计算机组成原理与系统结构实验学生指导书.docx
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计算机组成原理与系统结构实验学生指导书
实验七微程序控制器实验21
实验一系统认识实验
一、实验目的
1．搭建并操作一个最基本的模型计算机。
2．建立对计算机组成及其原理的基本认识。
二、实验设备
1．TDN-CM+或TDN-CM++教学实验系统一套。
2．PC微机一台。
三、实验原理
1．一台简单模型计算机的结构
为了更好地理解计算机的各组成部件是如何相互配合进行工作的，我们将设计一个最基
本的模型计算机。
根据前面小节的知识，我们将算术逻辑运算器、控制器、寄存器、部总
线等部件搭接起来构成一个CPU，然后再加上存储器、输入设备、输出设备即构成一台完整的模型计算机。
其逻辑框图见图1.4-1。
其中ALU为运算器、DR1、DR2为工作暂存器、R0为通用寄存器、AR为地址寄存器、
PC为程序计数器、IR为指令寄存器、TIME为时序发生器、MEM为程序存储器、INPUT为输入设备、OUTPUT为输出设备、MC为微程序控制器。
2．模型计算机的程序
本系统设计了四条指令，构成了此模型计算机的指令系统，即：
应用该指令系统可以编写一段反映计算机操作的指令序列，它们就构成了所谓的计算机
程序，并将其以二进制存放在主存储器的连续的单元中。
计算机通过连续运行该段程序，就
可以解决各种复杂的计算或是控制问题。
3．微程序Microprogram
为实现以上计算机程序的操作，控制器对应于每一条机器指令都需要进行一系列的微操
作来完成该机器指令的操作。
一个微操作则对应一条微指令。
如果控制器采用最普遍使用的
微程序控制器，则一条机器指令的操作就需要一系列微指令来完成。
它们构成计算机的微程
序并且是以二进制数的形式存放在控制存储器的存储单元中。
与以上机器指令对应的微操作
容如表1.4-1所示。
四、实验步骤
1．构造一台模型计算机
首先，参照图1.4-2，在教学实验系统中使用连接导线（排线）将模型计算机的各个部件连接在一起，构成一台完整的模型计算机。
连接图中凡是标有小圆圈的连线都是需要连接导线的，而未标小圆圈的连线是系统已经连接好的。
连接完成后，请仔细检查，以保证连接的正确性。
2．我们来编写一段简单程序操作的例子来说明计算机工作的过程。
这个程序要执行的功能是：
1）由输入设备向CPU的通用寄存器R0中输入一个数。
2）将输入的数值与程序中的一个立即数相加。
3）将运算结果输出到输出设备上进行显示。
4）跳转返回到执行第一条指令的状态和位置。
完成以上指令操作的程序容如表1.4-2所示。
3．模型机操作前的准备工作
使用通讯电缆将实验系统的串行接口与PC微机的串行接口相连接，并将实验系统的电源线接到电源插座中。
然后启动PC微机，进入Windows系统，安装本设备提供的应用软件CMPP。
（安装方法及软件使用可见用户手册）。
4．模型计算机的运行操作
1）打开实验系统的电源开关，点击图标CMPP，运行软件。
若联机正常后，将显示如
图1.4-3所示界面。
2）未联机正常，也可以进入软件界面，但是所有的菜单里的功能全是灰色不可用（除
“文件”及“端口”菜单），且指令区窗口中的数据也全以星号显示。
本软件的默认串口为1号串口，若通讯电缆连接到2号串口上，可进入“【端口】”菜单，选择2号串口，然后进行“【端口】-【端口测试】”，若还不正常，请确保打开系统电源及检查通讯电缆的连接。
具体排除故障见《使用手册》。
3）进入“【转储】--【】”，选择系统软件安装时在\CMPP\SAMPLE目录下的一个例程EX.TXT,点击“打开”后即进行装载。
此文件包含有上述设计的模型机要执行的机器指令程序及定义该机器指令系统的微程序。
可从“【文件】—【打开】”来打开此文件，可查看模型计算机操作的程序及其微程序。
其容为：
机器指令：
$P0000
$P0110
$P0208
$P0320
$P0430
$P0500
微指令：
$M00018001
$M0101ED82
$M0200C048
$M0300B004
$M0401A205
$M05959A01
$M0600D181
$M08001001
$M0901ED83
$M0A070201
$M0B01ED86
机器指令及微指令的描述格式为：
