计算机组成原理实验指导书.docx
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计算机组成原理实验指导书
第一部分使用说明及要求
1．本系统分为三种实验操作方式：
方式一：
开关控制操作；
方式二：
键盘控制操作；
方式三：
联机控制操作
2．本系统采用正逻辑，即“1”代表高电平，“0”代表低电平；
3．指示灯亮表示相应信号为高电平，熄灭表示相应信号为低电平；
4．实验连线时应按如下方法：
对于横排座，应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上；对于竖排座，应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上；
5．为保证实验的成功，每次实验之前均应认真阅读实验指导书，接线要按要求，确保正确无误且接触良好；
6．应严格按照实验指导书的实验步骤和先后顺序进行实验，否则有可能造成实验不成功甚至损坏芯片。
方式一：
开关控制操作方式：
1．在各种控制信号中，有的是低电平有效，有的是高电平有效，请注意区别，具体可参见实验指导。
2．总线是计算机信息传输的公共通路。
为保证总线信息的正确无误，总线上每次只能有一个控制信号有效，如果同时有两个或两个以上信号同时有效，会产生总线竞争而造成冲突甚至损坏芯片。
故每次开始实验操作时均要先置相应控制开关电路的控制信号为“1”，高电平，对应的指示灯亮。
方式二：
键盘控制操作方式：
系统通电，K4开关拨到OFF，监控指示灯（数码管，以下数码管均指监控指示灯）上滚动显示【CLASSSELECt】，在该状态下，整个键盘可用键分别为：
系统检测键：
按下该键，数码管显示【CHESYS】，（即CHECKSYSTEM的缩写），进入系统自检程序，具体说明见后述说明。
实验选择键：
按下该键，数码管显示【ES--__】，进入实验课题选择，具体说明见后述说明。
联机键：
按下该键，系统进入与上位机通讯状态，当与计算机联机成功，数码管显示【Pc-Con】，最后显示【8】，表示联机通讯成功。
除了上述三个键有效外，其余按键系统均不响应。
1.【系统检测】键具体操作说明：
1）.当在监控指示灯显示【CLASSSELECt】时按下该键，显示变为【CHESYS】（CHECKSYSTEM），进入系统自检，此时，只要按下键盘上任意一键，数码管后两位就显示该键所对应的键盘编码，前四位显示对应电路的名称——8255。
例如：
我们按下2号键，对应的显示为【825502】，然后返回显示【CHESYS】；按下F号键，对应的显示为【82550F】，然后返回显示【CHESYS】。
2）.在系统检测状态，按下【取消】键，则退出系统检测程序。
3）.对于键盘上的【0】号键和【1】键，除了显示其键盘编码外，还有第二功能：
【1】键的第二功能说明：
检测所有总线（数据总线、控制总线、微控制总线）的输出功能。
按下【0】号键后，监控指示灯显示【825500】后，约过0.5S，系统首先显示【UCDC00】，自动送“0“到所有总线，24位微代码显示数码管显示全0（如果其他两条总线连接有监视灯，也显示全0）；此时，系统等待按【确认】键。
当按下【确认】键后，数码管显示变为【UCDCFF】，系统自动送所有总线FF，24位微代码显示数码管显示全1（如果其他两条总线连接有监视灯，也显示全1），此时系统等待按【取消】键退出该项功能检测。
在总线输出【00】和【FF】的时候，通过观察总线上的状态显示灯即可知道哪一组总线上的哪一位出错。
【2】键的第二功能说明：
检测所有总线（数据总线、控制总线、微控制总线）的输入功能。
