计算机组成原理系统结构.docx
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计算机组成原理系统结构
姓名
学号
班级
年级11级
指导教师
西安财经学院信息学院
《计算机组成原理与系统结构》实验报告
实验名称运算器实验、通用寄存器实验、移位寄存器实验实验室实验楼418
实验日期2018-11-272018-11-292018-12-4
一、实验目的及要求
1．掌握简单运算器的数据传输方式，验证运算功能发生器74LS181及进位控制的组合功能。
2．熟悉通用寄存器的概念、通用寄存器的组成和硬件电路。
3．了解移位寄存器的硬件电路，验证移位控制与寄存的组合功能，利用寄存器进行数据传输。
二、实验环境
Dais-CMH＋/CMH计算机组成原理实验箱一台
三、实验原理
<一）运算器实验
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。
运算器的输出经过一个三态门（74LS245>以8芯扁平线方式和数据总线相连，运算器的2个数据输入端分别由二个锁存器（74LS273>锁存，锁存器的输入亦以8芯扁平线方式与数据总线相连，数据开关（INPUTDEVICE>用来给出参与运算的数据，经一三态门（74LS245>以8芯扁平线方式和数据总线相连，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中T2、T4为时序电路产生的节拍脉冲信号，通过连接时序启停单元时钟信号“
”来获得，剩余均为电平控制信号。
进行实验时，首先按动位于本实验装置右中侧的复位按钮使系统进入初始待令状态，在LED显示器闪动位出现“P.”的状态下，按【增址】命令键使LED显示器自左向右第4位切换到提示符“L”，表示本装置已进入手动单元实验状态，在该状态下按动【单步】命令键，即可获得实验所需的单脉冲信号，而LDDR1、LDDR2、ALU-B、SW-B、S3、S2、S1、S0、CN、M各电平控制信号用位于LED显示器上方的26位二进制开关来模拟，均为高电平有效。
图1-1 运算器电原理图
<二）通用寄存器实验
实验中所用的通用寄存器数据通路如图1-2所示。
由三片8位字长的74LS374组成R0、R1、R2寄存器组成。
三个寄存器的输入接口用一8芯扁平线连至BUS总线接口，而三个寄存器的输出接口用一8芯扁平线连至BUS总线接口。
图中R0-B、R1-B、R2-B经CBA二进制控制开关译码产生数据输出选通信号<详见表1-1），LDR0、LDR1、LDR2为数据写入允许信号，由二进制控制开关模拟，均为高电平有效；T4信号为寄存器数据写入脉冲，上升沿有效。
在手动实验状态<即“L”状态）每按动一次【单步】命令键，产生一次T4信号。
图1-2 通用寄存器单元电路
表1-1 通用寄存器单元选通真值表
C
B
A
选择
1
0
0
R0-B
1
0
1
R1-B
1
1
0
R2-B
<三）移位寄存器实验
图1-3 带进位移位寄存器电原理图
上图所示，使用了一片74LS299作为移位发生器，其中8位输入／输出端以8芯扁平线连接形式和总线接口连接。
299-B信号控制其使能端<0有效），T4为时序节拍脉冲，实验时按【单步】命令键产生。
由S0、S1、M控制信号设置其运行状态，其控制特性列表如下：
表1-2
299-B
S1
S0
M
功 能
0
0
0
任意
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
任意
1
1
任意
装数
说明：
令CBA=011时表中299-B=0。
四、实验连线
<一）运算器实验
图1-4 实验连线示意图
按图1-4所示，连接实验电路：
①总线接口连接：
用8芯扁平线连接图1-4中所有标明“
”或“
”图案的总线接口。
②控制线与时钟信号“
”连接：
用双头实验导线连接图1-4中所有标明“
”或“
”图案的插孔<注：
Dais-CMH的时钟信号已作内部连接）。
<二）通用寄存器实验
图1-5 实验连线示意图
按图1-5所示，连接实验电路：
①总线接口连接：
用8芯扁平线连接图1-5中所有标明“
”或“
”图案的总线接口。
②控制线与时钟信号“
”连接：
用双头实验导线连接图1-5中所有标明“
”或“
”图案的插孔<注：
Dais-CMH的时钟信号已作内部连接）。
<三）移位寄存器实验
图1-6 实验连线示意图
按图1-6所示，连接实验电路：
①总线接口连接：
用8芯扁平线连接图1-6中所有标明“
”或“
”图案的总线接口。
②控制线与时钟信号“
”连接：
用双头实验导线连接图1-6中所有标明“
”或“
”图案的插孔<注：
Dais-CMH的时钟信号已作内部连接）。
五、实验内容及步骤
<一）运算器实验
<一）算术运算实验
⑴写操作<置数操作）
拨动二进制数据开关向DR1和DR2寄存器置数，具体操作步骤如下：
注：
【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍单周期脉冲
图1-7寄存器置数操作步骤
⑵读操作<运算寄存器内容送总线）
首先关闭数据输入三态控制端（SW-B=0>，存储器控制端CE保持为0，令LDDR1=0、LDDR2=0，然后打开ALU输出三态门（CBA=010>，置M、S0、S1、S2、S3为11111，再按【单步】键，数据总线单元显示DR1的内容，若把M、S0、S1、S2、S3置为10101，再按【单步】键，数据总线单元显示DR2的内容。
⑶算术运算<不带进位加）
置CBA=010，CN、M、S0、S1、S2、S3状态为101001，按【单步】键，此时数据总线单元应显示00001100<0CH）。
<二）进位控制实验
进位控制运算器的实验原理如实验四图所示，其中181的进位位进入74LS74锁存器D端，该端的状态锁存受AR和T4信号控制，其中AR为进位位允许信号，高电平有效；T4为时序脉冲信号，当AR=1时在T4节拍将本次运算的进位结果锁存到进位锁存器中，实现带进位控制实验。