4）装载完成后，选择“【运行】-【通路图】-【复杂模型机】”可打开一个对应的数据通路图，如图1.4-4所示：
5）在执行指令之前，要将实验系统右下角的CLR清零开关向上拨到0位再拨回1位，以将程序计数器和微地址寄存器清为零，使得程序可从零地址开始运行。
选择“【运行】－【单步微指令】”功能，每按动一次，系统运行一条微指令并在界面中
显示动态数据流及微地址等的变化，仔细观察运行过程，则可了解并掌握计算机的工作过程。
6）每按动一次“【运行】—【单步机器指令】”，则单步执行一条机器指令。
一条机器指
令对应一段微程序，每执行一条微指令时，计算机同时显示数据流，执行完这条机器指令对
应的所有微指令后则自动停止。
此时可以再继续单步执行下一条机器指令。
当模型计算机执行完一条指令后，PC微机则根据指令的执行过程，在屏幕上显示出其
数据流，图中各部件的有效控制信号则用高亮显示，并将下一条微指令代码显示在下方。
这
样就可以形象地看到一条指令的执行过程。
“【运行】—【单步微指令】”的功能是单步执行一条微指令，同时显示其数据流。
“【运行】—【连续运行】”，则连续运行全部程序，同时连续显示整个数据流。
当按动
“【运行】—【停止】”时才会停止执行，但不是立即停止，只有当一条机器指令运行
完后才会停止。
7）单步执行机器指令，并对照表1.4-2，观察对应一条机器指令的一系列微操作的运行过程。
思考问题
1）单步执行微指令，观察应用软件的数据通路图中各部件的有效控制信号（高亮显示），
思考这些控制信号的作用。
并对照图1-2，找到这些控制信号的来源，并思考它们是如何产生的，它们与微代码的关系。
思考微程序控制器在整个模型计算机运行中的作用。
2）单步执行指令ADDX,R0，观察微操作[DR1]+[DR2]R0执行时，运算器ALU的
有效控制信号S0-S3、M、CN，思考它们对运算器算术逻辑操作的作用。
实验二算术逻辑运算实验
一、实验目的
1．了解运算器的组成结构。
2．掌握运算器的工作原理。
3．学习运算器的设计方法。
4．掌握简单运算器的数据传送通路。
5．验证运算功能发生器74LS181的组合功能。
二、实验设备
TDN-CM+或TDN-CM++教学实验系统一套。
三、实验原理
实验中所用的运算器数据通路图如图2.6-1。
图中所示的是由两片74LS181芯片以并/串形式构成的8位字长的运算器。
右方为低4位运算芯片，左方为高4位运算芯片。
低位芯片的进位输出端Cn+4与高位芯片的进位输入端Cn相连，使低4位运算产生的进位送进高4位运算中。
低位芯片的进位输入端Cn可与外来进位相连，高位芯片的进位输出引至外部。
两个芯片的控制端S0～S3和M各自相连，其控制电平按表2.6-1。
为进行双操作数运算，运算器的两个数据输入端分别由两个数据暂存器DR1、DR2（用锁存器74LS273实现）来锁存数据。
要将总线上的数据锁存到DR1或DR2中，则锁存器74LS273的控制端LDDR1或LDDR2须为高电平。
当T4脉冲来到的时候，总线上的数据就被锁存进DR1或DR2中了。
为控制运算器向总线上输出运算结果，在其输出端连接了一个三态门（用74LS245实现）。
若要将运算结果输出到总线上，则要将三态门74LS245的控制端ALU-B置低电平。
否则输出高阻态。
数据输入单元（实验板上印有INPUTDEVICE）用以给出参与运算的数据。
其中，输入开关经过一个三态门（74LS245）和总线相连，该三态门的控制信号为SW-B，取低电平时，开关上的数据则通过三态门而送入总线中。
总线数据显示灯（在BUSUNIT单元中）已与总线相连，用来显示总线上的数据。
控制信号中除T4为脉冲信号，其它均为电平信号。
由于实验电路中的时序信号均已连至“W/RUNIT”单元中的相应时序信号引出端，因
此，需要将“W/RUNIT”单元中的T4接至“STATEUNIT”单元中的微动开关KK2的输出端。
在进行实验时，按动微动开关，即可获得实验所需的单脉冲。
S3、S2、S1、S0、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU-B、SW-B各电平控制信号则使用“SWITCHUNIT”单元中的二进制数据开关来模拟，其中Cn、ALU-B、SW-B为低电平有效，LDDR1、LDDR2为高电平有效。
