第七章 计算机组成原理实验指导.docx
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第七章计算机组成原理实验指导
第七章计算机组成原理实验指导
实验一运算器实验
一、实验目的
⒈掌握简单运算器的数据传输方式。
⒉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。
三、实验原理
实验中所用的运算器数据通路如图7-1-1所示。
其中运算器由两片74LS181以并/串形式构成8位字长的ALU。
运算器的输出经过一个三态门（74LS245）以8芯扁平线方式和数据总线相连，运算器的2个数据输入端分别由二个锁存器（74LS273）锁存，锁存器的输入亦以8芯扁平线方式与数据总线相连，数据开关（INPUTDEVICE）用来给出参与运算的数据，经一三态门（74LS245）以8芯扁平线方式和数据总线相连，数据显示灯（BUSUNIT）已和数据总线相连，用来显示数据总线内容。
图7-1-1运算器电原理图
图7-1-1中T2、T4为时序电路产生的节拍脉冲信号，通过连接时序启停单元时钟信号“
”来获得，剩余均为电平控制信号。
进行实验时，首先按动位于本实验装置右中侧的复位按钮使系统进入初始待令状态，在LED显示器闪动位出现“P.”的状态下，按【增址】命令键使LED显示器自左向右第4位切换到提示符“L”，表示本装置已进入手动单元实验状态，在该状态下按动【单步】命令键，即可获得实验所需的单脉冲信号，而LDDR1、LDDR2、ALU-B、SW-B、S3、S2、S1、S0、CN、M各电平控制信号用位于LED显示器上方的26位二进制开关来模拟，均为高电平有效。
四、实验连线
图7-1-2实验连线示意图
按图7-1-2所示，连接实验电路：
①总线接口连接：
用8芯扁平线连接图7-1-2中所有标明“
”或“
”图案的总线接口。
②控制线与时钟信号“
”连接：
用双头实验导线连接图7-1-2中所有标明“
”或“
”图案的插孔（注：
Dais-CMH的时钟信号已作内部连接）。
五、实验系统工作状态设定
在闪动的“P.”状态下按动【增址】命令键，使LED显示器自左向右第4位显示提示符“L”，表示本装置已进入手动单元实验状态。
在“L”状态下，如图7-1-3所示系统用位于实验系统“
二进制开关单元”的26只拨动开关来模拟与微控制器相对应的控制信号。
用手动加载正逻辑控制电平（即高电平信号“H”）和按【单步】命令键产生的单周期4拍时序信号T1、T2、T3、T4的方法来实现和完成各单元实验所需的控制信号操作。
图7-1-3二进制开关模拟控制原理图
六、手动实验提示
（一）初始化操作
一旦进入“L”状态，首先应把“
二进制开关单元”的26只模拟开关拨至下方（即低电平信号“L”），使26只微控制状态指示灯处“暗”，然后按【单步】命令键关闭全部控制信号锁存输出位，用手动方法完成微控制器的初始清零操作。
在“L”状态下直接按【复位】按钮亦可完成微控制器的初始清零操作。
（二）控制信号的打入方法
⑴有效状态的特征：
本系统提供的是“正逻辑”控制电路，通常情况下把高电平“H”定义为有效状态，以点亮发光二极管为标志。
⑵有效状态的建立：
结合实验项目，按实验要求把相关的二进制开关拨向上方，点亮对应的发光二极管。
⑶有效状态的控制：
在建立有效状态的基础上，按【单步】命令键单次启动时序节拍信号T1、T2、T3、T4，模型机按时序要求在相关时刻发出控制信号，以手动方式实现相关单元实验。
（三）总线输入/输出约定
⑴输入约定
对于计算机各部件的数据输出必须通过数据总线来完成，为了避免总线冲突与竞争，模型机规定在同一机器周期内只能允许一个部件的数据占用总线。
结合手动控制列举如下约定：
①数据开关送总线：
令SW-B=1，CBA=000，CE=0
②存储器内容送总线：
令CE=1，SW-B=0，CBA=000
③其它部件送总线：
令CBA=001~111，SW-B=0，CE=0
⑵输出共享
对于计算机各部件的数据输入可共享总线内容，即在同一机器周期内允许把当前数据同时送2个以上部件单元，结合手动控制举例如下：
例：
把数据开关的内容送通用寄存器R0、运算寄存器DR1、地址寄存器AR、指令寄存器IR，令SW-B=1，LDR0=1，LDDR1=1，LDAR=1，LDIR=1，然后按【单步】命令键即可实现总线数据共享。
