《计算机组成原理》实验讲义.docx

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《计算机组成原理》实验讲义

计算机组成原理

实验指导

肇庆学院计算机学院

计算机组成原理课程组

2011年9月

目录

TDN-CM++计算机组成原理教学实验设备介绍3

（一）．实验准备和实验注意事项3

（二）．实验装置各单元介绍3

（三）、实验设备的数据通路结构7

实验一运算器实验：

算术逻辑运算实验8

实验二运算器实验：

进位控制实验14

实验三静态随机存储器实验18

实验四数据传送实验23

实验五微控制器实验26

实验六基本模型机实验35

TDN-CM++计算机组成原理教学实验设备介绍

（一）．实验准备和实验注意事项

1．本课程实验使用专门的TDN-CM++计算机组成原理教学实验设备，使用前后均应仔细检查主机板，防止导线、元件等物品落入装置内导致线路短路、元件损坏。

2．完成本实验的方法是先找到实验板上相应的丝印字及其对应的引出排针，将排针用电缆线连接起来，连接时要注意电缆线的方向，不能反向连接；如果实验装置中引出排针上已表明两针相连，表明两根引出线内部已经连接起来，此时可以只使用一根线连接。

3．为了弄清计算机各部件的工作原理，前面几个实验的控制信号由开关单元“SWITCHUNIT”模拟输入；只有在模型机实验中才真正由控制器对指令译码产生控制信号。

在每个实验开始时需将所有的开关置为初始状态“1”。

4．本实验装置的发光二极管的指示灯亮时表示信号为“0”，灯灭时表示信号为“1”。

5．实验接线图中带有圆圈的连线为实验中要接的线。

6．电源关闭后，不能立即重新开启，关闭与重启之间至少应有30秒间隔。

7．电源线应放置在机内专用线盒中。

8．保证设备的整洁。

（二）．实验装置各单元介绍

实验装置如下图所示。

整个实验装置由若干个相互独立的、又有一定联系的逻辑电路单元组成。

利用本实验装置开展实验的基本方法就是根据某个具体实验目的和要求将相应单元用电缆线连接起来，通过输入装置输入数据和模拟控制信号，通过输出装置的显示检查结果。

这些单元包括：

1．运算器单元（ALUUNIT）

运算器单元位于实验线路板左部，它包括运算器单元和寄存器堆单元。

（1）运算器单元（ALUUNIT）

运算器单元由以下部分构成：

两片74LSl81构成8位ALU；两个8位寄存器DRl和DR2作为暂存工作寄存器，保存参数或中间运算结果。

ALU的输出由三态门74LS245通过排针连到数据总线上；一片8位的移位寄存器74LS299可通过排针连到数据总线上，由GAL和74LS74锁存器组成进位标志控制电路和为零标志控制电路，进位标志和为零标志指示灯。

（2）寄存器堆单元（REGUNIT）

寄存器堆单元由三片8位寄存器（都是74LS374）R0、R1、R2组成，它们用来保存操作数及中间运算结果等，三个寄存器的输入已经和总线连接，而三个寄存器的输出共用一个引出排针RJ1，等待用排线连至总线。

2．计数器与地址寄存器单元（ADDRESSUNIT）

此单元位于实验线路板的中部，由地址寄存器AR（74LS273）、程序计数器PC（74LS161）及8位地址显示灯构成。

单元中程序计数器及地址寄存器的输入已接至总线，而程序计数器的输出以排针形式引出（ADJ6），地址寄存器的输出已连接到外总线单元“EXTBUS”中的AD7--AD0，以排针形式引出。

3．指令寄存器单元（INSUNIT）

指令寄存器单元中指令寄存器的输出以排针形式引出，构成模型机时用它作为指令译码电路的输入，实现程序跳转控制。

4．时序电路单元（STATEUNIT）

时序电路单元位于装置的左上部，其电路由四部分构成：

消抖电路（KK2）、时序控制（TSl、TS2、TS3、TS4）、时钟信号源（Ф）、拨动二进制开关组（STOP、STEP）。

用户只需将Ф信号与信号源的输出插孔相连，然后按动START微动开关，根据STOP及STEP的状态，T1--T4将输出有规则的方波信号。

各部分电路详细介绍如下：

（1）单拍脉冲及消抖电路

在实验中KK2一般用作为单脉冲信号发生器；START已将其输出接入时序电路中的START处，作为时序电路的启动开关。

所以，START一般用作启动时序电路。

（2）时序控制电路、拨动开关组

STEP（单步）、STOP（停机）分别是来自实验台上部的两个二进制开关STEP、STOP的模拟信号。

启动是来自微动开关START的按键信号。

当STEP=O（EXEC）时，按下START微动开关，运行触发器Cr一直处于“1”状态，因而时序信号TSl--TS4将周而复始的发送出去。

若STEP=1时，按下START微动开关，机器处于单步运行状态，即此时只发送一个CPU周期的时序信号就停机。

利用单步方式，每次只产生一条微指令，因而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，如果使STOP开关置“1”（STOP）也会使机器停机。

