1－T4，其中MF为时钟输入端，时钟频率可从F0－F3中选择一个。
由位于实验装置左下方的方波信号源提供。
为了便于控制程序的运行，时序电路发生器也设置了一个启停控制触发器CR，使T1－T4信号输出可控。
图6中启停电路由1/2片74LS74、74LS00及1个二输入与门构成。
五、实验内容
学生可根据实验自行选择方波信号的频率。
TJ，DP为单步停机控制信号，当其中1个或2个都为高电平“1”时，此时，时序发生器处于停机或单步状态。
即每按一次启动按钮P0（P0和/P0；实验时需用导线将MF－OUT与MF连接起来）产生一拍时序信号T1，T2，T3，T4。
当TJ，DP都为低电平时，按一次启动按钮P0，产生连续时序信号，CLR接P2作清除按钮。
连续输出时序波形如图7所示。
T1，T2，T3，T4有两组输出信号，以提高负载能力。
因此时序信号T1－T4将周而复始地发送出去。
如果实验系统处于系统方式下，当进入“单步”方式命令键时管理CPU令“TJ、DP”处于单步控制方式，机器便处于单步运行状态，即此时只发送一个CPU周期的时序信号就停机。
利用单步方式，每次只读一条微指令，可以观察微指令的代码与当前微指令的执行结果。
另外当机器连续运行时，如果按动“停机方式”命令键管理CPU令工作方式处于停机状态，也会使机器停机。
实验二、运算器实验
一、实验目的
掌握简单运算器的数据传输方式，验证运算功能发生器〔74LS181〕及进位控制的组合功能。
二、实验要求
完成不带进位及带进位算术运算实验、逻辑运算实验，了解算术逻辑运算单元的运用。
要求实验前预习，实验中记录和分析结果，实验后完成实验报告。
三、实验设备
计算机组成原理与体系结构实验系统一台，连接电缆和排线若干。
四、实验原理
实验所用的运算器电路原理如图10所示。
运算器实验是在ALUUNIT单元电路上进行，在单板方式下控制信号，数据，时序信号有实验仪的逻辑开关电路和时序发生器提供；在系统方式下其控制信号由系统机实验平台可视化软件通过管理CPU来进行控制。
在单板方式下SW7－SW0八个逻辑开关用于产生数据，并发送到总线上。
在系统方式下该八个逻辑开关由可视化实验平台提供数据信号。
DR1，DR2为运算暂存器，LDDR1，LDDR2为运算暂存器的输入控制信号，将总线上的数据输入到暂存器DR1，DR2；通过S3，S2，S1，S0M/CN的选择，可实现对ALU算术操作和逻辑操作。
在ALU－BUS控制信号作用下将运算结果送到总线BUS上。
实验时，实验电路图连线已连好，只需根据表1步骤进行实验。
S3，S2，S1，S0，M，/CN,LDDR1,LDDR2,ALU-BUS,SW-BUS信号，本次实验中这些控制信号与对应逻辑开关都已接好，由逻辑开关模拟这些控制信号。
LDDR1，LDDR2由T4信号进行定时控制。
当T4信号上升沿到来时，LDDR1，LDDR2才起作用。
五、实验步骤
实验前首先确定实验方式（是手动方式还是系统方式），如果在做手动方式实验则将方式选择开关置手动方式位置（31个开关状态置成单板方式）。
实验箱已标明手动方式和系统方式标志。
所有的实验均由手动方式来实现。
如果用系统方式，则必须将系统软件安装到系统机上。
将方式标志置系统模式位置。
学生所做的实验均在系统机上完成。
其中包括高低电平的按钮开关信号输入，状态显示均在系统机上进行。
下面实验以手动方式为例进行。
我们相信学生在手动方式下完成各项实验后，进入系统方式会变的更加得心应手。
具体步骤如下：
1．实验前应将MF－OUT输出信号与MF相连接。
