计算机组成与结构实验指导学生1.docx
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计算机组成与结构实验指导学生1
《计算机组成与结构》实验指导
（学生用书）
1.实验硬件环境简介
2.运算器原理实验
3.存储器工作原理实验
4.简单模型机的设计与实现
实验硬件环境简介
一．系统构成
TDN-CN计算机组成原理实验箱由八个功能模块单元构成，各功能模块的名称及包含的主要器件如表1-1所示。
表1-1TDN-CM系统构成
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、通道内部总线
程序存储器单元
（PRAMUNIT）
RAM6116、地址寄存器、地址移位寄存器
微控器单元
（MCROCONTROLLERUNIT）
指令寄存器、指令译码器、微代码控制寄存器及其编程器、逻辅译码单元、时序电路
逻辑信号测量单元
两路逻辑信号PC示波器12131313131
单片机控制单元
（PCUNIT）
控制单片机、RS-232C串口等
I/O单元
开关、显示灯、控制台（读写、启动、停机〉
电源
采用高效开关电源、输出为5V/2A、±12V/02A
系统操作器（选件〉
24键键盘和8位LED显示、打印机接口
二．系统主要元件配置
系统中各主要功能单元所采用的器件如表1-2所示
表1-2实验板的主要元件配置
名称
器件型号
数量
运算器
74LS181
2
移位器
74LS299
1
通用寄存器
74LS273
2
74LS274
3
指令程序存储器
SRAM6116
1
指令寄存器
74LS273
1
程序计数器
74LS161
2
时序发生器
74LS175
1
74LS74
1
启停控制器
拨动开关
2
微动开关
2
微程序控制存储器
E2PROM2816
3
微指令寄存器
74LS273
2
74LS175
1
微地址寄存器
74LS74
3
编辑运行方式开
三态开关
1
信号源
555
1
74LS123
1
电位器
2
显示灯
发光二极管
8
机内电源
|5V、±12V输出
8
单片机
89C51
1
串行通讯接口
MC1488
1
MC1489
1
9针插座
1
实验用元件
排线若干
三．系统单元电路简介
1．运算器单元（ALUUNIT）
运算器电路单元由两部分组成：
运算器单元（ALUUNIT）和寄存器堆单元（REGUNIT），运算器运算器电路单元位于实验板的左部，其中标有“ALUUNIT”。
运算器单元（ALUUNIT）由以下几部分的组成
（1）数据暂存器：
由两个位寄存器DR1和DR2组成；
（2）8位ALU：
由两片74LS181串联而成；
（3）8位的移位寄存器：
由一片74LS299实现
（4）三态缓冲输出：
由三门74LS245通过排线将8位ALU的输出连接到数据总线；
（5）进位标志和零标志控制电路：
由通用阵列逻辑GAL和74LS74实现
（6）进位标志和为零标志指示灯
寄存器单元（REGUNIT）的组成
由3片LS374分别组成3个8位的寄存器，这三个寄存器的输入已连接至总线，而输出共用一个RJ1引出，待用排线连至总线。
2．存贮器单元（PRAMUNIT）
程序存贮单元位于实验板的中部，其中标有“PRAMUNIT”，它包括程序存贮器SRAM、地址寄存器AR、程序计数器PC及位地址显示灯。
单元中程序计数器、地址寄存器的输入已接至总线，而程序计数器的输出排针ADJ6及程序存贮器的输出排针ADJ5待用排线接至总线。
3．指令寄存器单元（INSUNIT）
指令寄存器单元位于实验板的右下部，其中标有“INSUNIT”，由一片74LS273构成，构成模型机时用它作为指令译码器电路的输入，实现程序跳转控制。
4．时序电路单元（STATEUNIT）
时序控制单元位于实验板的右上部方，标有“STATEUNIT”，其电路由四部分组成：
消抖电路（KK1）、时序控制（TS1、TS2、TS3、TS4）、时钟信号源（φ）、拔动二进制开关组（STOP、STEP）。
使用时只须将φ与信号源输出的插孔相连，然后按动START（KK1）根据STOP及STEP的状态，T1到T4将输出有规则的方波信号。
5．微程序控制电路（MICRO-CONTROLUNIT）
微程序控制电路的功能比较复杂，这里只介绍其实现的基本功能，在微程序控制器工作原理实验（实现三）中会对其内部结构作详细的说明。