七、实验内容
（一）算术运算实验
⑴写操作（置数操作）
拨动二进制数据开关向DR1和DR2寄存器置数，具体操作步骤如下：
注:
【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍单周期脉冲
⑵读操作（运算寄存器内容送总线）
首先关闭数据输入三态控制端（SW-B=0），存储器控制端CE保持为0，令LDDR1=0、LDDR2=0，然后打开ALU输出三态门（CBA=010），置M、S0、S1、S2、S3为11111，再按【单步】键，数据总线单元显示DR1的内容，若把M、S0、S1、S2、S3置为10101，再按【单步】键，数据总线单元显示DR2的内容。
⑶算术运算（不带进位加）
置CBA=010，CN、M、S0、S1、S2、S3状态为101001，按【单步】键，此时数据总线单元应显示00001100（0CH）。
（二）进位控制实验
进位控制运算器的实验原理如实验四图7-4-1所示，其中181的进位位进入74LS74锁存器D端，该端的状态锁存受AR和T4信号控制，其中AR为进位位允许信号，高电平有效；T4为时序脉冲信号，当AR=1时在T4节拍将本次运算的进位结果锁存到进位锁存器中，实现带进位控制实验。
⑴进位位清零操作
在“L”状态下，按动【复位】按钮，进位标志灯CY“灭”，实现对进位位的清零操作。
（当进位标志灯“亮”时，表示CY=1）。
⑵用二进制数据开关向DR1和DR2寄存器置数
首先关闭ALU输出三态门（CBA=000）、CE=0，开启输入三态门（SW-B=1），设置数据开关，向DR1存入01010101（55H），向DR2存入10101010（AAH）。
操作步骤如下：
注:
【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍单周期脉冲
⑶验证带进位运算的进位锁存功能
关闭数据输入三态门（SW-B=0）、CE=0，使CBA=010，AR=1，置CN、M、S0、S1、S2、S3的状态为101001，按【单步】键，此时数据总线单元显示的数据为DR1加DR2，若进位标志灯CY“亮”，表示有进位；反之无进位。
（三）逻辑运算实验
⑴写操作（置数操作）
拨动二进制数据开关向DR1和DR2寄存器置数，具体操作步骤如下：
注:
【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍单周期脉冲
⑵读操作（运算寄存器内容送总线）
首先关闭数据输入三态控制端（SW-B=0），存储器控制端CE保持为0，令LDDR1=0、LDDR2=0，然后打开ALU输出三态门（CBA=010），置M、S0、S1、S2、S3为11111，再按【单步】键，数据总线单元显示DR1的内容，若把M、S0、S1、S2、S3置为10101，再按【单步】键，数据总线单元显示DR2的内容。
⑶逻辑或非运算
逻辑或非运算的方法是置CBA=010，M、S0、S1、S2、S3状态为11000，按【单步】键，此时数据总线单元应显示00011000（18H）。
七、实验思考
验证74LS181的算术逻辑运算功能。
在给定DR1=65、DR2=A7的情况下，改变运算器的功能设置，按【单步】键，观察运算器的输出，填入下页表格中，并和理论分析进行比较、验证。
DR1
DR2
S3S2S1S0
M=0（算术运算）
M=1
（逻辑运算）
CN=1
无进位
CN=0
有进位
65
A7
0000
F=（65）
F=（66）
F=（9A）
65
A7
0001
F=（E7）
F=（E8）
F=（18）
65
A7
0010
F=（7D）
F=（7E）
F=（82）
0100
F=（）
F=（）
F=（）
0101
F=（）
F=（）
F=（）
0110
F=（）
F=（）
F=（）
0111
F=（）
F=（）
F=（）
1000
F=（）
F=（）
F=（）
1001
F=（）
F=（）
F=（）
1010
F=（）
F=（）
F=（）
1011
F=（）
F=（）
F=（）
1100
F=（）
F=（）
F=（）
1101
F=（）
F=（）
F=（）
1110
F=（）
F=（）
F=（）
1111
F=（）
F=（）
F=（）
附:
74LS181逻辑
方式
M=1
逻辑运算