2．如果进行单板方式状态实验，应将开关方式状态设置成单板方式；同时将位于EDA设计区一上方P0K开关设置成手动方式位置，P1K，P2K开关位置均设置成手动方式位置。
3．如果进行系统方式调试，则按上述方式相反状态设置。
4．频率信号输出设置：
在CPU1UNIT区有四个f0-f4状态设置，在进行实验时应保证f0-f4四个信号输出只能有一个信号输出，及f0-f4只有一开关在On的位置。
5．不管是手动方式还是系统方式，31个按钮开关初始状态应为“1”即对应的指示灯处于发光的状态。
6．位于UPCUNIT区的J1跳线开关应在右侧状态。
说明：
开关AL－BUS；SW－BUS标识符应为“/AL-BUS;/SW-BUS”
注意事项：
AL－BUS；SW－BUS不能同时按下；因为同时按下会发生总线冲突，损坏器件。
运算器实验时，把与T4信号相关而本实验不用的LDR0，LDR1，LDR2接低电平，否则影响实验结果。
实验前把TJ，DP对应的逻辑开关置成11状态（高电平输出），并预置下列逻辑电平状态：
/ALU－BUS＝1，/PC－BUS＝1，R0－BUS＝1，R1－BUS＝1，R2－BUS＝1时序发生器处于单拍输出状态，实验是在单步状态下进行DR1，DR2的数据写入及运算，以便能清楚地看见每一步的运算过程。
进行系统方式实验时应注意如下几点：
实验前应将MF-OUT输出信号与MF相连接。
1、检查通讯电缆是否与计算机连接正确。
2、开关方式状态应置成系统方式；（31个开关）。
3、P0K、P1K、P2K都置成系统方式；
信号连接线必须一一对应连接好。
即在实验机左上方的信号接口与实验机右下方的信号接口分别一一对应连接。
这些信号连接线包括：
地址指针、数据总线、运算暂存器DR1、运算暂存器DR2、微地址。
检查完毕方可以通电。
实验步骤按表1进行，实验时，对表中的逻辑开关进行操作置1或清0，在对DR1，DR2存数据时，按单次脉冲P0（产生单拍T4信号）。
表1中带X的为随机状态，无论是高电平还是低电平，它都不影响运算器的运算操作。
总线D7－D0上接电平指示灯，显示参与运算的数据结果。
带“↑”的地方表示需要按一次单次脉冲P0，无“↑”的地方表示不需要按单次脉冲P0。
根据实验结果记录表中带有下划线的空白项，在实验报告中分析纪录结果。
表1运算器实验步骤与显示结果表
S3S2S1S0
M
/Cn
LDDR1
LDDR2
SW→
BUS
AL→
BUS
SW7―SW0
D7－
D0
P0
注释
XXXX
X
X
0
0
0
1
55H
55H
XXXX
X
X
0
0
0
1
AAH
AAH
XXXX
X
X
1
0
0
1
55H
55H
↑
向DR1送数
XXXX
X
X
0
1
0
1
AAH
AAH
↑
向DR2送数
1111
1
X
0
0
1
0
XXH
读出DR1数
1010
1
X
0
0
1
0
XXH
读出DR2数
XXXX
X
X
1
0
0
1
AAH
↑
向DR1送数
XXXX
X
X
0
1
0
1
55H
↑
向DR2送数
0000
0
1
0
0
1
0
XXH
算术运算
0000
0
0
0
0
1
0
XXH
算术运算
0000
1
X
0
0
1
0
XXH
逻辑运算
0001
0
1
0
0
1
0
XXH
算术运算
0001
0
0
0
0
1
0
XXH
算术运算
0001
1
X
0
0
1
0
XXH
逻辑运算
0010
0
1
0
0
1
0
XXH
算术运算
0010
0
0
0
0
1
0
XXH
算术运算
0010
1
X
0
0
1
0
XXH
逻辑运算
0011
0
1
0