微程序控制电路的主要功能是：
首先根据每条指令的功能，安排其执行的各步骤，每一个步骤对应一个微指令，编写微程序并将其写入到控制存贮器2816E2PROM中，在程序执行时微程序控制电路接受机器指令的操作码，使控制转向相应机器指令对应微程序的首条微指令，再通进过由CLK引入的时序节拍脉冲的控制，来对微指令依次读出。
实验板上的MICROCONTROLLER单元中的MD0-MD23共24位显示灯显示的状态即为从控存中读出的微指令。
然后，其中几位再经过译码，一并产生实验板所需的控制信号，将它们加到数据通路中的相应的控制位，来对该条机器指令的功能进行解释和执行。
当该条机器指令执行完毕后，再取出下一条机器指令的操作码来执行其对应的微程序……这样周而复始，就可以实现机器指令程序的运行。
四．系统布局图
实验一运算器原理
一.实验目的
1.掌握简单运算器的数据传送通路；2.验证运算功能发生器（74LS181〉的组合功能；3．进位标志的设置实验
二．实验设备TDN-CM计算机组成原理教学实验系统一台；排线若干。
三.实验内容1.验证算术逻辑运算器74LS181的组合功能
（1）数据通路
1本次实验所用的运算器数据通路如图l-1所示。
图1-1运算器数据通路
（2）实验控制信号的连接：
在图1-1中中己将用户需要连接的控制信号用圆圈标明〈其他实验相同；不再说明〉；其中：
1T4为脉冲信号；
由于实验电路中的时序信号均已连至"JTUNIT"的相应时序信号引出端；因此；在进行实验时；只需将"JTUNIT"的T4接至"STATEUNIT"的微动开关KK2的输出端；按动微动开关；即可获得实验所需的单脉冲。
2
S3、S2、sl、s0、Cn、M、IDDR1、LDDR2、ALU-B、SW-B均为电平信号；各电平由“SWITCHUNIT”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）实验接线图如图1-2所示。
图1-2实验接线图
（3）验证74LS181的算术运算的逻辑运算功能（采用正逻辑）在给定DR1=65H，DR2=A7H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：
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=（）
F=（）
F=（）
65
A7
0001
F=（）
F=（）
F=（）
65
A7
0010
F=（）
F=（）
F=（）
65
A7
0011
F=（）
F=（）
F=（）
65
A7
0100
F=（）
F=（）
F=（）
65
A7
0101
F=（）
F=（）
F=（）
65
A7
0110
F=（）
F=（）
F=（）
65
A7
0111
F=（）
F=（）
F=（）
65
A7
1000
F=（）
F=（）
F=（）
65
A7
1001
F=（）
F=（）
F=（）
65
A7
1010
F=（）
F=（）
F=（）
65
A7
1011
F=（）
F=（）
F=（）
65
A7
1100
F=（）
F=（）
F=（）
65
A7
1101
F=（）
F=（）
F=（）
65
A7
1110
F=（）
F=（）
F=（）
65
A7
1111
F=（）
F=（）
F=（）
2．进位标志的控制实验
（1）数据通路图
进位控制运算器的实验原理如图1-3所示，与图1-1不同的是在高位74LS181的进位控制信号CN+4的输出端加入了一个74LS74锁存器，控制信号CN+4在电平信号AR的脉冲信号T4的作用下可锁存到74LS74，作为进位标志CY，CY的状态可由发光二极管显示（二极管亮时表示进位标志为0，无进位；二极管灭时表示进位标志为0，无进位）。
图1-3进位标志控制实验数据通路图
（2）实验步骤：
1按图1-4连接好实验线路，仔细检查无误后，接通电源。
（在验证运算功能发生器的实验连线的基础上只增加了AR控制信号）请注意CN信号的连接。
图1-4进位标志控制实验接线图
2验证带进位运算及进位锁存功能
用实验板计算78+44，并将运算结果和进位信号CY与理论值进行比较
四、实验报告
1．分析数据通路图的特点。
2．对实验过程中的数据进行记录并与理论值进行比较。
五、思考题
1．在实验过程中如何确定数据是否存入DR1、DR2?
2．如何确定数据指示灯所显示的内容是哪个部件的?