此电路经译码逻辑产生不受控制的间隔时序信号TSl、TS2、TS3、TS。

（3）信号源

此单元位于"STATEUNIT"左侧，标有"SIGNALUNIT"，调节W可以使H24端输出用户期望的某一频率的方波信号，调节W2可使H23端输出特定占空比的信号。

5．微控器电路单元（MICRO-CONTROLLERUNIT）

本系统的微控器单元主要由编程部分和核心微控器部分组成。

编程部分是通过编程开关MJ20的相应状态选择及由CLK、CLKO引入的节拍脉冲的控制来完成将预先定义好的机器指令对应的微代码程序写入到2816E2PROM控制存储器中，也具有现场直接编程能力，将自编的微程序写入2816中，还可以对控制存贮器中的微代码进行校验。

本系统使用2816E2PROM具备掉电保护功能。

核心微控器主要完成接收机器指令译码器送来的代码，使控制转向相应机器指令对应的首条微代码程序，对该条机器指令的功能进行解释或执行的工作。

更具体讲，就是通过接收CPU指令译码器发来的信号，找到本条机器指令对应的首条微代码的微地址入口，再通过由CLK引入的时序节拍脉冲的控制，逐条读出微代码。

实验板上的微控器单元（Micro-ControllerUNIT）中的24位显示灯（MDl--MD24）显示的状态即为读出的微指令。

其中的几位经过译码产生实验板所需的相应控制信号，将它们加到数据通路中相应的控制位，就可对该条机器指令的功能进行解释和执行。

当一条微指令解释完毕，再继续接收下一条微代码对应的微地址入口，这样周而复始，即可实现机器指令程序的运行。

核心微控器同样是根据24位显示灯所显示的相应控制位，经部分译码后产生的二进制信号来实现机器指令程序的顺序、分支、循环。

所以，有效地定义24位微代码对系统的设计至关重要。

（1）核心微控器单元

通过编程开关（MJ20）的不同状态，可进行微代码的编程、校验、运行。

在实验台上：

·微地址显示灯显示后续微地址，24位微代码显示灯显示后续微地址的二进制控制位。

·CLKO为微地址锁存器的时钟信号，实验台中已接到“W/RUNIT”的T1中。

·三片2816单元的片选信号在手动状态下一直为“0”。

·MKl---MK24为微控器的微代码输入二进制开关。

·MJ19为微地址输入端，微控器实验中在编程和校验状态时，可通过它人为确定微地址单元并完成读、写操作。

CLK为微代码输出锁存器及后续的微地址输出锁存器的信号引出端。

实验板中已将CLK接至“W／RUNIT”单元中的T2。

CLR为清零信号的引出端，实验板中已接至“SWITCHUNIT”中最右边的CLR开关上，所以此二进制开关为CLR专用。

SEl—SE6端挂接到CPU的指令译码器的输出端，通过译码器确定相应机器指令的微代码入口，也可人为手动模拟CPU的指令译码器的输出，达到同一目的。

（2）编程器单元

在该实验电路中设有编程开关MJ20，它具有三种状态：

PROM（编程）、READ（校验）、RUN（运行）。

·处于编程状态PROM时，微地址锁存器读有效：

微代码输入三态门打开，后续微地址三态门关闭，同时2816写有效，读无效。

此时若启动时序电路，即可将微代码写入到相应的微地址中，并在相应的显示灯上显示。

·处于校验状态READ时，微地址锁存器读有效，微代码输入三态门关闭，后续微地址三态门关闭，同时2816读有效，写无效。

此时若启动时序电路，即可将相应的微地址中的微代码读出，并在显示灯上显示。

·处于运行状态RUN时，微地址锁存器关闭，微代码输入三态门关闭，后续微地址三态门打开，同时2816读有效，写无效。

此时若启动时序电路，即从微地址显示灯显示的地址开始继续运行。

6.逻辑译码单元（LOGUNIT）

本单元主要功能是根据机器指令及相应的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，同时实现三个工作寄存器R0、R1、R2的选通译码。