按下【1】号键后，显示【825501】后，系统等待按【确认】键，按下【确认】键后，系统显示【UC0PPP】，此时需把K4从“OFF”状态拨向“ON”状态，把开关MS1~MS24拨为全0，再次按下“确认”键，系统读入微控总线的第0组（第一个8位）的全0，如果总线出错，读入哪一个为1，在数码管上就位显示对应的错误位号（如果第一个（低）8位的第0位出错，则显示【UC00Er】，表示微控总线的第0组的第0位出错，UC后的第1个0表示第0组微控总线，第2个0表示第0位），如果完全正确，显示【UC0Cor】，约过1S，显示变为【UC1PPP】，按下【确认】键，系统检测微控总线的第1组（第二个8位）的全0，如果完全正确，显示【UC1Cor】，若有哪一位有错误，错误信息的显示与第一组显示相同；在显示【UC1Cor】后约1S，显示为【UC2PPP】，按下【确认】键，系统检测微控总线的第2组（第二个8位）的全0，如果完全正确，显示【UC2Cor】，若有哪一位有错误，错误信息显示的与第一组显示相同；当三组全检测完毕，显示变为【CHEEND】（CHECKEND），约1S后，显示【OFF】，此时把K4开关拨回到OFF，则又回到系统检测最开始部分。
2.【实验选择】键具体操作说明：
当显示【CLASSSELECt】时按下该键，数码管显示变为【ES--__】，系统打开键盘，等待通过数字键盘输入实验课题代码，输入相应的课题代码后，按【确认】键进入该实验，在输入的过程中，可通过按【取消】键修改输入，在显示【ES--__】状态连续按【取消】键，即可退出实验选择功能，返回到【CLASSSELECt】状态。
实验课题与输入代码对应关系如下：
实验课题
输入代码及按键
实验一
01+确认或1+确认
实验二
02+确认或2+确认
实验三
03+确认或3+确认
实验四
04+确认或4+确认
实验五
05+确认或5+确认
注意：
实验十四的步骤与实验一相同。
在采用单片机键盘控制操作方式实验时，必须把K4开关置于【OFF】状态，否则系统处于自锁状态，无法进行实验；
3.【联机】键说明
当在数码管显示【CLASSSELECt】时按下该键，系统进入上位机监控实验状态，所有按键全都封闭，除【RST】（复位）键外，所有的实验操作全由上位机控制。
当退出联机实验状态后，系统又自动恢复到【CLASSSELECt】状态。
方式三：
联机控制操作方式：
用串口电缆连接本系统和PC机。
当系统监控指示灯上滚动显示【CLASSSELECt】时，在PC机上运行联机程序，选择正确的端口后按【联机】键，系统进入与上位机通讯状态。
当与计算机联机成功，数码管显示【Pc-Con】，最后显示【8】，表示联机通讯成功。
1、联机控制方式下的系统接线与键盘控制方式相同。
2、联机方式下在上位机界面中选择实验项目。
每项实验均由实验说明和实验步骤两部分组成。
实验说明中有每个实验详细的实验步骤。
第二部分使用说明及要求
实验一运算器实验
一、实验目的：
1．掌握运算器的组成及工作原理；
2．了解4位函数发生器74LS181的组合功能，熟悉运算器执行算术操作和逻辑操作的具体实现过程；
3．验证带进位控制的74LS181的功能。
二、预习要求：
１复习本次实验所用的各种数字集成电路的性能及工作原理；
２预习实验步骤，了解实验中要求的注意之处。
三、实验设备：
EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套，排线若干。
四、电路组成：
本模块由算术逻辑单元ALU74LS181（U7、U8、U9、U10）、暂存器74LS273（U3、U4、U5、U6）、三态门74LS244（U11、U12）和控制电路（集成于EP1K10内部）等组成。
电路图见图1-1（a）、1-1（b）。
图1-1（a）ALU电路
图1-1（b）ALU控制电路
算术逻辑单元ALU是由四片74LS181构成。
74LS181的功能控制条件由S3、S2、S1、S0、M、Cn决定。
高电平方式的74LS181的功能、管脚分配和引出端功能符号详见表1-1、图1-2和表1-2。
四片74LS273构成两个16位数据暂存器，运算器的输出采用三态门74LS244。
它们的管脚分配和引出端功能符号详见图1-3和图1-4。
图1-274LS181管脚分配表1-274LS181输出端功能符号
74LS181功能表见表1－1，其中符号“＋”表示逻辑“或”运算，符号“*”表示逻辑“与”运算，符号“/”表示逻辑“非”运算，符号“加”表示算术加运算，符号“减”表示算术减运算。
选择
M=1
逻辑操作
M=0算术操作
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=/A*B
F=A+/B
F=（A+/B）加1
0011
F=0
F=－1
F=0
0100
F=/（A*B）
