合肥工业大学计算机组成原理实验报告汇编.docx
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合肥工业大学计算机组成原理实验报告汇编
实验一存储器实验
1、实验目的
了解静态随机存取存贮器的工作原理；掌握读写存贮器的方法。
二、实验原理
实验仪的存贮器MEM单元选用一片静态存贮器6116（2K×8bit）存放程序和数据。
CE：
片选信号线，低电平有效，实验仪已将该管脚接地。
OE：
读信号线，低电平有效。
WE：
写信号线，低电平有效。
A0..A10:
地址信号线。
I/O0..I/O7:
数据信号线。
CE
OE
WE
功能
1
×
×
不选中6116
0
0
1
读
0
1
0
写
0
0
0
不确定
SRAM6116功能表
存贮器挂在CPU的总线上，CPU通过读写控制逻辑，控制MEM的读写。
实验中的读写控制逻辑如下图：
读写控制逻辑
M_nI/O用来选择对MEM还是I/O读写，M_nI/O=1，选择存贮器MEM；M_nI/O=0，选择I/O设备。
nRD=0为读操作；nWR=0为写操作。
对MEM、I/O的写脉冲宽度与T2一致；读脉冲宽度与T2+T3一致，T2、T3由CON单元提供。
存贮器实验原理图
存贮器数据信号线与数据总线DBus相连；地址信号线与地址总线ABus相连，6116的高三位地址A10..A8接地，所以其实际容量为256字节。
数据总线DBus、地址总线ABus、控制总线CBus与扩展区单元相连，扩展区单元的数码管、发光二极管上显示对应的数据。
IN单元通过一片74HC245（三态门），连接到内部数据总线iDBus上，分时提供地址、数据。
MAR由锁存器（74HC574，锁存写入的地址数据）、三态门（74HC245、控制锁存器中的地址数据是否输出到地址总线上）、8个发光二极管（显示锁存器中的地址数据）组成。
T2、T3由CON单元提供，按一次CON单元的uSTEP键，时序单元发出T1信号；按一次uSTEP键，时序单元发出T2信号；按一次uSTEP键，时序单元发出T3信号；再按一次uSTEP键，时序单元又发出T1信号，……
按一次STEP键，相当于按了三次uSTEP键，依次发出T1、T2、T3信号。
其余信号由开关区单元的拨动开关模拟给出，其中M_nI/O应为高（即对MEM读写操作）电平有效，nRD、nWR、wMAR、nMAROE、IN单元的nCS、nRD都是低电平有效。
三、实验结果及分析
四、思考题
1．本实验系统中所使用的存储芯片６１１６的容量有多大？
系统中实际可访问的空间是多大?
2K*8位、256*8位
２．本实验系统中存储器的读写控制信号如何得到的？
它们各自在什么时候有效？
通过手拨动开关来获得控制信号，OE：
读信号线，低电平有效。
WE：
写信号线，低电平有效。
实验二系统总线和具有基本输入输出功能的总线接口实验
一、实验目的
理解总线的概念及其特性；掌握控制总线的功能和应用。
二、实验内容
由于存储器和输入、输出设备最终是要挂接到外部总线上，所以需要外部总线提供数据信号、地址信号以及控制信号。
在该实验平台中，外部总线分为数据总线、地址总线、和控制总线，分别为外设提供上述信号。
外部总线和CPU内总线之间通过三态门连接，同时实现了内外总线的分离和对于数据流向的控制。
地址总线可以为外部设备提供地址信号和片选信号。
由地址总线的高位进行译码，系统的I/O地址译码原理见下图（在地址总线单元）。
由于使用A6、A7进行译码，I/O地址空间被分为四个区，如表所示：
I/O地址译码原理图
A07A06
片选
地址范围
00
IO_nCE0
00-3F
01
IO_nCE1
40-7F
10
IO_nCE2
80-BF
11
IO_nCE3
C0-FF
I/O地址空间分配
CPU通过读写控制逻辑，控制MEM和I/O设备的读写。
实验中的读写控制逻辑如下图：
读写控制逻辑
M_nIO用来选择对MEM还是I/O读写，M_nIO=1，选择存贮器MEM；M_nIO=0，选择I/O设备。
nRD=0为读操作；nWR=0为写操作。
对MEM、I/O的写脉冲宽度与T2一致；读脉冲宽度与T2+T3一致，T2、T3由CON单元提供。
在理解读写控制逻辑的基础上我们设计一个总线传输的实验。
实验所用总线传输实验框图如下图所示，它将几种不同的设备挂至总线上，有存贮器、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，就可实现总线信息传输。
总线传输实验框图
一、读写控制逻辑实验