7．主存贮器单元（MAINMEM）

8．输入设备单元（INPUTDEVICE）

9．输出设备单元（OUTPUTDEVICE）

10．总线单元（BUSUNIT）

本单元位于实验装置中部，包括6组排针，它们是横向对应连通的。

排针下方是和总线对应的8位数据显示灯，以显示总线上的二进制数值，将引出的排针与总线单元用8孔排线连好，就可构成相应的实验电路的数据通路。

11．控制信号发生单元（W/RUNIT）

此单元位于线路板左中部，用来转接产生各单元电路所需的时序信号，以及外总线（EXTBUS）所需的读／写控制信号W／R。

该单元电路由2部分组成:

（1）4个排针引出端T1、T2、T3、T4为时序信号输入端，它们和实验单元中相应的时序信号控制端全部相连．在做部件实验时，须将相应线接至KK2来产生单脉冲；做模型机实验时，T1、T2、T3、T4接至“STATEUNIT”相应的TSl、TS2、TS3、TS4即可。

（2）在实验中只需适当定义24位微代码信号的含义，并将读／写控制位接入到WE上，就可为系统外总线提供W/R信号。

12．扩展总线单元（EXTBUS）

此单元位于实验装置中下角，其中AD7—AD0排针为“ADDRESSUNIT”的地址总线输出：

D7--DO排针为“BUSUNIT”的数据总线输出；W/R作为“W/RUNIT”的输出读／写控制线；A8、A9为转接插座，可接至"MICRO-CONTROLLERUNIT"的24位控制位中的任意两位，作为外设选择信号。

13．外总线单元（EXUNIT）

此单元位于实验装置的左下角，单元两侧的8线排针为两组独立的总线扩展转接区，中间为I/O译码电路，采用一片74LSl39作译码器。

当A9=O，A8=O时，选中YO；当A9=O，A8=l时，选中Y1；

当A9=l，A8=O时，选中Y2；当A9=l，A8-1时，选中Y3。

其中：

Y0、Y1、Y2、Y3为低电平有效。

14．逻辑信号测量单元（OSCUNIT）

15．单片机控制单元（8051UNIT）

16．开关单元（SWITCHUNIT）

此单元位于装置右下方，单元中的开关都可作为通用电路使用，为防止实验时接至二进制开关产生混乱，二进制开关下方均有丝印字（用户也可以自定义），所以实验接线时可将实验中的各电平控制模拟信号接至相应二进制开关。

17．指示灯单元（LEDUNlT）

18．PLD单元

19．Pcdriver编程驱动单元

20．Power电源

21．Regunit寄存器单元

22．Signalunit信号单元

23．Bus总线单元

（三）、实验设备的数据通路结构

利用本实验装置构造的模型机的数据通路结构框图如下图。

其中各单元内部已经连接好，单元之间可能已经连接好，其它一些单元之间的连线需要根据实验目的用排线连接。

实验一运算器实验：

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．掌握简单运算器的数据传送通路。

4．验证运算功能发生器（74LSl81）的组合功能。

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．实验原理

实验中所用的运算器数据通路如图1-l所示。

其中两片74LSl81以串行方式构成8位字长的ALU，ALU的输出经过一个三态门（74LS245）和数据总线相连。

三态门由ALU-B控制，控制运算器运算的结果能否送往总线，低电平有效。

为实现双操作数的运算，ALU的两个数据输入端分别由二个锁存器DR1、DR2（由74LS273实现）锁存数据。

要将数据总线上的数据锁存到DR1、DR2中，锁存器的控制端LDDR1和LDDR2必须为高电平，同时由T4脉冲到来。

数据开关（“INPUTDEVICE”）用来给出参与运算的数据，经过三态门（74LS245）后送入数据总线，三态门由SW-B控制，低电平有效。

数据显示灯（“BUSUNIT”）已和数据总线相连，用来显示数据总线上的内容。

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为脉冲信号外，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”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。

ALU运算所需的电平控制信号S3、S2、S1、S0、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU-B、SW-B均由“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，LDDRl、LDDR2为高电平有效。