M=0算术运算
S3S2S1S0
CN=1（无进位）
CN=0（有进位）
0000
F=/A
F=A
F=A加1
0001
F=/（A+B）
F=A+B
F=（A+B）加1
0010
F=/AB
F=A+/B
F=（A+/B）加1
0011
F=0
F=减1（2的补）
F=0
0100
F=/（AB）
F=A加A/B
F=A加A/B加1
0101
F=/B
F=（A+B）加A/B
F=（A+B）加A/B加1
0110
F=/（A⊕B）
F=A减B减1
F=A减B
0111
F=A/B
F=A/B减1
F=A/B
1000
F=/A+B
F=A加AB
F=A加AB加1
1001
F=A⊕B
F=A加B
F=A加B加1
1010
F=B
F=（A+B）加AB
F=（A+/B）加AB加1
1011
F=AB
F=AB减1
F=AB
1100
F=1
F=A加A
F=A加A加1
1101
F=A+/B
F=（A+B）加A
F=（A+B）加A加1
1110
F=A+B
F=（A+/B）加A
F=（A+/B）加A加1
1111
F=A
F=A减1
F=A
注:
①表中“+”表示逻辑或,“⊕”表示逻辑异或,“/”表示逻辑非,“AB”表示逻辑与。
②加法运算时,CY=1表示运算结果有进位,CY=0表示运算结果无进位;
减法运算时,CY=1表示运算结果无借位,CY=0表示运算结果有借位。
实验二通用寄存器实验
一、实验目的
⒈熟悉通用寄存器概念。
⒉熟悉通用寄存器的组成和硬件电路。
二、实验要求
完成3个通用寄存器的数据写入与读出。
三、实验原理
实验中所用的通用寄存器数据通路如图7-2-1所示。
由三片8位字长的74LS374组成R0、R1、R2寄存器组成。
三个寄存器的输入接口用一8芯扁平线连至BUS总线接口，而三个寄存器的输出接口用一8芯扁平线连至BUS总线接口。
图中R0-B、R1-B、R2-B经CBA二进制控制开关译码产生数据输出选通信号（详见表7-2-1），LDR0、LDR1、LDR2为数据写入允许信号，由二进制控制开关模拟，均为高电平有效；T4信号为寄存器数据写入脉冲，上升沿有效。
在手动实验状态（即“L”状态）每按动一次【单步】命令键，产生一次T4信号。
图7-2-1通用寄存器单元电路
表7-2-1通用寄存器单元选通真值表
C
B
A
选择
1
0
0
R0-B
1
0
1
R1-B
1
1
0
R2-B
四、实验连线
图7-2-2实验连线示意图
按图7-2-2所示，连接实验电路：
①总线接口连接：
用8芯扁平线连接图7-2-2中所有标明“
”或“
”图案的总线接口。
②控制线与时钟信号“
”连接：
用双头实验导线连接图7-2-2中所有标明“
”或“
”图案的插孔（注：
Dais-CMH的时钟信号已作内部连接）。
五、实验内容
（一）通用寄存器的写入
拨动二进制数据开关向R0和R1寄存器置数，具体操作步骤如下：
电路名称
主要电路内容
运算器单元（ALUUNIT）
运算器、进位控制器、移位寄存器、寄存器堆、内部总线
计数器与地址寄存器单元
（ADDRESSUNIT）
地址寄存器、程序地址计数器
微控器单元
（MICROCONTROLLERUNIT）
指令寄存器、指令择码器、微代码控制寄存器及其26位二进制控制模拟开关、逻辑译码单元、时序电路、启停电路、单脉冲电路、脉冲源、中断控制
主存单元（MAINMEM）
SRAM6116
输入设备、输出设备
（INPUTDEVICE&OUTPTDEVICE）
开关、显示灯、8位LED显示、16个数字键、16个命令键,每个部件都有双位显示器
逻辑信号测量单元
2路逻辑信号PC示波器、信号测试
单片机控制单元（PCUNIT）
控制单片机、MACH、RS-232-C串口等
电源
高性能开关电源、输出为+5V/3A
通用实验单元（扩展实验）*
2个IC-40/28芯通用型锁紧式扩展插座
PLD单元（扩展实验）*
2个PLCC扩展方插座
注:
【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍单周期脉冲
（二）通用寄存器的读出
关闭数据输入三态（SW-B=0），存储器控制端CE=0，令LDR0=0、LDR1=0、LDR2=0，分别打开通用寄存器R0、R1、R2输出控制位，置CBA=100时，按【单步】键，数据总线单元显示R0中的数据01H；置CBA=101时，按【单步】键。