实验二存储器工作原理
一.实验目的
1.掌握静态随机存储器SRAM的工作特性；
2.掌握SRAM的数据读写方法。
二．实验设备TDN-CM计算机组成原理教学实验系统一台；排线若干。
三.实验内容
1．数据通路
本实验所采用的数据通路如图2-1所示，实验中的静态存储器由下片6116（2K*8）构成，其数据线直接连接至数据总线，地址线由地址锁存器（74LS273）给出。
地址指示灯AD0—AD7与地址线相连，用来显示地址线内容。
数据开关经三态门（74LS245）连至数据总线，用于分时传送地址和数据。
图2-1存储器实验数据通路图
2．实验原理
6116的总容量为2KB，共11根地址线。
但在本实验中，将其高三位A8—A10接地，而将低8位地址送入地址锁存器，所以6116的实际容量为256节。
6116的主要控制信号有三个：
CE（片选）、OE（输出使能）、WE（写线）。
在本实验中将OE信号接地，在CE和OE信号的控制下6116所进行的操作如表2—1所示：
CE
WE
操作说明
0
0
写数据操作
0
1
读数据操作
1
X
不工作
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，其脉冲宽度可调节，其客观存在电平控制信号由“SWITCHUNIT”单元的二进制开关模拟，其是SW—B为低电平有效，LDAR为高电平有效。
3．实验步骤
（1）连接实验线路
按图2-2连接实验线路，仔细检查无误后接通电源。
图2-2存储器实验接线图
（2）给存储器6116的00、02、01、03、04地址单元中分别写入数据11、12、13、14、15。
（3）从SRAM中读出数据
依次读出从00—04号单元的内容，观察上述各单元中的内容是否与前面写入的一致。
四、实验报告
1．分析运算器数据通路的特点。
2．分析数据写入时数据通路各控制信号的如何给出？
3．分析数据读出时数据通路各控制信号的如何给出？
实验三简单模型机的设计与实现
一、实验目的
1．掌握指令格式、寻址方式、指令系统的设计。
2．掌握微程序控制器的设计方法，进一步理解微指令、微周期、微地址等基本概念。
3．理解时序信号和微命令作用下，数据通路的形成过程，建立单机系统的整机概念。
二、实验设备
TDN-CM计算机组成原理实验系统一套，排线若干。
三、实验内容
1．分析模型机的硬件设计，包括运算器、存储器、总线、微程序控制器、时序电路、指令译码电路、微地址转移逻辑。
2．设计模型机的指令系统，包括指令格式、指令类型、寻址方式等。
3．按模型机的时序及数据通路，写出指令的微程序流程并安排设计微地址。
4．将微程序写入控制存储器，编写简单机器指令程序并调试运行。
四、实验原理
1．数据通路
模型机数据通路设计如图1所示。
图1数据通路框图
图2时序产生电路
2．时序产生电路
模型机采用节拍电位和节拍脉冲两级时序体制作为微操作信号的定时信号，
4个节拍脉冲构成一个微周期。
时序产生电路如图2所示。
图2左半部分为4个等间隔节拍脉冲TS1-TS4的产生电路，Φ为时钟信号源输入端。
实验箱内部电路能够产生连续的方波脉冲，并可通过实验台右上方的输出端H23或H24引出。
实验中，只需将H23或H24连到Φ就可以产生节拍脉冲TS1-TS4。
图2右半部分为启停控制电路，四个控制信号STEP（单步）、STOP（停机）、CLR（总清0）和START（启动）的功能如表1所示。
表1启停控制电路功能表
CLRSTOPSTEPSTART
输出TS1-TS4
0ΧΧΧ
11（STOP）ΧΧ
10（RUN）1（STEP）
10（RUN）0（EXEC）
总清0，不产生节拍脉冲
停机，TS4产生后停机
单步运行方式，按动START，产生一个周期的TS1-TS4后停机
连续运行方式，按动START，产生周而复始的TS1-TS4
信号STEP和STOP可由实验台上方中部的模拟开关拨动控制，START信号可由实验台上方中部的微动开关按键产生，CLR信号则可由实验台右下方的模拟开关拨动控制。
当STOP置为“RUN”状态，STEP置为“EXEC”状态，CLR置“1”时，按动START后，TS1-TS4端产生的时序信号波形如图3所示。
图3时序信号
时序信号配合下的模型机数据通路见图4。
3．微程序控制电路及微指令格式
（1）微程序控制电路
微程序控制器组成如图5所示，其中，控制存储器由3片2816E2PROM构成，能够写入、读出信息，并具有掉电保护功能。
