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计机实验指导
计算机组成原理
实
验
指
导
书
计算机科学系
2013、3、20
前言
计算机组成原理是计算机专业一门重要的主干课程，课程的任务是使学生掌握计算机组成部件的工作原理、逻辑实现、设计方法及各部件连接成整机的方法，建立CPU级和硬件系统级的整机概念，培养学生对计算机硬件系统的分析、开发与设计能力。
计算机组成原理实践课是配合理论教学中计算机硬件系统的组成、各部件的结构和工作原理而设置的，是掌握计算机组成原理课程的重要环节，通过本课程的实践课，使同学们进一步掌握计算机各部件的基本原理和结构，掌握计算机各部件的基本设计方法和实验方法，帮助同学建立计算机时间-空间的整体概念，巩固课堂知识，初步培养学生的实验操作能力和分析解决问题能力。
实践内容主要通过教师讲解，同学们自己动手实验以及学生的课外学习，本课程实验要求学生在学习计算机组成原理课的同时，再课外阅读一些有关实验的资料和参考书籍，作好预习；实践课时独立或合作完成实验内容，并在实验后，按要求完成实验报告。
目录
实验一TDN-CM+实验箱介绍1
实验二算术逻辑运算实验13
实验三进位控制实验17
实验四移位运算实验20
实验五存储器实验22
实验六微控制器实验25
实验七总线控制器实验33
实验一TDN-CM+实验箱介绍
一、实验目的
全面了解西安唐都科教仪器公司TDN-CM+计算机组成原理实验箱的系统硬件构成、配置、功能特点和实验单元电路功能及原理。
二、实验要求
1、根据本文提供的TDN-CM+布局图（见附件1）对照实验箱熟悉各部件；
2、熟悉和了解西安唐都科教仪器公司TDN-CM+实验箱的原理和结构；
3、掌握实验箱的连线操作方法.
三、实验环境
西安唐都科教仪器公司TDN-CM+计算机组成原理实验箱。
四、实验内容
1、试验箱简介
TDN-CM+计算机组成原理教学实验系统是西安唐都科教仪器公司精心设计、研制的新型实验装置，是TDN-CM的增强型产品。
它可以通过多种“原理计算机”的设计和实现方法灵活全面地支持“计算机组成原理”课程的实验教学，满足不同层次和不同教学环节的要求，是完全符合教学规律及开放式实验教学方法的高档次实验设备。
TDN-CM+系统采用内、外总线结构，并按开放式结构要求设计了各关联的单元电路，除进一步规范了可组成的原理计算机结构外，也为实验教学提供了充足的硬件可设计空间和软件可设计空间，在实验电路构造方面，系统提供了多种手段，可按部件层次组合方式逐次构造不同结构和复杂程度的部件实验电路及模型计算机。
在操作界面上，系统提供本机使用、OE联机使用，PC联机使用多种操作方式，且彼此间可随意切换，具有极佳的示教效果。
2、系统功能及特点
1）、开放式的实验电路结构
系统支持三种实验电路构造方式，实验元件零连线方式、单元电路跨接方式和实验电路“软连线”方式。
对于实验元件零接线方式（须选配CME扩展实验板），可采用单股导线从零开始在面包板上逐一搭起一个实验田电路；对于各单元电路，只需使用排线做简单的跨接，就可构造出（即使是较复杂的）实验电路；同时，也可使用可编程逻辑器件通过在系统可编程设计实验电路，实现电路“软接线”。
用户可以根据实验教学的需要，自由选择、灵活组态，单独使用一种方式或几种方式结合使用，从而做到“搭接过的实验线路不再重搭”，彻底改变传统的实验教学模式，使教学双方可把实验的重点放在实验的设计、调试和分析上，并且由于减少了硬件接线时间而不减少接线内容而获得极佳的实验效果。
2）、灵活多变样的实验操作方式
系统提供灵活多样的操作方式，独立使用，通过拨动开关及发光二极管以二进制数码形式进行编程、显示、调试；配合OE操作器，使用小键盘和数码块作为输入、显示设备，以二六进制数码形式进行编程、显示、调试，并具备单步一条微指令、单步一条机器指令、连续运行程序、联机打印等高级调试功能；通过RS-232C通讯接口控制操作。
用户可以根据需要选择，并在各种操作方式之间随意切换。
3）、PC联机图形操作界面
系统提供图形方式的联机操作软件，可显示用户设计的实验的模型的逻辑示意图。
在调试过程中可动态显示数据流向及数据、地址、控制总线的各种信息，使调试过程极为生动形象。
4）、E2PROM存贮器
系统采用E2PROM作为存贮器，从而对程序具有断电保护功能。
5）、可重用定义的运算结构及微程序指令格式
系统中运算器结构、微程序指令及定义均可由用户根据自身教学需要来作灵活改变或重新设计。
6）、逻辑信号测试功能
系统具有两路逻辑信号示波器功能，通过运行联机软件，可在PC机的屏幕上同时观测两路逻辑信号。
7）、高效开关稳压电源
系统采用了性能优异，具有抗短路、过流的高性能稳压开关电源，从而可以避免学生实验过程中因接线失误而导致的芯片或整机损坏的情况。
8）、可支持其它课程的实验教学
除组成原理实验之外，选配CME扩展实验板还可以支持“数字逻辑”课程的实验教学，满足不同学科的需要。
3系统构成
TDN-CM+实验系统硬件内容如表1-1，系统硬件结构如图1-1：
表1-1TDN-CM+系统硬件内容
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、内部总线
计数器与地址寄存器单元
（ADDRESSUNIT）
地址寄存器、程序地址计数器
微控制器
（MICROCONTROLLERUNIT）
指令寄存器、指令译码器、微代码控制寄存器及其编程器、逻辑译码单元、时序电路
主存单元
