《计算机组成原理与系统结构》实验指导书.docx
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《计算机组成原理与系统结构》实验指导书
实验1运算器组成实验
实验序号：
1实验名称：
运算器组成实验
适用专业：
计算机科学与技术学时数：
4学时
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。
二、实验原理
实验中所用的运算器数据通路如图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。
运算器经过一个三态门（74LS245）和数据总线相连，运算器的两个数据输入端分别由二个锁存器（74LS373）锁存，锁存器的输入连至数据总线，数据开关（“INPUTDEVICE”）用来给出参与运算的数据，并经过一三态门（74LS245）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1－1运算器数据通路
图中已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），其中除T4为脉冲信号，其他均为电平信号。
由于实验电路中的时序信号均已连至“W/RUNIT”的相应时序信号引出端，因此，在进行实验时，只需将“W/RUNIT”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，而S3、S2、S1、S0、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU-B、SW-B各电平控制信号用“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。
三、实验内容
1、按照图1-2连接实验线路，仔细查线无误后，接通电源。
图1－2实验连接图
2、用二进制数码开关向DR1和DR2寄存器置数。
具体操作步骤图示如下：
数据开关
（10100111）
寄存器DR1
（01100101）
寄存器DR2
（10100111）
三态门
数据开关
（01100101）
ALU-B=1
SW-B=0
LDDR1=0
LDDR2=1
T4=
LDDR1=1
LDDR2=0
T4=
检验DR1和DR2中存的数据是否正确，具体操作为：
关闭数据输入三态门（SW-B＝1），打开ALU输出三态门（ALU-B＝0），当置S3、S2、S1、S0、M为11111时，总线指示灯显示DR1中的数，而置成10101时总线指示灯显示DR2中的数。
3、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1-1中，并和理论分析进行比较、验证。
表1－1
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）
0011
F=（）
F=（）
F=（）
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=（）
四、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。
五、实验预习要求
1、复习运算器的基本组成与工作原理。
2、掌握74LS181的工作原理。
六、实验报告
1、按照表1-1填写实验结果
2、分析、总结实验结果
实验2存储器实验
实验序号：
2实验名称：
存储器实验
适用专业：
计算机科学与技术学时数：
4学时
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、实验原理
实验所用的半导体静态存储器电路原理如图2-1所示，实验中静态存储器一片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，显示地址线内容。
数据开关经一三态门（74LS245）连至数据总线，分时给出地址和数据。
图2－1存储器实验原理图
因地址寄存器为8位，接入6116的地址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。
三、实验内容
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H24，调节电位器W1，使H24端输出实验所期望的频率的方波。
2）将时序电路模块中的φ和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T3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。
4）关闭电源。
2、按图2-2连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。
由于存储器模块内部的连线已经接好，因此只需要完成实验电路的形成、控制信号模拟开关、时钟脉冲信号T3与存储模块的外部连接。
3、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0号单元写入11为例）
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写前面写入的一致。
具体操作步骤如下：
（从0号单元读出11数据为例）
四、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。
五、实验预习要求
1、复习静态随机存储器RAM工作特性
2、了解三态门以及地址锁存器和6116的工作原理及组成
六、实验报告
要认真记录存储器进行读写的步骤
实验3微控制器实验
实验序号：
3实验名称：
微控制器实验
适用专业：
计算机科学与技术学时数：
4学时
一、实验目的
1、掌握时序产生器的组成原理
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、实验原理
实验所用的时序电路原理如图3-1所示，可产生4个等间隔的时序信号TS1－TS4，其中φ为时钟信号，由实验台右上方的方波信号源提供，可产生频率及脉宽可调的方波信号。
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TS1-TS4信号输出可控。
图中STEP（单步）、STOP（停机）分别是来自实验板上方中部的两个二进制开关STEP、STOP模拟信号。
START键是来自实验板上方中部的一个微动开关START的按键信号。
当STEP开关为0时（EXEC），一旦按下启动键，运行触发器Cr一直处于“1”状态，因此时序信号TS1－TS4将周而复始的发送出去。
当STEP为1（STEP）时，一旦按下启动键，机器便处于单步运行状态，即此时只发送一个CPU周期的时序信号的停机。