微命令寄存器24位，由2片8D触发器（273）和1片4D触发器（175）构成，其输出直接产生或经3-8译码器译码后形成微操作控制信号。
微地址寄存器6位，用三片正沿触发的双D触发器（74）组成，它们带有清“0”端和置位端。
当CLR（总清0）信号为“0”时，微命令寄存器和微地址寄存器同时清0。
当CLR为“1”时，控制存储器送出的微指令中，操作控制字段及判别测试字段在T2时刻被打入微命令寄存器，直接或经3-8译码器译码后产生微操作控制信号；下址字段被打入微地址寄存器，经三态缓冲器（245）控制后在微地址显示灯上显示出来。
在不判别测试的情况下，打入微地址寄存器的下址字段内容即为下一条要执行微指令的地址。
判别测试时，将地址转移输出连至SE1-SE6（双D触发器74的置位端，低电平有效），在T4时刻，可通过强行置位的方法改变微地址寄存器的内容，形成地址转移。
控制存储器2816在实验台右侧中上部的编程开关的控制下，具有三种工作状态，分别为：
PROM（编程）、READ（校验）和RUN（运行）。
PROM状态用来将微指令写入2816，READ状态用来从2816中读出微指令进行校验。
进行PROM或READ时，在实验箱内部单片机控制下，三态缓冲器245输出被封锁，下方的锁存器（374）被作为2816的地址寄存器，按动START，启动时序电路后，由接线端MJ19送入的微指令地址（2816的单元地址）被T1上升沿打入374，选中2816的一个单元，同时被显示在微地址显示灯上。
PROM时，2816处于写入状态，微代码开关MK23-MK0的状态被写入374选中的2816单元。
READ时，2816处于读状态，由374选中的2816单元内容——读出的微代码，被显示在微代码显示灯上。
不论是PROM状态还是READ状态，微指令地址都需要手工拨动“SWITCHUNIT”单元的模拟开关UA5-UA0产生，因此在实验中，需将“SWITHUNIT”单元的UA5-UA0与“MICRO-CONTROLER”单元的MA5-MA0（MJ19）连接，通过UA5-UA0开关置微指令地址。
“RUN”状态时，2816处于读状态，374输出被封锁，启动时序电路后，2816中读出的内容在T2时刻打入微指令寄存器和微地址寄存器，其中的微代码显示在微代码显示灯上，下址字段经245显示在微地址显示灯上。
图4时序信号作用下的模型机数据通路
图5微控制器原理图
（2）微指令格式
微指令字长共24位，采用混合编码法，其控制位顺序如表2所示。
其中24-16位采用直接控制方式，UA5-UA0为6位后续微地址，A、B、C为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位，译码电路由3-8译码器实现（见图5）。
C字段为判别测试字段，译码后形成4个判别测试位，功能是根据不同的条件（机器指令操作码、状态条件等）改变微地址，使微程序转入相应的微地址入口，形成微程序的分支、循环。
微地址转移逻辑见图6。
（3）微地址转移逻辑
模型机微地址转移逻辑设计如图6所示。
转移条件包括指令寄存器IR7-IR2位（图中示为I7-I2）、ALU的状态信息FC和FZ、状态测试位P
（1）-P（4）、控制开关SWB和SWA。
图6微地址转移逻辑电路
要实现地址转移，须将地址转移电路输出端SE6-SE1（位于实验台右下方“LOGUNIT”单元）连至“MICROCONTROLER”单元的微地址寄存器MA5-MA0的强行置位端SE6-SE1（见图5，低电平有效）。
当SE6-SE1中某一位或几位输出低电平时，微地址寄存器相应触发器被置“1”，下址字段被改变，地址转移。
依据图6，地址转移表达式如下：
与SE5-SE1对应的微地址MA4-MA0（MA5未设置）的置位情况如表3所示。
表3微地址转移逻辑
测试名称
P
（1）P
（2）P（3）P（4）
MA4MA3MA2MA1MA0
说明
P
（1）测试
0111
—I7I6I5I4
依据I7-I4修改MA3-MA0，形成16路分支。
可作为操作码测试。
P
（2）测试
1011
———I3I2
依据I3和I2形成4路分支。
P（3）测试
1101
FC+FZ————
进位（FC=1）或结果为0（FZ=1）时，形成两路分支。
P（4）测试
1110
———SWBSWA
依据SWB、SWA形成控制台4路分支。