对单总线数据通路，需要分时共享总线，每一时刻只能由一组数据送往总线。

图1-1运算器数据通路图

四．实验内容

1．输入数据通过三态门74LS245后送往数据总线，在数据显示灯和数码显示管LED上显示

2．向DR1（或DR2）中置数，经ALU直传后，经过三态门245送入数据总线，在数据显示灯和数码显示管LED上显示

3．将输入DR1和DR2中的两个数进行算术逻辑运算，验证ALU的功能，结果在数据显示灯和数码显示管LED上显示

五．实验步骤

1．输入数据通过三态门74LS245后经过数据总线在数据显示灯和数码显示管LED上直接显示

（1）按下图连接实验线路，仔细查线无误后，接通电源。

图1-2总线数据显示连线图

（注：

可以选择PC-B开关，或者是本实验中不用的任一个开关）

（2）用二进制数码开关输入数据65H，观察总线数据显示灯和LED的变化。

设置：

SW-B=1

从输入开关输入：

01100101

打开三态门SW-B=0

数据在数码管上显示：

LED-B=0[开关299-B置为0]

发W/R脉冲[通过改变PC-B（0→1或1→0）]实现

结果：

2．向DR1（或DR2）中置数，经ALU直传后，经过三态门245送入数据总线，在数据显示灯和数码显示管LED上显示

（1）重新按下图连接实验线路，仔细查线无误后，接通电源

图1-3实验接线图

（2）向DRl和DR2寄存器中置入数据65H和A7H。

输入的流程为：

使用以下操作步骤向DRl寄存器中置入数据65。

设置：

SW-B=1

从输入开关输入：

01100101

打开输入三态门：

SW-B=0

设置DR1有效：

LDDR1=1

LDDR2=0

将数据打入DR1[按KK2发T4脉冲]

将总线上的数据在数码管上显示：

LED-B=0

发W/R脉冲

结果是：

使用以下操作步骤向DR2寄存器中置入数据A7。

设置：

SW-B=1

从输入开关输入：

10100111

打开输入三态门：

SW-B=0

设置DR2有效：

LDDR2=1

LDDR1=0

将数据打入DR1[按KK2发T4脉冲]