（MAINMEM）
SRAM6116
输入设备、输出设备
（INPUTDEVICE&OUTPTDEVICE）
开关、显示灯、控制台（读写、启动、停机）
PLD单元
2片Isplsi1016PLD芯片
接口实验板（系统附件）
8253、8255、8259接口芯片各一片
逻辑信号测量单元
两路逻辑信号PC示波器
单片机控制单元（PCUNIT）
控制单片机、RS-232C串口等
电源
采用高效开关电源、输出为5V/2A
系统另外配有OE小操作器（选件）和CME扩展实验板：
OE系统操作器：
24键盘和8位LED显示、打印接口；
CME扩展实验板：
通用实验单元、信号源单元、开关及显示灯单元、数码块显示及发声单元。
3、TDN-CM+系统主要实验项目
（1）、运算器组成实验（6）、带移位运算的模型机的设计与实现
1）、算术逻辑运算实验（7）、复杂模型机的设计与实现
2）、进位控制实验（8）、可重构原理计算机的组成设计实验
3）、移位运算实验（9）、扩展8255并行口实验
（2）、存贮器实验（10）、扩展8253定时器/计数器实验
（3）、微控制器实验（11）、PLD应用实验
（4）、总线控制实验（12）、基于RISC处理器构成的模型机的设计与实现
（5）、基本模型机的设计与实现
图1-1TDN-CM+系统硬件结构图
5、TDN-CM+系统的配置
TDN-CM+系统出厂时已全部安装完好，其中的元件配置情况如表1-2。
表1-2TDN-CM+系统的主要配置
项目
内容
数量
项目
内容
数量
运算器
74LS181
2
输出设备
GAL16V8
2
移位器
74LS299
1
数码管
指令程序寄存器
SRAM6116
1
信号源
555
1
通用寄存器
74LS273
2
74LS123
1
74LS374
3
电位器
2
指令寄存器
74LS273
1
编辑运行方式开关
三态开关
1
程序计数器
74LS161
2
显示灯
发光二极管
8
微程序控制存储器
E2PROM2816
3
单片机
89C51
1
时序发生器
74LS175
1
串行通讯接口
MC1488
1
74LS74
1
MC1489
1
启停控制器
拨动开关
2
9针插座
1
微动开关
2
机内电源
5V，±12V输出
1
微指令寄存器
74LS273
2
接口实验板
8253
1
74LS175
1
8255
1
微地址寄存器
74LS74
3
8259
1
PLD
Isplsi1016
2
通讯电缆
RS-232C
1
输入设备
74LS245
1
软盘
集成操作系统
1
拨动开关
8
实验用元件
排线若干
6、TDN-CM+系统硬件环境
（1）、系统电源
TDN-CM+系统采用本公司生产的SP-15型三路高效开关电源作为系统工作和实验电源，其主要技术指标为：
输入电压：
AC165—260V
输出电压/电流：
5V/2A、12V/0.2A、-12V/0.2A
输出功率：
15W
效率：
>=75%
稳压性能：
电压调整率<=0.2%
负载调整率<=0.5%
纹波系数<=0.5%
工作环境温度：
-50C——400C
系统电源已团置于电路板下方机箱内，电源开关在电路板的左上角。
当关闭电源后，不要立即重新开启，关闭到重新开启之间需要至少30秒间隔。
7、系统实验单元电路
（１）、运算器单元（ALUUNIT）
运算器单元位于实验箱线路板左部，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74LS181构成了并一串型８位ALU；两个8位寄存器DR１和DR２作为暂存工作寄存器，保存参数或中间结果；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）
这部分由三片８位寄存器R0、R1、R2组成，他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连至BUS总线，而三个寄存器的输出共用一个RJ1引出，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、程序计数器PC及8位地址显示灯构成。
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以排针形式引出（ADJ6），地址寄存器的输出以排针形式引至外总线单元”EXTBUS”中的AD7-AD0。
（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（KK1）,时序控制（TS1,TS2,T3,TS4）,时钟信号源（Φ），拨动二进制开关组（STOP,STEP）。
其框图如下，用户只需将信号源的输出插孔相连，然后按动START（KK1）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。
其电路构成如图1-2所示。
图1-2时序电路单元
下面我们详细介绍其中各部分电路:
a．单拍脉冲及消抖电路
在实验中KK2一般用来作为单拍模冲信号发生器；START:
以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一般作为启动时序电路目的用。
b．时序控制电路，拨动快关组
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。
启动是来自实验台“STATEUNIT”单元的一个微动快关START的按键信号。
