计算机组成原理实验报告.docx
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计算机组成原理实验报告
《计算机组成与系统结构》
实验指导书
计算机与信息工程系
2013年7月
实验概述2
实验项目一专用寄存器
（1）3
实验项目二通用寄存器5
实验项目三专用寄存器
（2）7
实验项目四数据输出/移位门10
实验项目五微程序计数器13
实验项目六运算器15
实验项目七程序计数器17
实验项目八存储器读写20
实验项目九微程序存储器读写23
实验项目十中断25
实验项目十一模型计算机设计27
实验概述
一、实验目的
1．加深对讲授内容的理解，通过实验来掌握计算机系统原理。
熟练地掌握计算机中每个部件的电路设计方法并完成调试和分析结果。
2．熟悉所用的仿真软件。
学会使用仿真软件上机调试电路。
3．通过使用实验箱实验来观察系统运行结果。
二、实验准备工作
1．熟悉所用的实验箱和计算机的性能和使用方法。
2．复习和掌握与本次实验有关的教学内容。
3．每个实验之前设计好实验所需电路。
三、实验报告
实验报告应包括以下内容：
实验目的、实验内容、运行结果、对运行结果的分析以及本次实验所取得的经验。
四、实验任务与时间安排
序号
实验项目
实验类型
实验类别
学时
1
专用寄存器
（1）
必做
验证性
2
2
通用寄存器
选做
验证性
2
3
专用寄存器
（2）
选做
验证性
2
4
数据输出/移位门
选做
验证性
2
5
微程序计数器
必做
综合性
2
6
运算器
选做
验证性
2
7
程序计数器
必做
验证性
2
8
存储器读写
必做
验证性
2
9
微程序存储器读写
必做
验证性
2
10
中断
必做
验证性
2
11
模型计算机设计（数据传送指令）
选做
综合性
2
五、参考教材
《计算机组成原理》唐朔飞着 高等教育出版社
《计算机组成与结构》王爱英着 清华大学出版社
实验项目一专用寄存器
（1）
一、实验目的
掌握模型机中专用寄存器结构、工作原理及其控制方法。
二、实验内容
1、实验要求
利用CPTH实验仪上的K16..K23开关做为DBUS的数据，其它开关做为控制信号，将数据写入专用寄存器A、工作寄存器W，然后读出数据。
2、实验原理
CPTH用74HC574来构成寄存器。
74HC574的引脚图见图1，功能如下：
（1）在CLK的上升沿将输入端的数据打入到8个触发器中。
（2）当OC=1时触发器的输出被关闭，当OC=0时触发器输出数据。
实验原理图如图2和图3所示。
3、实验步骤
首先设置手动模式：
按[TV/ME]键三次，进入"Hand......"手动状态。
（1）按照下表连接线。
（2）连接数据线：
K16~K23分别连接D0~D7。
（3）系统清零K23-K16开关置零，按[RST]钮。
（4）将55H写入A寄存器。
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入，置数据55H：
置控制信号为：
按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器A的黄色选择指示灯亮，表明选择A寄存器。
放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据55H被写入A寄存器。
（5）将66H写入W寄存器。
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入，置数据66H
置控制信号为：
按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器W的黄色选择指示灯亮，表明选择W寄存器。
放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据66H被写入W寄存器。
操作注意事项：
*数据是在放开STEP键后改变的，也就是CK的上升沿数据被打入。
*WEN，AEN为高时，即使CK有上升沿，寄存器的数据也不会改变。
实验项目二通用寄存器
一、实验目的
掌握模型机中通用寄存器结构、工作原理及其控制方法。
二、实验内容
1、实验要求
利用CPTH实验仪上的K16..K23开关做为DBUS的数据，其它开关做为控制信号，将数据写入R0，R1，R2，R3寄存器并读出。
2、实验原理
通用寄存器的原理图如图4所示。
图4通用寄存器原理图
3、实验步骤
首先设置手动模式：
按[TV/ME]键三次，进入"Hand......"手动状态。
（1）按照下表连接线。
（2）将11H写入R0寄存器。
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入，置数据11H：
按下表置控制信号。
按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器R0的黄色选择指示灯亮，表明选择R0寄存器。
放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据11H被写入R0寄存器。