将总线上的数据在数码管上显示：

LED-B=0

发W/R脉冲

结果是：

（3）检查输入DRl和DR2寄存器中的数据是否正确。

操作步骤如下，设置：

关闭输入三态门：

SW-B=1

关闭暂存器的输入：

LDDR1=0

LDDR2=0

打开ALU输出三态门：

ALU-B=0

设置运算器直传方式：

S3S2S1S0M=11111

将总线上的数据在数码管上显示：

LED-B=0

发W/R脉冲

结果（显示DR1中的数据）：

设置：

关闭输入三态门：

SW-B=1

打开ALU输出三态门：

ALU-B=0

设置运算器直传方式：

S3S2S1S0M=10101

将总线上的数据在数码管上显示：

LED-B=0

发W/R脉冲

结果（显示DR2中的数据）：

3．将输入DR1和DR2中的两个数进行算术逻辑运算，验证ALU的功能，结果在数据显示灯和数码显示管LED上显示

（1）接线图同2，保持DR1,DR2中的数据不变，若不知道DR1,DR2中是否有数据，可按实验步骤2中的（3）去检查；

（2）通过“SWITCHUNIT”改变开关S3、S2、S1、S0、Cn、M的值，可将两数进行不同的运算，例如：

设置S3S2S1S0CnM=10010，运算器进行加法运算，设置S3S2S1S0CnM=01100，运算器进行减法运算。

具体设置的值见74LS181的功能表。

然后根据运算结果填写下表：

六．思考题

1．在运算器数据通路图中,DR1、DR2连接到74LS181时为什么要交叉？

2．两个4位的74LS181是如何构成8位的ALU的？

3．“+”和“加”的区别是什么？

4．两个三态门74LS245的控制有何限制？

数据输入DR1、DR2时控制有何限制？

5．运算器是如何完成多种不同的功能的？

怎样控制它？

6．你认为计算机是怎样实现连续运行的？

实验二运算器实验：

进位控制实验

一．实验目的

1．验证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；

3．观察给定数据是否产生进位，以及如何进行带进位运算。

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．实验原理

进位控制运算器的实验原理如图2—1所示，在实验一的基础上增加进位控制部分，基本原理是：

两数在181中进行运算后最高位的进位C（n+4）连接到一个74锁存器的输入端D，是否锁存由T4和AR（低电平有效）信号控制。

T4是脉冲信号，实验时将T4连至“STATEUNIT”的微动开关KK2上。

当T4脉冲到来时，进位结果就被锁存到74锁存器中了。

如果锁存器中已有进位保存，可以控制下一次在181中的运算是否带进位运算。

这是通过改变Cn和AR的值来进行的。

本实验中运算结果是否产生进位、结果是否为0是根据进位指示灯CY和零标志指示灯ZI的状态来判断的。

进位标志指示灯CY亮（cy=0）时表示进位标志为假[此时运算没有产生进位]；标志指示灯CY灭（cy=1）时表示进位标志为真[此时运算产生了进位]。

零标志指示灯ZI灯亮时表示零标志为假[此时运算结果不为“0”]，灯灭时表示零标志为真[此时运算结果为“0”]。

图2-1进位控制实验原理图

四．实验内容

通过输入几组不同的数据（一组产生进位，一组不产生进位），完成指定的运算，观察进位标志和零标志灯的状态，以及进位对ALU下一步操作的影响

五．实验步骤

（1）按图2—2连接实验线路，仔细查线无误后，接通电源。

图2-2实验接线图

（2）用二进制数码开关向DR1和DR2寄存器置数55H和AAHH，具体方法同实验一。

输入流程如下：

（3）按照实验一的方法检查DR1和DR2中的数。

观察结果：

（DR1）=_____________（DR2）=_____________

（4）进位标志清零，具体操作方法是：

让CLR开关做1→0→1操作。

实验板中“SWITCHUNIT”单元中的CLR开关为标志CY、ZI的清零开关，它为零时是清零状态，所以将此开关做1→0→1操作，即可使标志位清零。

（5）验证带进位的运算及进位锁存功能。

设置Cn=l，Ar=O进行带进位算术运算。

此时数据总线上显示的数据为DR1加DR2加当前进位标志的值，相加的结果是否产生进位,检查CY灯，若进位标志灯亮，表示无进位，反之，有进位；本次运算结果是否为0，检查ZI灯，若零标志灯亮，运算结果不为0，反之，结果为0。

关闭输入三态门：

SW-B=1

打开ALU输出三态门：

ALU-B=O

关闭寄存器的输入：

LDDR1=0

LDDR2=0

进行带进位加法运算：

Cn=l

Ar=O

S3S2SlS0M=l0010

观察结果（此时只能观察到本位和）：

按动微动开关KK2，观察进位标志灯CY，零标志灯ZI的变化。

（此时将显示锁存器74中的内容，同时也会将锁存内容加到ALU的低位），现象是：

（6）输入另一组数据11111111，00000001到DR1和DR2中，重复

（2）、（3）、（4）、（5）的步骤，观察CY，ZI显示灯以及运算结果。

结果是：

（7）当刚才运算的进位已经锁存到74LS74时，输入另一组数据11111111，00000001到DR1和DR2中，观察进位灯及结果。

结果是：

（8）输入另一组数据00001110，00000001到DR1和DR2中，观察进位灯及结果。

结果是：

六．思考题

1．本次运算的进位是如何进行锁存的？

2．AR，Cn是如何控制带进位加法的？

控制信号Cn设为0与锁存信号为0的含义是否相同？

3．进行加法运算时为什么要关闭DR1,DR2?

4．叙述带进位的加法的实现原理。

实验三静态随机存储器实验

一．实验目的

掌握静态随机存储器RAM的工作特性及数据的读写方法。

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．实验原理

实验所用的半导体静态存储器电路原理如图3-1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ADO~AD7与地址线相连，显示地址线内容。

数据开关经三态门（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，接入6116的地址A7--AO，而高三位A8—A1O接地，所以其实际容量为256字节。

6116有三个控制线；CE（片选线）、0E（读线）、WE（写线）。

当片选有效（CE=O）时，OE=O时进行读操作，WE=0时进行写操作。

本实验中将0E常接地，因此6116的引脚信号WE=1时进行读操作，WE=0时进行写操作。

在此情况下，要对存储器进行读操作，必须设置控制端CE=O、WE=O，同时由T3脉冲到来，要对存储器进行写操作，必须设置控制端CE=O、WE=1，同时由T3脉冲到来，其读写时间与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。

图3-1存储器实验原理图

四．实验内容

1.向存储器中指定的地址单元输入数据,地址先输入AR寄存器，在地址灯上显示;再将数据送入总线后，存到指定的存储单元，数据再数据显示灯和数码显示管显示。

2.从存储器中指定的地址单元读出数据,地址先输入AR寄