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+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A*B
F=A加A*B加1
1001
F=/（/A*B+A*/B）
F=A加B
F=A加B加1
1010
F=B
F=（A+/B）加A*B
F=（A+/B）加A*B加1
1011
F=A*B
F=A*B减1
F=A*B
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
表1-174LS181功能表
图1-3（a）74LS273管脚分配图1-3（b）74LS273功能表
图1-4（a）74LS244管脚分配图1-4（b）74LS244功能
五、工作原理：
运算器的结构框图见图1-5：
算术逻辑单元ALU是运算器的核心。
集成电路74LS181是4位运算器，四片74LS181以并／串形式构成16位运算器。
它可以对两个16位二进制数进行多种算术或逻辑运算，74LS181有高电平和低电平两种工作方式，高电平方式采用原码输入输出，低电平方式采用反码输入输出，这里采用高电平方式。
三态门74LS244作为输出缓冲器由ALU-G信号控制，ALU-G为“0”时，三态门开通，此时其输出等于其输入；ALU-G为“1”时，三态门关闭，此时其输出呈高阻。
四片74LS273作为两个16数据暂存器，其控制信号分别为LDR1和LDR2，当LDR1和LDR2为高电平有效时，在T4脉冲的前沿，总线上的数据被送入暂存器保存。
六、实验内容：
验证74LS181运算器的逻辑运算功能和算术运算功能。
七、实验步骤：
Ⅰ、单片机键盘操作方式实验
注：
在进行单片机键盘控制实验时，必须把开关K4置于“OFF”状态，否则系统处于自锁状态，无法进行实验。
1、实验连线（键盘实验）：
实验连线如图1－6所示。
（连线时应按如下方法：
对于横排座，应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上；对于竖排座，应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。
注意：
F4只用一个排线插头孔）
运算器接口
S3S2S1S0MCnALU-GARLDR1LDR2
C1…...C6E5E4F5E3控制总线
F4
控制总线
T4
图1－6实验一键盘实验连线图
2、实验过程：
（1）拨动清零开关CLR，使其指示灯灭。
再拨动CLR，使其指示灯亮。
（2）在监控滚动显示【CLASSSELECt】时按【实验选择】键，显示【ES--__】输入01或1，按【确认】键，监控显示为【ES01】，表示准备进入实验一程序，也可按【取消】键来取消上一步操作，重新输入。
（3）再按【确认】键，进入实验一程序，监控显示【InSt--】，提示输入运算指令，输入两位十六进制数（参考表1－3和表1－1），选择执行哪种运算操作，按【确认】键。
（4）监控显示【Lo=0】,此处Lo相当于表1－1中的M，默认为“0”，进行算术运算，也可以输入“1”，进行逻辑运算。
按【确认】，显示【Cn=0】,默认为“0”，由表1－1可见，此时进行带进位运算，也可输入“1”，不带进位运算（注：
如前面选择为逻辑运算，则Cn不起作用）。
按【确认】，显示【Ar=1】，使用默认值“1”，关闭进位输出。
也可输入“0”，打开进位输出，按【确认】。
（5）监控显示【DATA】，提示输入第一个数据，输入十六进制数【1234H】，按【确认】，显示【DATA】，提示输入第二个数据，输入十六进制数【5678H】，按【确认】键，监控显示【FINISH】，表示运算结束，可从数据总线显示灯观察运算结果，CY指示灯显示进位输出的结果。
按【确认】后监控显示【ES01】，可执行下一运算操作。
运算指令（S3S2S1S0）
输入数据（十六进制）
0000
00或0
0001
01或1
0010
02或2
0011
03或3
0100
04或4
0101
05或5
0110
06或6
0111
07或7
1000
08或8
1001
09或9
1010
0A或A
1011
0B或B
1100
0C或C
1101
0D或D
1110
0E或E
