计算机组成原理实验材料.docx
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计算机组成原理实验材料
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。
图1-5运算器的结构框图
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。
（5）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
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。
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=
Ⅲ、联机控制操作方式
实验步骤：
1、将下载线连接到实验箱左上角的端口。
注：
连接下载线时，带按头的一面向上。
2、打开实验箱后面的电源开关，实验箱右下角的系统监控指示灯上将滚动显示【CLASSSELECt】。
3、打开电脑桌面[计算机组成原理—16位]的图标，在弹出的对话框中选择所用端口为COM1，按确认键。
4、在再弹出的对话框中按确认键，确认进行联机。
5、在实验箱右下角按下【联机】键，系统进入与上位机通讯状态。
6、当数码管显示【Pc-Con】，最后显示【8】时，表示联机通讯成功。
注：
做完一个实验还要继续做下一个实验时要点确认，全部实验做完再点关闭。
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。
实验三存储器读写和总线控制实验
一、实验目的
1、掌握半导体静态随机存储器RAM的特性和使用方法。
2、掌握地址和数据在计算机总线的传送关系。
3、了解运算器和存储器如何协同工作。
二、预习要求
预习半导体静态随机存储器6116的功能。
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
电路图见图3-1，6116的管脚分配和功能见图3-2。
图3-1存储器电路
图3-2（a）6116管脚分配图3-2（b）6116功能
图3-3
五、工作原理
实验中的静态存储器由2片6116（2K×8）构成，其数据线D0—D15接到数据总线，地址线A0—A7由地址锁存器74LS273（集成于EP1K10内）给出。
黄色地址显示灯A7—A0与地址总线相连，显示地址总线的内容。
绿色数据显示灯与数据总线相连，显示数据总线的内容。
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28＝256字节。
6116有三个控制线，/CE（片选）、/R（读）、/W（写）。
其写时间与T3脉冲宽度一致。
当LARI为高时，T3的上升沿将数据总线的低八位打入地址寄存器。
当WEI为高时，T3的上升沿使6116进入写状态。
六、实验内容
学习静态RAM的存储方式，往RAM的任意地址里存放数据，然后读出并检查结果是否正确。
注：
6116为静态随机存储器，如果掉电，所存的数据全部丢失！
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3-4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：
F3只用一个排线插头孔）
图3-4实验三键盘实验接线图
2、写数据
（1）拨动清零开关CLR，使其指示灯显示状态为亮—灭—亮。
（2）在监控指示灯滚动显示【CLASSSELECt】时按【实验选择】键，显示【ES--__】输入03或3，按【确认】键，监控指示灯显示为【ES03】，表示准备进入实验三程序，也可按【取消】键来取消上一步操作，重新输入。
再按【确认】键，进入实验三程序。
（3）监控指示灯显示为【CtL=--】，输入1,表示准备对RAM进行写数据，在输入过程中，可按【取消】键进行输入修改，按【确认】键。
（4）监控指示灯显示【Addr--】，提示输入2位16进制数地址，输入“00”按【确认】键，监控指示灯显示【dAtA】，提示输入写入存储器该地址的数据（4位16进制数），输入“3344”按【确认】键，监控指示灯显示【PULSE】，提示输入单步，按【单步】键，完成对RAM一条数据的输入，数据总线显示灯（绿色）显示“0011001101000100”，即数据“3344”，地址显示灯显示“00000000”，即地址“00”。
（5）监控指示灯重新显示【Addr--】，提示输入第二条数据的2位十六进制的地址。
重复上述步骤，按表3-1输入RAM地址及相应的数据。
地址（十六进制）
数据（十六进制）
00
3333
71
3434
42
3535
5A
5555
A3
6666
CF
ABAB
F8
7777
E6
9D9D
表3-1实验三数据表
3、读数据及校验数据
（1）按【取消】键退出到监控指示灯显示为【ES03】，或按【RST】退到步骤2初始状态进行实验选择。
（2）拨动清零开关CLR，使其指示灯显示状态为亮—灭—亮。
在监控指示灯显示【ES03】状态下，按【确认】键。
（3）监控指示灯显示为【CtL=--】，输入2,表示准备对RAM进行读数据，按【确认】键。