1、连线说明：
CBus单元：
M_nIO、nRD、nWR、nINTA（JP42）
——
开关区单元：
K15..K12（JP92）
CBus单元：
nM_RD、nM_WR、nIO_RD、nIO_WR（JP50）
——
扩展区单元：
JP67
注意：
nINTA（K12）置“1”，使中断响应信号不干扰读写存贮器。
2、打开实验仪电源，按CON单元的nRST按键，复位实验仪
3、如果EXEC键上方指示灯点亮，表示实验仪在运行状态；否则，按一次EXEC键，使EXEC键上方指示灯点亮
4、对MEM进行读操作（M_nIO=1、nRD=0、nWR=1），按CON单元的uSTEP键，在T2、T3时刻，扩展区单元JP67对应的DS159指示灯熄灭，DS160-DS162指示灯点亮，表示nM_RD读信号在T2、T3时刻有效
5、对MEM进行写操作（M_nIO=1、nRD=1、nWR=0），按CON单元的uSTEP键，在T2时刻，扩展区单元JP67对应的DS160指示灯熄灭，DS159、DS161、DS162指示灯点亮，表示nM_WR写信号在T2时刻有效
6、对I/O进行读操作（M_nIO=0、nRD=0、nWR=1），按CON单元的uSTEP键，在T2、T3时刻，扩展区单元JP67对应的DS161指示灯熄灭，DS159、DS160、DS162指示灯点亮，表示nIO_RD读信号在T2、T3时刻有效
7、对I/O进行写操作（M_nIO=0、nRD=1、nWR=0），按CON单元的uSTEP键，在T2时刻，扩展区单元JP67对应的DS162指示灯熄灭，DS159-DS161指示灯点亮，表示nIO_WR写信号在T2时刻有效
二、基本输入输出功能的总线接口实验。
1、根据挂在总线上的几个基本部件，设计一个简单的流程：
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通过OUT单元用LED数码管显示。
2、连线说明：
CBus单元：
M_nIO、nRD、nWR、nINTA（JP42）
——
开关区单元：
K5..K12（JP92）
ALU单元：
rR0、wR0
——
开关区单元：
K9、K8
ALU单元：
IN0..IN7（JP22）
——
iDBus单元：
JP37
MAR单元：
nMAROE、wMAR（JP13）
——
开关区单元：
K11、K10（JP94）
MAR单元：
D0..D7（JP14）
——
iDBus单元：
iD0..iD7（JP38）
存贮器MEM单元：
A0..A7（JP72）
——
ABus单元：
A00..A07（JP56）
存贮器MEM单元：
D0..D7（JP73）
——
DBus单元：
D0..D7（JP53）
存贮器MEM单元：
M_nRD、M_nWR（JP71）
——
CBus单元：
nM_RD、nM_WR（JP44）
IN单元：
IN0..IN7（JP101）
——
DBus单元：
D0..D7（JP52）
IN单元：
nRD
——
CBus单元：
nIO_RD（JP49）
IN单元：
nCS
——
扩展区单元：
GND
OUT单元：
nWR（JP68）
——
CBus单元：
nIO_WR（JP48）
OUT单元：
nCS
——
扩展区单元：
GND
OUT单元：
JP69
——
DBus单元：
D0..D7（JP54）
OUT单元：
JP70
——
扩展区单元：
JP65
注意：
nINTA（K12）置“1”，使中断响应信号不干扰读写存贮器。
3、具体操作步骤图示如下：
在星研软件的工具条中选择“简单模型机实验”，打开简单模型机实验的数据通路图。
（1）拨动开关区单元开关：
M_nIO=1、nRD=1、nWR=1、nINTA=1、rR0=1、wR0=1、wMAR=1；nMAROE=0（允许地址寄存器MAR输出到地址总线）
（2）打开实验仪电源
（3）通过输入设备（IN单元）将数据55H写入R0寄存器
将IN单元置01010101，wR0=0,允许写寄存器R0，M_nIO=0、nRD=0、nWR=1，点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，T2、T3时刻IN单元输出数据，在T3的下降沿IN单元输出的数据写入R0。
wR0=1，结束写R0操作
（4）读R0中数据写入存贮器MEM的15H单元
将IN单元置00010101，wMAR=0，允许写MAR，M_nIO=0、nRD=0、nWR=1，点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T3的下降沿IN单元输出的数据写入地址寄存器MAR。