4．寄存器单元电路
模型机设置了三个通用寄存器，分别为R0、R1和R2，见图4左下部分。
寄存器的存取控制由微指令B字段产生的四个控制信号LDRi、RD-B、RS-B、RI-B进行控制。
LDRi是寄存器的输入控制信号，与T4节拍脉冲相与后，形成寄存器的打入脉冲。
模型机将R2作为变址寄存器，由RI-B作为变址寄存器的输出控制。
RD-B是目的寄存器输出控制；RS-B是源寄存器的输出控制。
RI-B、RD-B和RS-B都是电平控制信号。
模型机的“LOGUNIT”单元电路将上述微操作信号译码后产生具体某一个寄存器的打入脉冲和输出允许信号，如图7所示。
其中，I3-I0是指令寄存器的IR3、IR2、IR1、IR0位。
图7产生的寄存器读写控制命令如表4所示。
图7寄存器读写控制电路
表4寄存器存取控制表
微控器控制信号
I3I2I1I0
输出
LDRi
LDRi
LDRi
RD-B
RD-B
RD-B
RS-B
RS-B
RS-B
RI-B
ΧΧ00
ΧΧ01
ΧΧ10
ΧΧ00
ΧΧ01
ΧΧ10
00ΧΧ
01ΧΧ
10ΧΧ
ΧΧΧΧ
LDR0
LDR1
LDR2
R0-B
R1-B
R2-B
R0-B
R1-B
R2-B
R2-B
5．程序计数器单元电路
程序计数器PC由2片74161构成，见图4右边中下部。
微指令产生的LDPC微命令是161的计数脉冲，也就是当LDPC高电平有效时，在T4时刻PC自动加1。
LOAD微命令是PC的装入数据命令，但PC装入数据时，同时要求LDPC有效。
微指令B字段译码产生的PC-B微命令能够将PC内容送到总线上。
6．指令寄存器单元电路
指令寄存器IR由1片8D触发器273构成，见图4右下部。
微指令A字段译码产生的LDIR微命令是IR的装入命令。
当LDIR高电平有效时，在T4时刻，将总线上的信息打入IR，并直接送入微程序控制器。
7．输入输出单元
模型机将位于实验台左下角的“DATAUNIT”单元的模拟开关作为输入设备；将发光二极管作为输出设备。
发光二极管与总线直接相连，总线上的所有信息都可由发光二极管显示。
8．控制台微程序及机器指令微程序设计举例
（1）控制台微程序
模型机中，依据微程序地址转移逻辑，当微指令执行P（4）测试时，能够根据“SWITCHUNIT”单元的开关SWB、SWA强制修改微地址寄存器MA1、MA0的值，产生四路分支。
因此，可用SWB、SWA开关量来控制模型机的工作状态，执行不同的微程序。
这一部分的微程序称为控制台微程序。
本实验中，控制台微程序需要在微地址“000000”单元处设置一条微指令：
用开关将RAM首地址置入PC，执行P（4）测试。
然后用SWB、SWA开关控制形成三路分支，分别完成RAM中机器指令程序的写入、校验、启动。
控制台微程序流程图如图8所示。
SWB、SWA的开关状态与对应的模型机的工作状态如表5所示。
表5控制台开关设置
SWB
SWA
模型机工作
0
0
存储器写操作
0
1
存储器读操作
1
1
启动程序
存储器写操作：
拨动总清开关CLR（0→1），使微地址寄存器清0，从“00（八进制）”单元处取出微指令。
设置控制台开关SWB、SWA为“00”，将“DATAUNIT”单元的开关置为要写入RAM的首地址，按动START，执行“00（八进制）”单元的微指令，设置好的RAM地址被写入PC，判别测试后转入微地址“10（八进制）”，微地址显示灯显示下一条要执行的微指令地址“001000”。
每按动一次START，执行一条微指令。
该微程序执行时，每次只需当微地址显示灯显示“001010”时，将“DATAUNIT”单元的开关置为要写入RAM的内容，按动START就可以对RAM连续手动写操作，RAM地址由微程序自动加1并置入。
存储器读操作：
拨动总清开关CLR（1→0→1），使微地址寄存器清0，从“00（八进制）”单元处取出微指令。
设置控制台开关SWB、SWA为“01”，将“DATAUNIT”单元的开关置为要读出RAM单元的首地址，按动START，执行“00（八进制）处的微指令，判别测试后转入校验流程执行。
该微程序执行时，按动START可对RAM进行连续手动读操作，RAM地址由微程序自动加1并置入，每次在微地址显示灯显示“001100”时，按动START，总线上就显示要读出RA
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