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STOP开关置“1”（STOP），也会使机器停机。
图3－1时序电路原理图
由于时序电路的内部线路已经连好，所以只需将时序电路与方波信号源连接（即将时序电路的时钟脉冲输入端φ接至方波信号发生器输出端H23）,时序电路的CLR已接至实验板左下方的CLR模拟开关上。
微程序控制器的组成见图3-2，其中控制存储器采用3片2816的E2PROM，具有调电保护功能，微命令寄存器18位，用两片8D触发器（273）和一片4D（175）触发器组成。
微地址寄存器6位，用三片正沿触发的双D触发器（74）组成，他们带有清“0”端和预置端。
在不判别测试的情况下，T2时刻打入微地址寄存器的内容即为下一条微指令地址。
在T4时刻进行测试判别时，转移逻辑满足条件后输出的负脉冲通过强置端将某一触发器置为“1”状态，完成地址修改。
在该实验电路中设有一个编程开关（位于实验板右上方），它具有三种状态：
PROM（编程）、READ（校验）、RUN（运行）。
当处于“编程状态”时，学生可根据微地址和微指令格式将微指令二进制代码写入到控制存储器2816种。
当处于“校验状态”时，可以对写入控制器的二进制代码进行校验，从而可以判断写入的二进制代码是否正确。
当处于“运行状态”时，只要给出微程序的入口微地址，则可根据微程序流程图自动执行微程序。
图中微地址寄存器输出端增加了一组三态门，目的是隔离触发器的输出，增加抗干扰能力，并用来驱动微地址显示灯。
微指令字长共24位，其控制顺序如下：
表3－1
其中UA5-UA0为6位的后续微地址，A、B、C为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位。
C字段中的P
（1）-P（4）是四个测试字位。
其功能是根据机器指令及其相应微代码进行译码，使微程序转入相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行，其原理如图3－3所示，图中I7-I2为指令寄存器
图3－2微控器实验原理图
的7－2位输出，SE5-SE1为微控制单元微地址锁存器的强置端输出。
AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位，其为零有效。
B字段中的RS-B、R0-B、RI-B分别为源寄存器选通信号、目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1及R2的选通译码，其原理图如图3－4，图中I0-I4为指令寄存器的第0－4位，LDRi为打入寄存器信号的译码器使能控制位。
图3－3
图3－4
三、实验内容
1、图3－5为几条机器指令对应的参考微程序流程图，将全部微程序按微指令格式变成二进制代码，可得到表3－2的二进制代码表。
图3－5微程序流程图
2、按图3－6连接实验线路，仔细检查无误后接通电源。
图3－6实验线路图
3、观测时序信号
用双踪示波器（或PC示波器功能）观察方波信号源的输出，时序电路中的“STOP”开关置为“RUN”，“STEP”开关置为“EXEC”。
按动START按键，从方波器上可观察到TS1、TS2、TS3、TS4各点的波形，比较他们的相互关系，画出其波形，并标注测量所得的脉冲宽度，见图3－7。
表3－2二进制代码表
4、观察微程序控制器的工作原理
1编程
A.将编程开关置为PROM状态
B.将实验板上“STATEUNIT”中的“STEP”开关置为“STEP”，“STOP”开关置为“RUN”。
C.用二进制模拟开关置微地址MA5-MA0。
D.在MK24-MK1开关上置微代码，24位开关对应24位显示灯，开关量为“0”时灯亮，开关量为“1”时灯灭。
E.启动时序电路（按动启动按钮“START”）即将微代码写出到E2PROM2816的相应地址对应的单元中。
F.重复C-E步骤，将表3－2的微代码写出2816。
图3－7
2校验
A.将编程开关置为READ（校验）状态
B.将实验板上的“STEP”开关置为“STEP”，“STOP”开关置为“RUN”。
C.用二进制模拟开关置微地址MA5-MA0。
D.按动启动按钮“START”键，读出微代码，观察显示灯MD24-MD1的状态（灯亮为0，灯灭为1），检查读出的微代码是否与写入相同。
如不同，则将开关置于PROM编程状态，重新执行①即可。
3单步运行
A.将编程开关置为RUN（运行）状态。
B.实验板的“STEP”及“STOP”开关保持原装。
C.操作CLR开关，使CLR信号1→0→1，微地址寄存器MA5-MA0清零，从而明确本机的运行入口微地址为000000（二进制）。
D.按动启动按钮“START”键，启动时序电路，则每按动一次启动键，读出一条微指令后停机，此时实验台上的微地址显示灯将显示所读出的一条指令。
4连续运行
A.将编程开关置为RUN（运行）状态。
B.将实验板上“STEP”开关置为“EXEC”状态。
C.使CLR信号1→0→1，此时微地址寄存器清零，从而明确本机的运行入口微地址为000000（二进制）。
D.启动时序电路，则可连续读出微指令。
四、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。
五、实验预习准备
1．预习时序电路工作原理
2．预习微程序控制器的组成原理
六、实验报告
1．记录微程序执行的具体状态
2．分析实验现象
实验四总线控制实验
实验序号：
4实验名称：
总线控制实验
适用专业：
计算机科学与技术学时数：
4学时
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、实验原理
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共信息线。
实验所用总线传输实验框图如图4-1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，就可实现总线信息传输。
图4－1总线传输实验框图
三、实验内容
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用LED数码管显示
1、按照图4-2实验接线图进行连线。
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。
图4－2实验接线图
四、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。
五、实验预习准备
1、掌握总线的工作原理与传输控制特性
六、实验报告
1、绘制总线各个部分的连线图
2、记录总线传输数据的具体步骤
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