数据总线单元显示R1中的数据80H；置CBA=110时，按【单步】键，数据总线单元显示R2中的数据（随机）。
实验三移位寄存器实验
一、实验目的
⒈了解移位寄存器的硬件电路，验证移位控制与寄存的组合功能。
⒉利用寄存器进行数据传输。
二、实验要求
实现寄存器移位操作，了解通用寄存器的运用。
三、实验原理
图7-3-1带进位移位寄存器电原理图
上图所示，使用了一片74LS299作为移位发生器，其中8位输入／输出端以8芯扁平线连接形式和总线接口连接。
299-B信号控制其使能端（0有效），T4为时序节拍脉冲，实验时按【单步】命令键产生。
由S0、S1、M控制信号设置其运行状态，其控制特性列表如下：
表7-3-1
299-B
S1
S0
M
功能
0
0
0
任意
保持
0
1
0
0
循环右移
0
1
0
1
带进位循环右移
0
0
1
0
循环左移
0
0
1
1
带进位循环左移
任意
1
1
任意
装数
说明:
令CBA=011时表中299-B=0。
四、实验连线
图7-3-2实验连线示意图
按图7-3-2所示，连接实验电路：
①总线接口连接：
用8芯扁平线连接图7-3-2中所有标明“
”或“
”图案的总线接口。
②控制线与时钟信号“
”连接：
用双头实验导线连接图7-3-2中所有标明“
”或“
”图案的插孔（注：
Dais-CMH的时钟信号已作内部连接）。
五、实验内容
（一）移位寄存器置数
首先置CBA=000，然后按下面所列流程图操作：
注:
【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍单周期脉冲
（二）寄存器移位
首先置CBA=011（299-B=0）、SW-B=0、CE=0，然后参照表7-2-1改变S0、S1、M的状态，按动【单步】命令键观察移位结果。
（三）移位结果的寄存
把移位寄存器移位后的内容寄存到通用寄存器（以R0为例），首先按图7-2-2所示连接实验电路。
在移位操作后保持CBA=011（即299-B=0）、置S0=0、S1=0，令LDR0=1，再按动【单步】命令键即可完成移位结果保存到通用寄存器R0的操作。
（四）移位结果的读出
置CBA=100、SW-B=0、CE=0，按【单步】键，数据总线单元显示R0寄存器的内容，该内容应与移位寄存器的内容一致。
实验四判零实验
一、实验目的
熟悉判零线路的硬件。
二、实验要求
完成运算寄存器的判零。
三、实验原理
图7-4-1标志位锁存原理图
零标志的实验原理如图7-4-1所示，其中181的8位输出端逻辑或非后进入74LS74锁存器D端，该端的状态由AR和T4信号控制，当AR=1时，按【单步】命令键，在T4节拍把当前ZQ状态锁存到零标志锁存器中。
四、实验内容
⑴本实验的连接请按图7-1-2所示。
⑵用二进制数据开关向DR1和DR2寄存器置数
首先关闭ALU输出三态门（CBA=000）、CE=0，开启输入三态门（SW-B=1），设置数据开关。
例如向DR1、DR2均存入00000001（01H）。
具体操作步骤如下：
注:
【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍单周期脉冲
⑶读操作（运算寄存器内容送总线）
首先关闭数据输入三态控制端（SW-B=0），存储器控制端CE保持为0，令LDDR1=0、LDDR2=0，然后打开ALU输出三态门（CBA=010），置M、S0、S1、S2、S3为11111，再按【单步】键，数据总线单元显示DR1的内容00000001（01H），若把M、S0、S1、S2、S3置为10101，再按【单步】键，数据总线单元显示DR2的内容00000001（01H）。
⑷带进位减法运算
令SW-B=0、CE=0，置CBA=010、AR=1，置CN、M、S0、S1、S2、S3为000110，按【单步】键，此时数据总线单元应显示00000000（00H）。
注：
181运算器作减法运算时，有借位CY=0，无借位CY=1。
⑸寄存器判零
在保持带进位减法运算所设置的状态下，令AR=1，按【单步】键，若零标志灯“亮”，表示当前运算结果为零；反之零标志灯“灭”，表示当前运算结果不为零。
实验五缓冲输入/锁存输出实验
一、实验目的
掌握输入/输出的硬件电路。
二、实验要求