对于单总线数据通路，作实验时就要分时控制总线，即当向DR1、DR2工作暂存器打入数据时，数据开关三态门打开，这时应保证运算器输出三态门关闭；同样，当运算器输出结果至总线时也应保证数据输入三态门是在关闭状态。
四、实验步骤
1．按图2.6-2连接实验电路并检查无误。
图中将用户需要连接的信号线用小圆圈标明（其它实验相同，不再说明）。
2．开电源开关。
3．用输入开关向暂存器DR1置数。
①拨动输入开关形成二进制数01100101（或其它数值）。
（数据显示灯亮为0，灭为1）。
②使SWITCHUNIT单元中的开关SW-B=0（打开数据输入三态门）、ALU-B=1（关闭ALU输出三态门）、LDDR1=1、LDDR2=0。
③按动微动开关KK2，则将二进制数01100101置入DR1中。
4．用输入开关向暂存器DR2置数。
①拨动输入开关形成二进制数10100111（或其它数值）。
②SW-B=0、ALU-B=1保持不变，改变LDDR1、LDDR2，使LDDR1=0、LDDR2=1。
③按动微动开关KK2，则将二进制数10100111置入DR2中。
5．检验DR1和DR2中存的数是否正确。
①关闭数据输入三态门（SW-B=1），打开ALU输出三态门（ALU-B=0），并使LDDR1=0、
LDDR2=0，关闭寄存器。
②置S3、S2、S1、S0、M为11111，总线显示灯则显示DR1中的数。
③置S3、S2、S1、S0、M为10101，总线显示灯则显示DR2中的数。
6．改变运算器的功能设置，观察运算器的输出。
①SW-B=1、ALU-B=0保持不变。
②按表2-2置S3、S2、S1、S0、M、Cn的数值，并观察总线显示灯显示的结果。
例如：
置S3、S2、S1、S0、M、Cn为100101，运算器作加法运算。
置S3、S2、S1、S0、M、Cn为011000，运算器作减法运算。
7．验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能（采用正逻辑）
在给定DR1=65、DR2=A7的情况下，改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，填
入下表中，并和理论分析进行比较、验证。
实验三进位控制实验
一、实验目的
1．了解带进位控制的运算器的组成结构。
2．验证带进位控制的运算器的功能。
二、实验设备
TDN-CM+或TDN-CM++教学实验系统一套。
三、实验原理
图2.7-1所示为进位锁存及其显示电路。
运算器最高位进位输出Cn+4连接到一个锁存器（用74LS74实现）的输入端D,锁存器控制端的控制信号AR必须置为低电平，当T4脉冲来到时，进位结果就被锁存到进位锁存器中了，发光二极管这时显示为“灭”。
同时也将本次的进位输出结果带进了下次的运算中，作为下次运算的进位输入。
四、实验步骤
1．按图2.7-3连接实验电路并检查无误。
2．打开电源开关。
3．用输入开关向暂存器DR1和DR2置数,方法同前。
4．关闭数据输入三态门（SW-B=1），打开ALU输出三态门（ALU-B=0），并使LDDR1=0、
LDDR2=0，关闭寄存器打入控制门。
5．对进位标志清零。
实验板上“SWITCHUNIT”单元中的CLR开关为标志CY、ZI的清零开关，它为零状态时是清零状态，所以将此开关做101操作，即可使标志位清零。
注意：
进位标志指示灯CY亮时表示进位标志为“０”，无进位；标志指示灯CY灭时表示进位为“１”，有进位。
6．验证带进位运算及进位锁存功能。
使Cn=1，AR=0,进行带进位算术运算。
例如做加法运算，使ALU-B=0，S3S2S1S0M状态为10010，此时数据总线上显示的数据为DR1加DR2加当前进位标志的和，但这时的进位状态位还没有打入进位锁存器中，它是要靠T4节拍来打入的。
这个结果是否有进位产生，则要按动微动开关KK2，若进位标灯亮，则无进位，反之则有进位。
因做加法运算时数据总线一直显示的数据为DR1+DR2+CY，所以当有进位输入到进位锁存器后，总线显示的数据将为加上当前进位锁存器中锁存的进位位的结果。
实验四移位运算实验
一、实验目的
1．了解移位发生器74LS299的功能。
2．验证移位控制电路的组合功能。
二、实验设备
TDN-CM+或TDN-CM++教学实验系统一台。