（4）监控指示灯显示【Addr--】，提示输入2位16进制数地址，输入“00”，按【确认】键，监控指示灯显示【PULSE】，提示输入单步，按【单步】键，完成对RAM一条数据的读出，数据总线显示灯（绿色）显示“0011001101000100”，即数据“3344”，地址显示灯显示“00000000”，即地址“00”。
（5）示灯重新显示【Addr--】，重复上述步骤读出表3-1的所有数据，注意观察数据总线显示灯和地址显示灯之间的对应关系，检查读出的数据是否正确。
注：
6116为静态随机存储器，如果掉电，所存的数据全部丢失！
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所有开关拨到输出高电平“1”状态，所有对应的指示灯亮。
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”。
连线时应注意：
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。
1、按图3-5接线图接线。
图3-5实验三开关实验接线图
2、拨动清零开关CLR，使其指示灯显示状态为亮—灭—亮。
3、往存储器写数据
以往存储器的（FF）地址单元写入数据“AABB”为例，操作过程如下。
（操作）（显示）（操作）（显示）（操作）
1、C–G=1
2、置数据输入电路
D15—D0=“000000001111111”
3、CE=1
4、C–G=0
绿色数据总线显示灯显示
“0000000011111111”
1、LAR=1
2、T3=1
（按【单步】）
地址寄存器电路黄色地址显示灯显示“11111111”
1、C-G=1
2、置数据输入电路
D15—D0=“1010101010111011”
3、LAR=0
4、C-G=0
（显示）（操作）
绿色数据总线显示灯显示
“1010101010111011”
1、WE=1
2、CE=0
3、T3=1（按【单步】）
4、WE=0
4、按上述步骤按表3-2所列地址写入相应的数据
地址（二进制）
数据（二进制）
00000000
0011001100110011
01110001
0011010000110100
01000010
0011010100110101
01011010
010*********
10100011
0110011001100110
11001111
1010101110101011
11111000
0111011101110111
11100110
1001110110011011
表3-2
5、从存储器里读数据
以从存储器的（FF）地址单元读出数据“AABB”为例，操作过程如下：
（操作）（显示）（操作）（显示）（操作）（显示）
1、C-G=1
2、置数据输入电路
D15—D0=“0000000011111111”
3、CE=1
4、C-G=0
绿色数据总线显示灯显示
“0000000011111111”
1、LAR=1
2、T3=1
（按【单步】）
MAR电路黄色地址显示灯显示
“11111111”
1、C-G=1
2、LAR=0
3、WE=0
4、CE=0
绿色数据总线显示灯显示
“1010101010111011”
6、按上述步骤读出表3-2数据，验证其正确性。
Ⅲ联机控制操作方式
实验步骤：
1、将下载线连接到实验箱左上角的端口。
注：
连接下载线时，带按头的一面向上。
2、打开实验箱后面的电源开关，实验箱右下角的系统监控指示灯上将滚动显示【CLASSSELECt】。
3、打开电脑桌面[计算机组成原理—16位]的图标，在弹出的对话框中选择所用端口为COM1,按确认键。
4、在再弹出的对话框中按确认键，确认进行联机。
5、在实验箱右下角按下【联机】键，系统进入与上位机通讯状态。
6、当数码管显示【Pc-Con】，最后显示【8】时，表示联机通讯成功。
注：
做完一个实验还要继续做下一个实验时要点确认，全部实验做完再点关闭。
附加实验总线控制实验
一、实验目的
1、了解总线的概念及其特性。
2、掌握总线的传输控制特性。
二、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。
三、实验说明
1、总线的基本概念
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用信息线。
2、实验原理说明
在本实验中，挂接在数据总线上的有输入设备、输出设备、存储器和加法器。
为了使它们的输出互不干扰，就需要这些设备都有三态输出控制，且任意两个输出控制信号不能同时有效。
其结构如下图所示。
图3-6总线结构图
其中，数据输入电路和加法器电路结构见图1-5，地址寄存器和存储器电路见图3-1、3-3。
数码管显示电路用可编程逻辑芯片ATF16V8B进行译码和驱动，D-G为使能信号，W/R为写信号。
当D-G为低电平时，W/R的下降沿将数据线上的数据打入显示缓冲区，并译码显示。
本实验的流程为：
（1）输入设备将一个数打入LT1寄存器。
（2）输入设备将一个数打入LT2寄存器。
（3）LT1与
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