1111
0F或F
表1-3运算指令关系对照表
在给定LT1=1234H、LT2=5678H的情况下，改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，填入表中，并和理论值进行比较和验证：
LT1
LT2
S3S2S1S0
M=0（算术运算）
M=1（逻辑运算）
Cn=1（无进位）
Cn=0（有进位）
1234H
5678H
00或0
F=
F=
F=
01或1
F=
F=
F=
02或2
F=
F=
F=
03或3
F=
F=
F=
04或4
F=
F=
F=
05或5
F=
F=
F=
06或6
F=
F=
F=
07或7
F=
F=
F=
08或8
F=
F=
F=
09或9
F=
F=
F=
0A或A
F=
F=
F=
0B或B
F=
F=
F=
0C或C
F=
F=
F=
0D或D
F=
F=
F=
0E或E
F=
F=
F=
0F或F
F=
F=
F=
Ⅱ、开关控制操作方式实验
注：
为了避免总线冲突，首先将控制开关电路的ALU-G和C-G拨到输出高电平“1”状态（所对应的指示灯亮。
）本实验中所有控制开关拨动，相应指示灯亮代表高电平“1”，指示灯灭代表低电平“0”。
1、按图1－7接线图接线：
连线时应注意：
为了使连线统一，对于横排座，应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上；对于竖排座，应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。
运算器接口
S3S2S1S0MCnALU-GARLDR1LDR2
BD15…….BD8
数据总线
BD7…….BD0
DIJ1DIJ-G
DIJ2
数据输入电路
C-GS3S2S1S0MCnALU-GARLDR1LDR2
控制总线T4
控制开关电路
T+finf/8
脉冲源及时序电路
图1－7实验一开关实验接线图
2、通过数据输入电路的拨开关开关向两个数据暂存器中置数：
注意：
本实验中ALU-G和C-G不能同时为0，否则造成总线冲突，损坏芯片！
故每次实验时应时刻保持只有一路与总线相通。
1）拨动清零开关CLR，使其指示灯。
再拨动CLR，使其指示灯亮。
置ALU-G＝1：
关闭ALU的三态门；再置C-G=0：
打开数据输入电路的三态门；
2）向数据暂存器LT1（Ｕ3、U4）中置数：
（1）设置数据输入电路的数据开关“D15……D0”为要输入的数值；
（2）置LDR1＝1：
使数据暂存器LT1（Ｕ3、U4）的控制信号有效，置LDR2＝0：
使数据暂存器LT2（Ｕ5、U6）的控制信号无效；
（3）按一下脉冲源及时序电路的【单脉冲】按钮，给暂存器LT1送时钟，上升沿有效，把数据存在LT1中。
3）向数据暂存器LT2（Ｕ5、U6）中置数：
（1）设置数据输入电路的数据开关“D15……D0”为想要输入的数值；
（2）置LDR1＝0：
数据暂存器LT1的控制信号无效；置LDR2＝1：
使数据暂存器LT2的控制信号有效。
（3）按一下脉冲源及时序电路的“单脉冲”按钮，给暂存器LT2送时钟，上升沿有效，把数据存在LT2中。
（4）置LDR1＝0、LDR2＝0，使数据暂存器LT1、LT2的控制信号无效。
4）检验两个数据暂存器LT1和LT2中的数据是否正确：
（1）置C-G=1，关闭数据输入电路的三态门，然后再置ALU-G=0，打开ALU的三态门；
（2）置“S3S2S1S0M”为“11111”，数据总线显示灯显示数据暂存器LT1中的数，表示往暂存器LT1置数正确；
（3）置“S3S2S1S0M”为“10101”，数据总线显示灯显示数据暂存器LT2中的数，表示往暂存器LT2置数正确。
3、验证74LS181的算术和逻辑功能:
LT1
LT2
S3S2S1S0
M=0（算术运算）
M=1（逻辑运算）
Cn=1（无进位）
Cn=0（有进位）
1234H
5678H
0000
F=
F=
F=
0001
F=
F=
F=
0010
F=
F=
F=
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=