了解输入/输出的应用。
三、实验原理
实验中所用的输入/输出设备如图7-5-1、7-5-2所示。
其中输入设备有8位带显示数据开关经一个三态门（74LS245）以8芯扁平线方式和数据总线相连。
输出设备经一锁存器（74LS273）实现，该锁存器的8位输入端以8芯扁平线方式和数据总线相连，其锁存输出端通过8芯扁平线与8个发光二极管的显示接口相连，该显示接口以二进制方式显示输出结果（灯亮表示该输出位为1，灯灭表示该输出位为0）。
图7-5-1输入设备单元
图7-5-2输出设备单元
四、实验连线
图7-5-3实验连线示意图
按图7-5-3所示，连接实验电路：
①总线接口连接：
用8芯扁平线连接图7-5-3中所有标明“
”或“
”图案的总线接口。
②控制线与时钟信号“
”连接：
用双头实验导线连接图7-5-3中所有标明“
”或“
”图案的插孔（注：
Dais-CMH的时钟信号已作内部连接）。
五、实验内容
输入设备缓冲输入经输出设备锁存输出的实验步骤如下：
注:
【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍单周期脉冲
令CE=0、CBA=000，置SW-B=1，置A9=1、A8=1（选中Y3，Y3由系统控制线LDED使用，详见P18页），然后将数据开关设置为00000001（01H），按【单步】键产生单周期4拍制脉冲，把数据开关所设定的00000001（01H）锁存输出至显示接口，8位输出数据灯应显示00000001（01H）；改变数据开关的设置，再按【单步】键，可把当前数据开关的内容锁存输出至8位显示单元显示。
实验六存储器和总线实验
一、实验目的
熟悉存储器和总线组成的硬件电路。
二、实验要求
按照实验步骤完成实验项目，利用存储器和总线传输数据。
三、实验原理
图7-6-1存储器实验原理图
实验所用的半导体静态存储器电路原理如图7-6-1所示，该静态存储器由一片6116（2Kx8）构成，其数据线（D7~D0）以8芯扁平线方式和数据总线（D7~D0）相连接，地址线由地址锁存器（74LS273）给出，该锁存器的输入/输出通过8芯扁平线分别连至数据总线接口和存储器地址接口。
地址显示单元显示AD7~AD0的内容。
数据开关经一三态门（74LS245）以8芯扁平线方式连至数据总线接口，分时给出地址和数据。
6116有3根控制线：
CS（片选线）、OE（读线）、WR（写线）。
当片选有效CS=0时，OE=0时进行读操作，WR=0时进行写操作。
本实验中将OE引脚接地，在此情况下，当CS=0、WR=1时进行读操作，CS=0、WR=0时进行写操作，其写时间与T3脉冲宽度一致。
实验时T3脉冲由【单步】命令键产生，其它电平控制信号由二进制开关模拟，其中CE、SW-B、LDAR为高电平有效，而WE为读/写（W/R）控制信号，当WE=0时进行读操作，当WE=1时进行写操作。
四、实验连线
图7-6-2实验连线示意图
按图7-6-2所示，连接实验电路：
①总线接口连接：
用8芯扁平线连接图7-6-2中所有标明“
”或“
”或“
”图案的总线接口。
②控制线与时钟信号“
”连接：
用双头实验导线连接图7-6-2中所有标明“
”或“
”图案的插孔（注：
Dais-CMH的时钟信号已作内部连接）。
五、实验内容
在闪动的“P.”状态下按动【增址】命令键，使LED显示器自左向右第4位显示提示符“L”，表示本装置已进入手动单元实验状态。
（若当前处“L”状态，本操作可略）。
（一）内部总线数据写入存储器
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，具体操作步骤如下（以向00地址单元写入数据11为例）：
注:
【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍单周期脉冲
（二）读存储器的数据到总线上
依次读出第00、01、02、03、04号单元中的内容，观察上述各单元中的内容是否与前面写入的一致。
具体操作步骤如下（以从00地址单元读出数据11为例）：
注:
【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍单周期脉冲
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