（3）将22H写入R1寄存器。
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入，置数据22H
置控制信号为：
按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器R1的黄色选择指示灯亮，表明选择R1寄存器。
放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据22H被写入R1寄存器。
（4）将33H写入R2寄存器。
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入，置数据33H
置控制信号为：
按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器R2的黄色选择指示灯亮，表明选择R2寄存器。
放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据33H被写入R2寄存器。
（5）将44H写入R3寄存器。
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入，置数据44H：
置控制信号为：
按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器R3的黄色选择指示灯亮，表明选择R3寄存器。
放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据44H被写入R3寄存器。
注意观察：
数据是CK的上升沿数据被打入。
K1（SB），K0（SA）用于选择寄存器。
（6）读R0寄存器。
置控制信号为：
这时寄存器R0的红色输出指示灯亮，R0寄存器的数据送上数据总线。
此时数据总线指示灯L7...L0为：
00010001.将K11（RRD）置为1，关闭R0寄存器输出。
（7）读R1寄存器。
置控制信号为：
这时寄存器R1的红色输出指示灯亮，R1寄存器的数据送上数据总线。
此时数据总线指示灯L7...L0为：
00100010。
将K11（RRD）置为1，关闭R1寄存器输出。
（7）读R2寄存器。
置控制信号为：
这时寄存器R2的红色输出指示灯亮，R2寄存器的数据送上数据总线。
此时数据总线指示灯L7...L0为：
00110011。
将K11（RRD）置为1，关闭R2寄存器输出。
（8）读R3寄存器。
置控制信号为：
这时寄存器R3的红色输出指示灯亮，R3寄存器的数据送上数据总线。
此时数据总线指示灯L7...L0为：
01000100。
将K11（RRD）置为1，关闭R3寄存器输出。
注意观察：
1.数据在K11（RRD）为0时输出，不是沿触发，与数据打入不同。
实验项目三专用寄存器
（2）
一、实验目的
掌握模型机中其它专用寄存器结构、工作原理及其控制方法。
二、实验内容
1、实验要求
利用CPTH实验仪上的K16..K23开关做为DBUS的数据，其它开关做为控制信号，将数据写入MAR寄存器、ST寄存器、OUT寄存器并读出。
2、实验原理
MAR寄存器、ST寄存器、OUT寄存器的原理图分别如图5、6、7所示。
3、实验步骤
首先设置手动模式：
按[TV/ME]键三次，进入"Hand......"手动状态。
（1）按照下表连接线。
（1）将12H写入MAR寄存器。
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入，置数据12H：
置控制信号为：
按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器MAR的黄色选择指示灯亮，表明选择MAR寄存器。
放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据12H被写入MAR寄存器。
K14（MAROE）为0，MAR寄存器中的地址输出，MAR红色输出指示灯亮。
将K14（MAROE）置为1，关闭MAR输出。
（2）将34H写入ST寄存器。
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入，置数据34H
置控制信号为：
按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器ST的黄色选择指示灯亮，表明选择ST寄存器。
放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据34H被写入ST寄存器。
（3）将56H写入OUT寄存器。
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入，置数据56H
置控制信号为：
按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器OUT的黄色选择指示灯亮，表明选择OUT寄存器。