当STEP=0（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TS1-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。
此电路采用一片74LS175、4D触发器组成移位发生器，经译码逻辑产生不受控制的间隔时序信号TS1、TS2、TS3、TS4。
该单元左侧方波信号源可产生频率及脉宽可调的方波信号。
我们可根据实验自行选择方波信号的频率及脉宽。
经启停控制电路运行触发器Cr控制，产生受控的全机工作所需的节拍脉冲信号TS1-TS4。
c．信号源
此单元位于“STATEUNIT”左侧，标有“SIGANALUNIT”，可先调节W1，使H24端输出用户期望的某一频率的方波信号，信号的频率在330HZ-580Hz，若希望更高的频率，则可更换电容（C*）即可；然后，再调节W2使H23端输出特定占空比的信号，供实验时用。
（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的相应状态选择及由CLK,CLK0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2816控制存贮器中，并可以对控制存贮器中的机器代码进行校验。
该系统具有本机现场直接编程功能，且由于选用2816E2PROM芯片为控制存贮器，所以具备掉电保护功能。
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解释或执行的工作。
更具体讲，就是通过接收CPU指令发来的信号，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。
试验板上的微控制单元的24位显示灯（MD1-MD24）显示的状态即为读出的微指令。
然后，其中几位再经过译码，一并产生试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，可对该条机器指令的功能进行解释和执行。
指令解释到最后，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，再经部分译码产生的二进制信号来实现机器指令程序顺序，分枝，循环运行的，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
通过编程开关的不同状态，可进行微代码的编程，校验，运行。
在单元电路原理图中：
●微地址显示灯显示的是后续微地址，而24位显示灯显示的是后续地址的二进制控制位。
●CLK0为微地址锁存器（U24）的时钟信号，试验板中己接至“W/RUNIT”单元的T1中。
●2861（U21,U22,U23）单元的片选信号（CS）在手动状态下一直为“0”，而在和PC联机状态下，受89C51控制。
●MK1-MK24为微控制器的微代码输入二进制开关。
●MJ19为微地址输入端，微控制试验中在编程和校验状态时，我们可通过它来人为的确定微地址单元并完成读，写操作。
CLK为微代码输出锁存器（U30,U31,U32）及后续的微地址输出锁存器的信号引出端。
实验板中己将CLK接至“W/RUNIT”单元中的T2。
CLR为清零信号的引出端，实验板中己接至“SWITCHUNIT”单元中最右的CLR开关上，所以此二进制开关为CLR专用。
SE1-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一编程开关（位于微控制器单元内左中部），它具有三中状态：
PROM（编程），READ（校验），RUN（运行）。
●处于编程状态时，微地址锁存器（U24）读有效，微代码输入三态门（U18,U19）。
●处于编程状态时，微地址锁存器（U24）读有效，微代码输入三态门（U18,U19,U20）打开，后续微地址三态门（U29）关闭，同时2816（U21,U22,U23）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。
●处于校验状态时，微地址锁存器（U24）读有效，微代码输入三态门（U18,U19,U20）关闭，后续微地址三态门（U29）关闭，同时2816（U21,U22,U23）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。
●出于运动状态时，微地址锁存器（U24）关闭，微代码输入三态门（U18,U19,U20）关闭，后续微地址三态门（U29）打开，同时2816（U21,U22,U23）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向下运行。
（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，及三个工作寄存器R0、R1、R2的选通译码，它们共由两片GAL构成。
（7）、主存贮器单元（MAINMEN）
此单元位于实验室装置左下方，用于存贮试验中的机器指令，其电路原理如图1-3所示。
1-3主存贮器单元
（8）、输入设备单元（INPUTDEVICE）
此单元位于实验室装置左下角，使用8个拨动开关作为输入设备。
（9）、输出设备单元（OUTPUTDEVICE）
此单元位于实验室装置左下方，作为输出外设，输出数据进入锁存器由两个数码管显示其值。
（10）、总线单元（BUSUNIT）
本单元位于实验室装置中部，包括6组排针，它们三横向对应通连的。