wMAR=1,结束写MAR操作。
rR0=0,允许读寄存器R0；M_nIO=1、nRD=1、nWR=0，允许写存贮器；点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T2的时刻完成对存贮器的写入操作。
rR0=1，M_nIO=1、nRD=1、nWR=1，结束写MEM操作。
（5）将当前地址的存贮器中数据读出，写入R0寄存器中。
将IN单元置00010101，wMAR=0，允许写MAR，M_nIO=0、nRD=0、nWR=1，点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T3的下降沿IN单元输出的数据写入地址寄存器MAR。
wMAR=1,结束写MAR操作。
wR0=0,允许写寄存器R0；M_nIO=1、nRD=0、nWR=1，允许读存贮器；点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，T2、T3时刻MEM单元输出数据，在T3的下降沿MEM单元输出的数据写入R0。
wR0=1，M_nIO=1、nRD=1、nWR=1，结束写R0操作。
（6）读R0寄存器，数据写入OUT单元，用数码管显示数据。
rR0=0,允许读寄存器R0；M_nIO=0、nRD=1、nWR=0，允许写I/O设备；点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T2的下降沿，R0寄存器输出的数据写入OUT单元。
rR0=1、M_nIO=1、nRD=1、nWR=1，结束本次操作。
三、实验结果及分析
本次实验由于是2人完成，由我的学号作为地址，将另一个人的学号输出。
四、思考题
１．本实验系统中外设的读写控制信号如何得到的？
对外设的读、写控制信号能不能同时发出？
对存储器呢？
本实验系统中外设的读写控制信号是拨开关得到的，对外设的读、写控制信号不能同时发出，对存储器的读、写控制信号也不能同时发出。
２．总线上的部件输出数据时为什么要加三态门？
三态门是一种扩展逻辑功能的输出级，也是一种控制开关。
主要是用于总线的连接，因为总线只允许同时只有一个使用者。
通常在数据总线上接有多个器件，每个器件通过OE/CE之类的信号选通。
如器件没有选通的话它就处于高阻态，相当于没有接在总线上，不影响其它器件的工作。
实验三具有中断控制功能的总线接口实验
具有DMA控制功能的总线接口实验
一、实验目的
DMA控制信号线的功能和应用；掌握在系统总线上设计DMA控制信号线的方法。
二、实验内容
直接存贮器传送DMA是指将外设的数据不经过CPU直接送入存贮器，或者，从存贮器不经过CPU直接送往外围设备。
一次DMA传送只需要执行一个DMA周期，能够满足一些高速外设数据传输的需要。
现在流行的ARM类CPU，内部集成有多个DMA控制器，允许SD卡、USB、CAN、串口、AD、DA等与存贮器之间通过DMA方式传输数据，可以大大减少占用CPU的时间。
DMA控制器（简称DMAC）传输数据时，需要占用总线，总线的控制权需要在CPU和DMAC之间切换，这就需要控制总线提供相应的信号，实现这种切换，避免总线竞争。
外设需要DMA传输时，向DMAC提出请求，DMAC通过控制总线HOLD信号向CPU提出DMA请求；CPU在当前总线周期结束时，响应DMA请求：
释放总线控制权，发出有效HLDA信号给DMAC；DMAC接受总线控制权，开始DMA传输，传送完毕后，撤销HOLD信号，释放总线控制权；CPU收回总线控制权，同时使HLDA信号失效。
实验原理图
如上图所示，CPU在每个机器周期的T3时刻结束时锁存DMA请求HOLD，如果有DMA请求，生成有效的HLDA信号，
（1）锁住CPU时钟信号，使T1、T2、T3均无效，冻住CPU
（2）释放控制总线、数据总线、地址总线，外部总线都处于高阻状态；DMAC接受总线控制权，等DMA传输完毕，撤消HOLD信号；CPU在每个时钟周期，检查HOLD信号，监测到无效的HOLD的信号后，
（1）CPU输出时钟信号，使CPU可以继续工作
（2）收回控制总线、数据总线、地址总线控制权。
在本实验中，检查U36（74HC245，CPU内外数据总线缓冲器）、U37（74HC245，CPU内外地址总线缓冲器）的OE脚，判断CPU是否失去数据总线、地址总线的控制权；通过检查CBus单元的nIO_RD、nIO_WR、nM_RD、nM_WR信号，检查CPU对控制总线的控制权。