放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据56H被写入OUT寄存器。
实验项目四数据输出/移位门
一、实验目的
1、掌握模型机中数据总线的原理。
2、掌握运算器中移位功能的实现方法。
二、实验内容
1、实验要求
利用CPTH实验仪的开关做为控制信号，将指定寄存器的内容读到数据总线DBUS上；观察移位门输出结果。
2、实验电路
CPTH中有7个寄存器可以向数据总线输出数据，但在某一特定时刻只能有一个寄存器输出数据，由X2，X1，X0决定那一个寄存器输出数据，下表是X2，X1，X0与各个寄存器的关系表。
图8是总线上的7个寄存器的控制端原理图。
X2X1X0
输出寄存器
000
IN-OE外部输入门
001
IA-OE中断向量
010
ST-OE堆栈寄存器
011
PC-OEPC寄存器
100
D-OE直通门
101
R-OE右移门
110
L-OE左移门
111
没有输出
图8数据输出选择器原理图
3、实验步骤
首先设置手动模式：
按[TV/ME]键三次，进入"Hand......"手动状态。
（1）按照下表连接线。
（2）数据输出。
置下表的控制信号，检验输出结果。
（2）移位。
ALU直接输出和零标志位产生原理图如图9所示。
图9ALU直接输出和零标志位产生原理图
ALU左移输出原理图、ALU右移输出原理图分别如图10和图11所示。
直通门将运算器的结果不移位送总线。
当X2X1X0=100时运算器结果通过直通门送到数据总线。
同时，直通门上还有判0电路，当运算器的结果为全0时，Z=1，右移门将运算器的结果右移一位送总线。
当X2X1X0=101时运算器结果通过右通门送到数据总线。
（3）将55H写入A寄存器。
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入，置数据55H
置控制信号为：
按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器A的黄色选择指示灯亮，表明选择A寄存器。
放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据55H被写入A寄存器。
S2S1S0=111时运算器结果为寄存器A内容。
注意观察：
移位与输出门是否打开无关，无论运算器结果如何，移位门都会给出移位结果。
但究竟把那一个结果送数据总线由X2X1X0输出选择决定。
实验项目五微程序计数器
一、实验目的
掌握模型机中微程序计数器结构、工作原理及其控制方法。
二、实验内容
1、实验要求
利用CPTH实验仪上的K16..K23开关做为DBUS的数据，其它开关做为控制信号，实现微程序计数器uPC的写入和加1功能。
2、实验原理
微程序计数器的原理图如图12所示。
74HC161是一片带预置的4位二进制记数器。
功能如下：
当RST=0时，记数器被清0；
当IREN=0时，在CK的上升沿，预置数据被打入记数器；
当IREN=1时，在CK的上升沿，记数器加1；
TC为进位，当记数到F（1111）时，TC=1；
CEP、CET为记数使能，当CEP=CET=1时，记数器工作；CEP=CET=0时，记数器保持原值。
图12uPC原理图理图
3、实验步骤
（1）按照下表连接线。
（2）uPC加1。
置控制信号为：
按一次STEP脉冲键，CK产生一个上升沿，数据uPC被加1。
（3）uPC打入。
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入，置数据12H：
置控制信号为：
当EMWR，EMEN=0时，数据总线（DBUS）上的数据被送到指令总线（IBUS）上。
按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器uPC的黄色预置指示灯亮，表明uPC被预置。
放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据10H被写入uPC寄存器。
实验项目六运算器
一、实验目的
掌握模型机中算术逻辑运算单元的控制方法。
二、实验内容
1、实验要求
利用CPTH实验仪的K16..K23开关做为DBUS数据，其它开关做为控制信号，将数据写累加器A和工作寄存器W，并用开关控制ALU的运算方式，实现运算器的功能。
2、实验原理
CPTH中的运算器由一片CPLD实现，有8种运算（见下表），通过S2、S1、S0来选择，运算数据由保存到寄存器A及寄存器W中，运算结果输出到直通门D。
3、实验步骤
（1）按照下表连接线。
（2）将55H写入A寄存器。
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入，置数据55H：
置控制信号为：
按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器A的黄色选择指示灯亮，表明选择A寄存器。