三、实验原理
图2.8-1所示为移位器及其控制电路。
其中使用了一片74LS299作为移位发生器，其八位输入／输出端可连接至总线。
74LS299移位器的片选控制信号为299-B，低电平有效。
T4为其控制脉冲信号，由“W/RUNIT”单元中的T4接至“STATEUNIT”单元中的单脉冲发生器KK2上而产生，。
S0、S1、M作为移位控制信号，此移位控制逻辑功能如表2.8-1所示。
四、实验步骤
1．按图2.8-2连接实验电路并检查无误。
2．打开电源开关。
3．向移位寄存器置数。
①拨动输入开关形成二进制数01101011（或其它数值）。
②使SWITCHUNIT单元中的开关SW-B=0，打开数据输入三态门。
③使S0=1、S1=1，并按动微动开关KK2，则将二进制数01101011置入了移位寄存器。
④使SW-B=1，关闭数据输入三态门。
4．移位运算操作。
参照表2.8-1中的容，先将S1、S0置为0、0，检查移位寄存器单元装入的数是否正确，然后通过改变S0、S1、M、299-B的状态，并按动微动开关KK2，观察移位结果。
实验五静态随机存储器实验
一、实验目的
掌握静态随机存储器RAM工作特性及数据的读写方法。
二、实验设备
1．TDN-CM+或TDN-CM++教学实验系统一台。
2．PC微机（或示波器）一台。
三、实验原理
实验所用的半导体静态存储器电路原理如图3.6-1所示，实验中的静态存储器由一片6116（2K×8）构成，其数据线接至数据总线，地址线由地址锁存器（74LS273）给出。
地址灯AD0～AD7与地址线相连，显示地址线容。
数据开关经一个三态门（74LS245）连至数据总线，分时给出地址和数据。
因地址寄存器为8位，所以接入6116的地址为A7～A0，而高三位A8～A10接地，所以其实际容量为256字节。
6116有三个控制线：
CE（片选线）、OE（读线）、WE（写线）。
当片选有效（CE=0）时，OE=0时进行读操作，WE=0时进行写操作。
本实验中将OE常接地，在此情况下，当CE=0、WE=0时进行读操作，CE=0、WE=1时进行写操作，其写时间与T3脉冲宽度一致。
实验时将T3脉冲接至实验板上时序电路模块的TS3相应插孔中，其脉冲宽度可调，其它电平控制信号由“SWITCHUNIT”单元的二进制开关模拟，其中SW-B为低电平有效，LDAR为高电平有效。
四、实验步骤
（1）形成时钟脉冲信号T3。
具体接线方法和操作步骤如下：
①接通电源，用示波器接入方波信号源的输出插孔H23，调节电位器W1及W2，使H23端输出实验所期望的频率及占空比的方波。
②将时序电路模块（STATEUNIT）单元中的ф和信号源单元（SIGNALUNIT）中的H23排针相连。
③在时序电路模块中有两个二进制开关“STOP”和“STEP”。
将“STOP”开关置为“RUN”状态、“STEP”开关置为“EXEC”状态时，按动微动开关START，则TS3端即输出为连续的方波信号，此时调节电位器W1，用示波器观察，使T3输出实验要求的脉冲信号。
当“STOP”开关置为“RUN”状态、“STEP”开关置为“STEP”状态时，每按动一次微动开关START，则T3输出一个单脉冲，其脉冲宽度与连续方式相同。
若用PC联机软件中的示波器功能也能看到波形，可以代替真实示波器。
（2）按图3.6-2连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。
（3）写存储器
给存储器的00、01、02、03、04地址单元中分别写入数据11、12、13、14、15。
由上面的存储器实验原理图看出，由于数据和地址全由一个数据开关来给出，这就要分
时地给出。
下面的写存储器要分两个步骤，第一步写地址，先关掉存储器的片选（CE=1），
打开地址锁存器门控信号（LDAR=1），打开数据开关三态门（SW-B=0），由开关给出要写存储单元的地址，按动START产生T3脉冲将地址打入到地址锁存器，第二步写数据，关掉地址锁存器门控信号（LDAR=0），打开存储器片选，使处于写状态（CE=0，WE=1），由开关给出此单元要写入的数据，按动START产生T3脉冲将数据写入到当前的地址单元中。
写其它单元依次循环上述步骤。
写存储器流程如下：
（以向00号单元写入11为例）
（4）读存储器