按实验步骤2往两个暂存器LT1和LT2分别存十六进制数“1234H”和“5678H”，在给定LT1=1234H、LT2=5678H的情况下，通过改变“S3S2S1S0MCn”的值来改变运算器的功能设置，通过数据总线指示灯显示来读出运算器的输出值F，填入上表中，参考表1－1的功能表，分析输出F值是否正确。
分别将“AR”开关拨至“1”和“0”的状态，观察进位指示灯“CY”的变化并分析原因。
八、实验报告要求：
1、实验记录：
所有的运算结果，故障现象及排除经过；
2、谈谈本次实验的收获及想法。
实验二移位运算实验
一、实验目的：
掌握移位控制的功能及工作原理
二、预习要求：
1．了解移位寄存器的功能及用FPGA的实现方法。
三、实验设备：
EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套，排线若干。
四、工作原理：
移位运算实验电路结构如图2-1所示：
图2-1移位运算器电路结构
功能由S1、S0、M控制，具体功能见表2-2：
表2-2
G-299
S1
S0
M
T4
功能
0
0
0
×
↑
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
1
1
1
×
↑
置数（进位保持）
0
1
1
0
↑
置数（进位清零）
0
1
1
1
↑
置数（进位置1）
五、实验内容：
输入数据，利用移位寄存器进行移位操作。
六、实验步骤
Ⅰ、单片机键盘操作方式实验。
注：
在进行单片机键盘控制实验时，必须把K4开关置于“OFF”状态，否则系统处于自锁状态，无法进行实验。
1、实验连线：
实验连线图如图2－3所示。
图2—3键盘方式接线图
注：
连线时应按如下方法：
为了连线统一，对于横排座，应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上；对于竖排座，应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。
注意：
F4只用一个排线插头孔
2、实验过程：
（1）拨动清零开关CLR，使其指示灯灭。
再拨动CLR，使其指示灯亮。
在监控指示灯滚动显示【CLASSSELECt】时按【实验选择】键，显示【ES--__】输入02或2，按【确认】键，监控指示灯显示为【ES02】，表示准备进入实验二程序，也可按【取消】键来取消上一步操作，重新输入。
（2）再按【确认】键，进入实验二程序，显示为【E1E0--】，提示输入操作指令（参考表2－2，E1E0相当于G_299，二进制，“11”为关闭输出，“00”为允许输出），输入二进制数“11”，关闭输出，在输入过程中，可按【取消】键进行输入修改。
按【确认】键。
（3）监控指示灯显示【Lo=0】，可输入二进制数“0”或“1”，此处Lo相当于表2－2的M，默认为“0”，按【确认】键。
（4）监控指示灯显示【S0S1--】，提示输入移位控制指令（参考表2－2），输入二进制数“11”，对寄存器进行置数操作，按【确认】键。
（5）监控指示灯显示【DATA】，提示输入要移位的数据，输入十六进制数“0001”，按【确认】，显示【PULSE】，此时按【单步】，将数据存入移位寄存器，可对它进行移位操作。
（6）监控指示灯显示【ES02】，按【确认】键，进行移位操作，显示为【E1E0--】，提示输入操作指令（E1E0同上），输入二进制数“00”，允许输出，按【确认】键。
（7）监控指示灯显示【Lo=0】。
和前面一样，输入“0”，选择不带进位操作，按【确认】键。
监控指示灯显示【S0S1--】，提示输入移位控制指令（参考表2－2），输入二进制数“01”，表示对输入的数据进行循环右移，显示【PULSE】。
按【单步】键，则对十六进制数据“0001”执行一次右移操作。
数据总线指示灯显示“1000000000000000”，再按【单步】，数据总线指示灯显示“0100000000000000”，连续按【单步】，可以单步执行，按【全速】键，监控指示灯显示【Run】，则可连续执行移位操作。
观察数据总线显示灯的变化，判断结果是否正确。
（8）重新置入数据“FFFF”，进行带进位的循环右移，观察数据总线显示灯的变化，判断结果是
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