放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据55H被写入A寄存器。
（3）将33H写入W寄存器。
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入，置数据33H：
置控制信号为：
按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器W的黄色选择指示灯亮，表明选择W寄存器。
放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据33H被写入W寄存器。
（4）置下表的控制信号，检验运算器的运算结果。
注意观察：
运算器在加上控制信号及数据（A,W）后，立刻给出结果，不需时钟。
实验项目七程序计数器
一、实验目的
掌握模型机中程序计数器PC的工作原理及其控制方法。
二、实验内容
1、实验要求
利用CPTH实验仪上的K16..K23开关做为DBUS的数据，其它开关做为控制信号，实现程序计数器PC的写入及加1功能。
2、实验原理
PC是由两片74HC141构成的八位带预置记数器，预置数据来自数据总线。
记数器的输出通过74HC245（PCOE）送到地址总线。
PC值还可以通过74HC245（PCOE_D）送回数据总线。
PC原理图由图13所示。
在CPTH中，PC+1由PCOE取反产生。
当RST=0时，PC记数器被清0。
当LDPC=0时，在CK的上升沿，预置数据被打入PC记数器。
当PC+1=1时，在CK的上升沿，PC记数器加1。
当PCOE=0时，PC值送地址总线。
PC打入控制电路由一片74HC151构成（isp1016实现）。
原理图如图14所示。
功能表见下表。
当ELP=1时，LDPC=1，不允许PC被预置。
当ELP=0时，LDPC由IR3，IR2，Cy，Z确定。
当IR3IR2=1X时，LDPC=0，PC被预置。
当IR3IR2=00时，LDPC=非Cy，当Cy=1时，PC被预置。
当IR3IR2=01时，LDPC=非Z，当Z=1时，PC被预置。
3、实验步骤
（1）按照下表连接线。
（2）按照下表设置控制信号。
按一次STEP脉冲键，CK产生一个上升沿，数据PC被加1。
（3）二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入，置数据12H：
置控制信号为：
每置控制信号后，按一下STEP键，观察PC的变化。
实验项目八存储器读写
一、实验目的
掌握模型机中程序存储器的工作原理及控制方法。
二、实验内容
1、实验要求
利用CPTH实验仪上的K16..K23开关做为DBUS的数据，其它开关做为控制信号，实现程序存储器EM的读写操作。
2、实验原理
存储器EM由一片6116RAM构成，是用户存放程序和数据的地方。
存储器EM通过一片74HC245与数据总线相连。
存储器EM的地址可选择由PC或MAR提供。
存储器EM的数据输出直接接到指令总线IBUS，指令总线IBUS的数据还可以来自一片74HC245。
当ICOE为0时，这片74HC245输出中断指令B8。
EM原理图如图15所示。
EM原理图
3、实验步骤
（1）按照下表连接线。
（2）按照下表置控制信号。
（3）将地址0写入MAR。
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入，置数据00H：
置控制信号为：
按STEP键,将地址0写入MAR。
（4）将数据11H写入EM[0]。
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入，置数据11H：
置控制信号为：
按STEP键,将数据11H写入EM[0]。
（5）将地址1写入MAR。
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入，置数据01H：
置控制信号为：
按STEP键,将地址1写入MAR。
（6）将数据22H写入EM[1]。
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入，置数据22H：
置控制信号为：
按STEP键，将数据22H写入EM[1]。
（7）将地址0写入MAR。
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入，置数据00H：
置控制信号为：
按STEP键,将地址0写入MAR。
（8）读EM[0]。
置控制信号为：
EM[0]被读出：
11H。
（9）将地址1写入MAR。
二进制开关K23-K16用于DBUS[7:
0]的数据输入，置数据01H：
置控制信号为：
按STEP键，将地址1写入MAR。
（10）读EM[1]。
置控制信号为：
EM[1]被读出：
22H：
实验项目九微程序存储器读写
一、实验目的
1、掌握微程序控制方式模型机的基本工作原理。
2、掌握微程序存储器uM的控制方法。
二、实验内容
1、实验要求