三、实验结果及分析
四、思考题
１．ＣＰＵ响应中断的条件是什么？
答：
1、有中断源发出的中断请求；
2、中断总允许位EA=1，即CPU开中断；
3、申请中断的中断源的中断允许位为1，即中断没有被屏蔽；
4、无同级或更高级中断正在被服务；
5、当前的指令周期已经结束
２．中断源的中断向量地址是通过数据线还是地址线送给ＣＰＵ？
答：
数据线
３．ＣＰＵ响应ＤＭＡ请求后，其地址线、数据线和控制线引脚出现什么状态？
答：
高阻态
实验四基本运算器实验
一、实验目的
了解运算器的组成结构；掌握运算器的工作原理。
二、实验内容
运算器内部含有三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，要处理的数据存于暂存器A和暂存器B，三个部件同时接受来自A和B的数据（有些处理器体系结构把移位运算器放于算术和逻辑运算部件之前，如ARM），控制信号S3..S0、CN_I决定哪个部件工作、对操作数进行何种运算，S3..S0通过多路选择开关选择这个部件的结果作为ALU的输出；如果运算影响进位标志FC、零标志FZ、正负标志位FS，在T3状态的下降沿，结果分别锁存到FC、FZ、FS；I是中断允许标志位。
ALU中所有模块集成在一片CPLD中。
逻辑运算部件由逻辑门构成，较为简单，后一节有专门的算术运算部件设计实验，在此对这两个部件不再赘述。
移位运算采用的是8×8位桶形移位器，这样，可以使所有的移位操作都可以一次完成。
下图是一个4×4位桶形移位器
所有的输入通过交叉开关与所有的输出端相连。
如右移2位，第2条对角线（右移2）上的2个交叉开关接通，即第3位（in[3]）右移至第1位（out[1]）,第2位（in[2]）移至第0位（out[0]）。
又如右环移1位，第3条对角线（右移1）和第7条对角线（左3，3=4-1）同时有效，即可方便地实现右环移。
逻辑左移/右移只须把没连接的输出位同时充以“0”即可实现；算术右移也只须把没连接的输出位用符号位填充即可。
运算器部件由一片CPLD实现。
ALU的输出通过三态门连到CPU内部数据总线（iDBus）上，另外还有指示灯标明进位标志FC、零标志FZ、正负标志FS。
请注意：
图中T1、T2、T3、nRST已与CON单元相连，其它信号都来自于ALU单元的排针上。
实验仪所有单元的T1、T2、T3、nRST已与控制台（CON）单元的T1、T2、T3、nRst连接，nRst提供复位信号；T1、T2、T3是一个微指令周期的三个节拍，高电平有效，瞬间只有一个信号有效，初始状态T1、T2、T3都是低电平。
wA（允许写暂存器A）、wB（允许写暂存器B）、rALU（允许ALU结果输出到内部数据总线（iDBus）上），都是低电平有效。
暂存器A和暂存器B的数据能在LED灯上实时显示，原理如下图：
进位标志FC、零标志FZ、正负标志FS、内部数据总线iD7…iD0的显示原理与此类似；B、寄存器R0-3、堆栈寄存器SP、标志寄存器PSW（含FC、FZ、FS、I）共用R_0..R_7八个发光二极管，通过Select按键选择，按键上方的发光二极管指示R_0..R_7显示那个寄存器的值。
ALU功能表
运算类型
S3S2S1S0
CN_I
功能
逻辑运算
0000
0
F=A（直通）
0000
1
F=B（直通）
0001
X
F=A+B（或）
（FZ）
0010
X
F=A*B（与）
（FZ）
0011
X
F=A^B（异或）
（FZ）
0100
X
F=/A（取反）
（FZ）
移位运算
0101
0
F=A不带进位循环右移B（取低3位）位
（FZ）
1
F=A算术右移一位
（FZ）
0110
0
F=A逻辑右移一位
（FZ）
1
F=A带进位循环右移一位
（FC，FZ）
0111
0
F=A逻辑左移一位
（FZ）
1
F=A带进位循环左移一位
（FC，FZ）
算术运算
1000
0
F=A+B
（FC，FZ，FS）
1
F=A+B+FC
（FC，FZ，FS）
1001
0
F=A-B
（FC，FZ，FS）
1
F=A-B-FC
（FC，FZ，FS）
1010
0
F=A+1
（FZ）
1
F=NEGA（取补）
（FZ）
1011
X
F=A-1
（FZ）
其它
1100
X
置FC=CN_I
（FC）
1101
X
置I=CN_I
（I）
1110
（保留）
1111
（保留）
S3、S2、S1、S0、CN_I为控制信号，FC-进位标志，FZ-零标志，FS-正负标志，I-中断允许标志；表中功能栏内的FC、FZ、FS表示当前运算会影响到该标志。