0
1
0
XXH
算术运算
0011
0
0
0
0
1
0
XXH
算术运算
0011
1
X
0
0
1
0
XXH
逻辑运算
实验三、存贮器实验
一、实验目的
熟悉存储器的组成和存储器的读写过程，学习在教学实验系统上调试存储器读写的基本步骤及方法。
二、实验要求
分别用手动方式和系统方式将一些数据写入到RAM6116中，然后读出所写的数据并比较。
要求实验前预习，实验中记录和分析结果，实验后完成实验报告。
三、实验设备
计算机组成原理与体系结构教学系统一台，连接电缆和排线若干。
四、实验原理
实验所用的存储器电路原理如图11所示。
存贮器实验电路由RAM（6116），AR（74LS273）等组成。
SW7－SW0为逻辑开关量，与产生地址和数据；寄存器AR输出A7－A0提供存贮器地址，通过显示灯可以显示地址，D7－D0为总线，通过显示灯可以显示数据。
当LDAR为高电平，SW－BUS为低电平，T3信号上升沿到来时，开关SW7－SW0产生的地址信号送入地址寄存器AR。
当CE为低电平，WE为高电平，SW－BUS为低电平，T3上升沿到来时，开关SW7－SW0产生的数据写入存贮器的存贮单元内，存贮器为读出数据，D7－D0显示读出数据。
实验中，除T3信号外，CE，WE，LDAR，SW－BUS为电位控制信号，因此通过对应开关来模拟控制信号的电平，而LDAR，WE控制信号受时序信号T3定时。
五、实验步骤
（在完成一个实验后，应将所有的信号状态置成“1”高电平状态）
实验前将TJ，DP对应的逻辑开关置成11状态（高电平输出），使时序发生器处于单拍输出状态，每按一次P0输出一拍时序信号，实验处于单步状态，并置ALU－BUS＝1。
实验步骤按表2进行，实验对表中的开关置1或清0，即对有关控制信号置1或清0。
表格中只列出了存贮器实验步骤中的一部分，即对几个存贮器单元进行了读写，其它单元的步骤同表格相同。
表中带↑的地方表示需要按一次单次脉冲P0。
注意：
表中列出的总线显示D7－D0及地址显示A7－A0，显示情况是：
在写入RAM地址时，由SW7－SW0开关量地址送至D7－D0，总线显示SW7－SW0开关量，而A7－A0则显示上一个地址，在按P后，地址才进入RAM，即在单次脉冲（T3）作用后，A7－A0同D7－D0才显示一样。
根据实验结果记录表中带有下划线的空白项，在实验报告中分析纪录结果。
表2存贮器实验步骤显示结果表
SW→BU
LDAR
CE
WE
SW7－SW0
D7－D0
P0
A7－A0
注释
0
1
1
1
00H
00H
↑
00H
地址00写入AR
0
0
0
1
00H
00H
↑
00H
数据00写入RAM
0
1
1
1
10H
10H
↑
10H
地址10写入AR
0
0
0
1
10H
↑
数据10写入RAM
0
1
1
1
00H
↑
地址00写入AR
1
0
0
0
00H
↑
读RAM
0
1
1
1
10H
↑
地址10写入AR
1
0
0
0
10H
↑
读RAM
0
1
1
1
40H
↑
地址40写入AR
0
0
0
1
FFH
↑
数据FF写入RAM
0
1
1
1
42H
↑
地址42写入AR
0
0
0
1
55H
↑
数据55写入RAM
0
1
1
1
44H
↑
地址44写入AR
0
0
0
1
AAH
↑
数据AA写入RAM
0
1
1
1
40H
↑
地址40写入AR
1
0
0
0
40H
↑
读RAM内容
0
1
1
1
42H
↑
地址42写入AR
1
0
0
0
42H
↑
读RAM内容
0
1
1
1
44H
↑
地址44
升级会员 