⑴进位位清零操作
在“L”状态下，按动【复位】按钮，进位标志灯CY“灭”，实现对进位位的清零操作。
<当进位标志灯“亮”时，表示CY=1）。
⑵用二进制数据开关向DR1和DR2寄存器置数
首先关闭ALU输出三态门（CBA=000>、CE=0，开启输入三态门（SW-B=1>，设置数据开关，向DR1存入01010101（55H>，向DR2存入10101010（AAH>。
操作步骤如下：
注：
【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍单周期脉冲
图1-8寄存器置数操作步骤
⑶验证带进位运算的进位锁存功能
关闭数据输入三态门（SW-B=0>、CE=0，使CBA=010，AR=1，置CN、M、S0、S1、S2、S3的状态为101001，按【单步】键，此时数据总线单元显示的数据为DR1加DR2，若进位标志灯CY“亮”，表示有进位；反之无进位。
<三）逻辑运算实验
⑴写操作<置数操作）
拨动二进制数据开关向DR1和DR2寄存器置数，具体操作步骤如下：
注：
【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍
图1-9寄存器置数操作步骤
⑵读操作<运算寄存器内容送总线）
首先关闭数据输入三态控制端（SW-B=0>，存储器控制端CE保持为0，令LDDR1=0、LDDR2=0，然后打开ALU输出三态门（CBA=010>，置M、S0、S1、S2、S3为11111，再按【单步】键，数据总线单元显示DR1的内容，若把M、S0、S1、S2、S3置为10101，再按【单步】键，数据总线单元显示DR2的内容。
⑶逻辑或非运算
逻辑或非运算的方法是置CBA=010，M、S0、S1、S2、S3状态为11000，按【单步】键，此时数据总线单元应显示00011000<18H）。
注：
①加法运算时，CY=1表示运算结果有进位，CY=0表示运算结果无进位；
减法运算时，CY=1表示运算结果无借位，CY=0表示运算结果有借位。
<二）通用寄存器实验
<一）通用寄存器的写入
拨动二进制数据开关向R0和R1寄存器置数，具体操作步骤如下：
注：
【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍单周期脉冲
图1-10寄存器置数操作步骤
<二）通用寄存器的读出
关闭数据输入三态（SW-B=0>，存储器控制端CE=0，令LDR0=0、LDR1=0、LDR2=0，分别打开通用寄存器R0、R1、R2输出控制位，置CBA=100时，按【单步】键，数据总线单元显示R0中的数据01H；置CBA=101时，按【单步】键。
数据总线单元显示R1中的数据80H；置CBA=110时，按【单步】键，数据总线单元显示R2中的数据<随机）。
<三）移位寄存器实验
<一）移位寄存器置数
首先置CBA=000，然后按下面所列流程图操作：
注：
【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍单周期脉冲
图1-11
<二）寄存器移位
首先置CBA=011（299-B=0>、SW-B=0、CE=0，然后参照表改变S0、S1、M的状态，按动【单步】命令键观察移位结果。
<三）移位结果的寄存
把移位寄存器移位后的内容寄存到通用寄存器<以R0为例），首先按图1-6所示连接实验电路。
在移位操作后保持CBA=011<即299-B=0）、置S0=0、S1=0，令LDR0=1，再按动【单步】命令键即可完成移位结果保存到通用寄存器R0的操作。
<四）移位结果的读出
置CBA=100、SW-B=0、CE=0，按【单步】键，数据总线单元显示R0寄存器的内容，该内容应与移位寄存器的内容一致。
六、实验结果分析
<一）运算器实验
手动实验：
<一）初始化操作
一旦进入“L”状态，首先应把“
二进制开关单元”的26只模拟开关拨至下方<即低电平信号“L”），使26只微控制状态指示灯处“暗”，然后按【单步】命令键关闭全部控制信号锁存输出位，用手动方法完成微控制器的初始清零操作。
在“L”状态下直接按【复位】按钮亦可完成微控制器的初始清零操作。
<二）控制信号的打入方法
⑴有效状态的特征：
本系统提供的是“正逻辑”控制电路，通常情况下把高电平“H”定义为有效状态，以点亮发光二极管为标志。
⑵有效状态的建立：
结合实验项目，按实验要求把相关的二进制开关拨向上方，点亮对应的发光二极管。
⑶有效状态的控制：
在建立有效状态的基础上，按【单步】命令键单次启动时序节拍信号T1、T2、T3、T4，模型机按时序要求在相关时刻发出控制信号，以手动方式实现相关单元实验。
<三）总线输入/输出约定
⑴输入约定
对于计算机各部件的数据输出必须通过数据总线来完成，为了避免总线冲突与竞争，模型机规定在同一机器周期内只能允许一个部件的数据占用总线。
结合手动控制列举如下约定：
①数据开关送总线：
令SW-B=1，CBA=000，CE=0
②存储器内容送总线：
令CE=1，SW-B=0，CBA=000
③其它部件送总线：
令CBA=001~111，SW-B=0，CE=0
⑵输出共享
对于计算机各部件的数据输入可共享总线内容，即在同一机器周期内允许把当前数据同时送2个以上部件单元，结合手动控制举例如下：
例：
把数据开关的内容送通用寄存器R0、运算寄存器DR1、地址寄存器AR、指令寄存器IR，令SW-B=1，LDR0=1，LDDR1=1，LDAR=1，LDIR=1，然后按【单步】命令键即可实现总线数据共享。
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
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