*表中‘X’表示任意值，下同
1、连线说明：
ALU单元：
S0..S3（JP18）
——
开关区单元：
K20..K23（JP89）
ALU单元：
wA、wB、rALU、CN_I（JP19）
——
标题：
上海发出通知为大学生就业—鼓励自主创业，灵活就业2004年3月17日开关区单元：
K15..K12（JP92）
就算你买手工艺品来送给朋友也是一份意义非凡的绝佳礼品哦。
而这一份礼物于在工艺品店买的现成的礼品相比，就有价值意义，虽然它的成本比较低但它毕竟它是你花心血花时间去完成的。
就像现在最流行的针织围巾，为何会如此深得人心，更有人称它为温暖牌绝大部分多是因为这个原因哦。
而且还可以锻炼你的动手能力，不仅实用还有很大的装饰功用哦。
ALU单元：
ALU_D0..ALU_D7（JP25）
3、消费“多样化”——
扩展区单元：
JP62
木质、石质、骨质、琉璃、藏银……一颗颗、一粒粒、一片片，都浓缩了自然之美，展现着千种风情、万种诱惑，与中国结艺的朴实形成了鲜明的对比，代表着欧洲贵族风格的饰品成了他们最大的主题。
ALU单元：
IN0..IN7（JP22）
1、现代文化对大学生饰品消费的影响——
开关区单元：
K0..K7（JP97）
2、打开实验仪电源，按CON单元的nRST按键，将ALU的A、B、FC、FZ、FS、I清零；如果EXEC键上方指示灯不亮，请按一次EXEC键，点亮指示灯，表示实验仪在运行状态。
3、给暂存器A赋初值
（1）拨动开关区单元的K7..K0开关，形成二进制数01011000（或其它值）；指示灯亮，表示该位是‘1’，灭为‘0’。
2、传统文化对大学生饰品消费的影响
（2）拨动开关区单元K15（wA）、K14（wB）、K13（rALU）、K12（CN_I）开关，赋wA=0（允许写A）、wB=1（禁止写B）、rALU=1（不允许ALU输出）、CN_I=0，按CON单元的STEP按键一次,产生一个T1的下降沿，将二进制数01011000写入暂存器A中，ALU单元的A_7…A_0LED上显示A中的值
4、给暂存器B赋初值
4、“体验化”消费
（1）拨动开关区单元的K7..K0开关，形成二进制数10101011（或其它值）。
（2）赋wA=1（禁止写A）、wB=0（允许写B）、rALU=1（不允许ALU输出）、CN_I=0，按CON单元的STEP按键一次,产生一个T2的下降沿，将二进制数10101011写入暂存器B中，ALU单元的R_7…R_0LED上显示B中的值
（六）DIY手工艺品的“创作交流性”5、赋wA=1（禁止写A）、wB=1（禁止写B）、rALU（K10）=0,按uSTEP键，进入T3节拍，
节拍
十几年的学校教育让我们大学生掌握了足够的科学文化知识，深韵的文化底子为我们创业奠定了一定的基础。
特别是在大学期间，我们学到的不单单是书本知识，假期的打工经验也帮了大忙。
DS169
DS168
营销调研课题T1、T2、T3无效
（T1=0、T2=0、T3=0）
0
0
T1
（T1=1、T2=0、T3=0）
0
1
T2
（T1=0、T2=1、T3=0）
1
0
T3
（T1=0、T2=0、T3=1）
1
1
说明：
1-亮；0-灭
当rALU（K13）=0，如果S3S2S1S0的值是0000时，T2、T3节拍时，允许ALU结果输出；S3S2S1S0的值是其它数值，T3节拍时，允许ALU结果输出，显示于扩展区的二位数码管、DS94..DS101的LED上。
6、根据后边的“运算结果表”，改变K20（S0）、K21（S1）、K22（S2）、K23（S3）、K12（CN_I）的值，观察并记录运算器的输出。
例如：
S0=0，S1=0，S2=0，S3=0，ALU的D7_D0=58H；FC、FZ、FS、I不变。
注意：
只有按CON单元的STEP按键一次，产生一个T3的下降沿，ALU才将标志位FC、FZ、FS、I写入标志寄存器PSW中，才能在ALU单元的FZ、FC、FS、I指示灯上看到结果。
如果实验仪、PC联机操作，则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果，方法是：
打开软件，在星研软件的工具条中选择“运算器实验”，打开运算器实验的数据通路图。
进行上面的手动操作，点击工具条上单节拍或单周期命令图标，数据通路图会反映当前运算器所做的操作。
数据通路图
重复上述操作，并完成下表。
然后改变A、B、CN_I的值，验证FC、FZ
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