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孔排针线连好，就可以构成相应的实验室电路的数据通路，其电路构成如图1-4所示。
图1-4总线单元
（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所需的时序信号，以及外总线所需的读/写控制信号W/R。
该单元电路由2部分组成，具体如图1-5所示：
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。
在做部件试验时，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TS1、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。
图1-5控制信号发生单元
（12）、外总线单元（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-D0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）．扩展单元（EXNUIT）
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74LS139作译码器，其电路结构如图1-6所示。
当A9=0，A8=0时，选中Y0；
当A9=0，A8=1时，选中Y1；
当A9=1，A8=0时，选中Y2；
当A9=1，A8=1时，选中Y3。
其中：
Y0、Y1、Y2、Y3为低电平有效。
图1-6I/O译码器
（14）、逻辑信号测量单元（OSCNUIT）
本单元位于实验室系统板左上方，其标注有“OSCUNIT”，本单元提供两路逻辑信号PC示波器，用于测试数字信号波形，其电路构成如图1-7所示。
图1-7逻辑信号测量单元电路
（15）、单片机控制单元（8051UNIT）
此单元为CM+特有的单元，控制单元主要包括：
1）、89C51无外扩存贮器（数据和程序存贮器）最小系统；
2）、3片74LS245构成24位微代码I/O接口；
3）、P3.0、P3.1和1488、1489构成PC串行通讯接口；
4）、P2.0-P2.5构成6位地址总线；
5）、P0口及P3口的其他线作为控制目的用；
6）、数据通路控制信号隔离电路（2片74LS245构成）。
由于系统设置了数据通路控制信号隔离（将一些控制信号用2片74LS245进行隔离）见下图1-8，其中带“’”的信号线位系统原接线端的相应信号，而不带“’”的信号线为系统现阶段用户实际接线端。
所以，实现了在与PC微机联机情况下，对微代码或机器指令程序编程，校验，调试可在PC微机上直接进行。
特别是两种方式的操作有随意切换的特点。
图1-8
（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，二进制开关下方都有丝印字（用户也可以自定义），所以试验接线时可将试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（LEDUNIT）
此单元由4个发光二极管构成，用于测量和指示逻辑信号，信号为“0”时指示灯亮，信号为“1”时指示灯灭。
（18）、PLD单元
此单元位于试验装置右下方，由两片PLD芯片及PC编程接口组成，芯片的所有引脚以排针形式引出。
两片ssplsi1016芯片可进行在系统可编程。
编程时由专用电缆将PC-PORT排针接至PC机并口，若编程左边芯片，则将E-PLD排针接至左边E-PLDA上；若编程右边芯片，则将E-PLD排针接至右边E-PLDB上。
若将两个芯片连成菊花链形式编程，可将E-PLD排针中的ispEN,SCLK,MODE信号线连至两芯片的编程座E-PLDA和E-PLDB对应的端字上，将E-PLD中的SDI连至A座的SDI上，再将A座的SDO连至B座的SDI上，最后将B座的SDO接至E-PLD排针的SDO上，即可购成菊花链，如图1-9所示。
图1-9
（19）、接口试验板单元
此单元由8253、8255、8259常用接口芯片以单元电路形式构成，可用于模型计算机接口扩展试验。
五、注意事项
1）、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，元件弄坏；
2）、电源线应放置再机内专用线盒中；
3）、注意系统的日常维护，经常清理灰尘和杂物；
4）、电源关闭后，不能立即重新启动，关闭与重新开启之间至少有30秒间隔。
附件1：
TDN-CM+系统布局图
实验二算术逻辑运算实验
一、实验目的
1、掌握简单运算器的数据传输通路；
2、验证运算功能发生器（74LS181）的组合功能。
二、实验要求
掌握实验箱的连线操作方法，按实验内容和实验步骤完成操作，完成实验报告及实验数据结果的填写，所有实验环节均由每位学生独立完成，严禁抄袭他人实验结果。
三、实验环境
DN-CM+计算机组成原理实验箱一台，排线若干。
四、实验内容及原理
运算器由两片74LS181以并/串形式构成8位字长的ALU。
运算器的输出经过一个三态门（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。
运算器数据通路如下图2-1所示，图中已将用户需要连接的控制信号用圆
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