利用CPTH实验仪上的开关做为控制信号，实现微程序存储器uM的输出功能。
2、实验原理
存储器uM由三片6116RAM构成，共24位微指令，采用水平型微指令格式。
存储器的地址由uPC提供,片选及读信号恒为低,写信号恒为高.存储器uM始终输出uPC指定地址单元的数据。
存储器uM原理图如图16所示。
3、实验步骤
（1）按照下表连接线。
（2）微程序存储器uM读出。
置控制信号为：
K0为1。
（3）uM输出uM[0]的数据。
按一次STEP脉冲键，CK产生一个上升沿，数据uPC被加1。
（4）uM输出uM[1]的数据。
按一次STEP脉冲键，CK产生一个上升沿，数据uPC被加1。
uM输出uM[2]的数据。
实验项目十中断
一、实验目的
掌握模型机的中断功能的工作原理及中断过程中，申请、响应、处理、返回各阶段时序。
二、实验内容
1、实验要求
利用CPTH实验仪上的开关做控制信号，实现中断功能。
2、实验原理
中断电路有两个D触发器，分别用于保存中断请求信号（IREQ）及中断响应信号（IACK）。
INT有上升沿时，IREQ触发器被置为1。
当下一条指令取指时（IREN=0）,存贮器EM的读信号（EMRDP）被关闭，同时产生读中断指令（ICEN）信号,程序的执行被打断转而去执行B8指令响应中断。
在取B8的同时置IACK触发器被置为1，禁止新的中断响应。
EINT信号置0，IACK，IREQ触发器为0，中断电路可以响应新的中断。
中断控制器原理图如图17所示。
3、实验步骤
（1）按照下表连接线。
（2）置控制信号。
短路块选择端JINT指向RG侧，按RG脉冲键，产生中断请求，此时黄色REQ指示灯亮，同时B8输出红色指示灯。
按STEP脉冲键，产生取指脉冲，黄色ACK指示灯亮。
置控制信号为：
REQ，ACK灯灭。
实验项目十一模型计算机设计
一、实验目的
1、掌握微程序控制模型计算机的基本工作原理和设计方法。
2、掌握微程序存储器uM的控制方法和上位机软件的使用方法。
二、实验内容
1、实验要求
设计模型计算机，并利用CPTH实验仪的上位机软件控制该模型计算机，实现模型机的数据传送功能。
2、实验原理
2.1模型机总体结构
CPTH模型计算机包括了一个标准CPU所具备所有部件，这些部件包括：
运算器ALU、累加器A、工作寄存器W、左移门L、直通门D、右移门R、寄存器组R0-R3、程序计数器PC、地址寄存器MAR、堆栈寄存器ST、中断向量寄存器IA、输入端口IN、输出端口寄存器OUT、程序存储器EM、指令寄存器IR、微程序计数器uPC、微程序存储器uM，以及中断控制电路、跳转控制电路。
其中运算器和中断控制电路以及跳转控制电路用CPLD来实现，其它电路都是用离散的数字电路组成。
微程序控制部分也可以用组合逻辑控制来代替。
模型机为8位机，数据总线、地址总线都为8位，但其工作原理与16位机相同。
相比而言8位机实验减少了烦琐的连线，但其原理却更容易被学生理解、吸收。
模型机的指令码为8位，根据指令类型的不同，可以有0到2个操作数。
指令码的最低两位用来选择R0-R3寄存器，在微程序控制方式中，用指令码做为微地址来寻址微程序存储器，找到执行该指令的微程序。
而在组合逻辑控制方式中，按时序用指令码产生相应的控制位。
在本模型机中，一条指令最多分四个状态周期，一个状态周期为一个时钟脉冲，每个状态周期产生不同的控制逻辑，实现模型机的各种功能。
模型机有24位控制位以控制寄存器的输入、输出，选择运算器的运算功能，存储器的读写。
24位控制位分别介绍如下：
EMRD：
程序存储器EM读信号。
PCOE：
将程序计数器PC的值送到地址总线ABUS上。
EMEN：
将程序存储器EM与数据总线DBUS接通，由EMWR和EMRD决定是将DBUS数据写到EM中，还是从EM读出数据送到DBUS。
IREN：
将程序存储器EM读出的数据打入指令寄存器IR和微指令计数器uPC。
EINT：
中断返回时清除中断响应和中断请求标志，便于下次中断。
ELP：
PC打入允许，与指令寄存器的IR3、IR2位结合，控制程序跳转。
MAREN：
将数据总线DBUS上数据打入地址寄存器MAR。
MAROE：
将地址寄存器MAR的值送到地址总线ABUS上。
OUTEN：
将数据总线DBUS上数据送到输出端口寄存器OUT里。
STEN：
将数据总线DBUS上数据存入堆栈寄存器ST中。
RRD：
读寄存器组R0-R3，寄存器R?
的选择由指令的最低两位决定。
RWR：
写寄存器组R0-R3，寄存器R?
的选择由指令的最低两位决定。
CN：
决定运算器是否带进位移位，CN=1带进位，CN=0不带进位。
FEN：
将标志位存入ALU内部的标志寄存器。
X2、X1、X0三位组合来译码选择将数据送到DBUS上的寄存器。
WEN：
将数据总线DBUS的值打入工作寄存器W中。
AEN：
将数据总线DBUS的值打入累加器A中。
S2：
S2、S1、S0三位组合决定ALU做何种运算。
2.2模型机寻址方式
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