依次读出第00、01、02、03、04号单元中的容，观察上述各单元中的容是否与前面写入的一致。
同写操作类似，读每个单元也需要两步，第一步写地址，先关掉存储器的片选（CE=1），打开地址锁存器门控信号（LDAR=1），打开数据开关三态门（SW-B=0），由开关给出要写存储单元的地址，按动START产生T3脉冲将地址打入到地址锁存器；第二步读存储器，关掉地址锁存器门控信号（LDAR=0），关掉数据开关三态门（SW-B=1），片选存储器，使它处于读状态（CE=0，WE=0），此时数据总线上显示的数据即为从存储器当前地址中读出的数据容。
读其它单元依次循环上述步骤。
读存储器操作流程如下：
（以从00号单元读出11数据为例）
实验六总线控制器实验
一实验目的
（1）理解总线的概念及其特性。
（2）掌握总线传输控制特性。
二实验设备
TDN－CM＋＋计算机组成原理教学实验系统一，排线若干。
三实验容
1）总线的基本概念
总线是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路，是构成计算机系统的骨架。
借助总线连接，计算机在系统各部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作。
因此，所谓总线就是指能为多个功能部件服务的一组公用信息线。
2）实验原理
实验所用总线传输实验框图如图17所示，它将几种不同的设备挂至总线上，有存储器、输入设备、输出设备、寄存器。
这些设备都需要有三态输出控制，按照传输要求恰当有序的控制它们，就可进行总线信息传输。
3）实验要求
根据挂在总线上的几个基本部件，设计一个简单的流程：
数据输
入开关
地址寄
存器AR
存储器
RAM
数码管
显示LED
R0寄
存器
图17总线实验原理图
LED-B
LEAR
CS
W/R
LED-B
W/R
R0-B
LDR0
总线
（1）输入设备将一个数打入R0寄存器。
（2）输入设备将另一个数打入地址寄存器。
（3）将R0寄存器中的数写入到当前地址的存储器中。
（4）将当前地址的存储器中的数用LED数码管显示。
四实验步骤
（1）按照图18实验接线图进行连线。
BUSUNIT
D7……D0
INPUTUNIT
D7
D0
SW-B
D7
D0
LDR0
D7
D0
D7
D0
OUTPUTDEVICE
AD7AD0
SW-B
D7
D0
LDAR
SW-B
R0-B
REGUNIT
ADDRESSUNIT
EXTUNIT
A7A0
MAINMEM
W/R
W/R
CS
LED-B
图18总线实验原理图
SWITCHUNIT
LDPC
PC-B
S3
299-B
WE
CE
LDAR
（2）具体操作步骤图示如下：
初始状态应设为：
关闭所有三态门（SW-B=1，CS=1，R0-B=1，LED-B=1），其他控制信号为LDAR=0，LDR0=0，W／R（RAM）=1，W／R（LED）=1。
数据开关
（01100011）
三态门
SW-B=0
打入寄存
器R0
LDR0=
数据开关
（00100000）
打入寄存
器AR
LDAR=
三态门
SW-B=1
R0-B=0
R0写入存储器
W/R（RAM）=0
CS=0
三态门
R0-B=0
CS=1
存储器打入LED
W/R（RAM）=1
CS=0
LED-B=0
W/R（LED）=
实验七微程序控制器实验
一、实验目的
1．掌握时序发生器的组成原理。
2．掌握微程序控制器的组成原理。
3．掌握微程序的编制、写入，观察微程序的运行。
二、实验设备
TDN-CM+或TDN-CM++教学实验系统一台。
三、实验原理
微程序控制器的基本任务是完成当前指令的翻译和执行，即将当前指令的功能转换成可
以控制硬件逻辑部件工作的微命令序列，完成数据传送和各种处理操作。
它的执行方法就是
将控制各部件动作的微命令的集合进行编码，即将微命令的集合仿照机器指令一样，用数字
代码的形式表示，这种表示称为微指令。
这样就可以用一个微指令序列表示一条机器指令，
这种微指令序列成为微程序。
微程序存储在一种专用的存储器中，称为控制存储器。
实验所用的时序控制电路框图如图4.4-1所示，可产生４个等间隔的时序信号TS1～TS4，
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