计算机原理实验指导书.docx

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计算机原理实验指导书

实验部分

实验一运算器实验

（一）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送通路。

2、验证运算功能发生器（74LS181）的组合功能。

二、实验设备

CCT-IV计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。

三、实验内容

1、实验原理

实验中所用的计算器通路图6-1-1所示。

其中运算器有两片74LS181以并/串行成构成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（74LS245）和数据总线相连，数据显示灯（“BUSUNIT”）也和数据总线相连，用来显示数据总线内容。

图中已将用户需要连接的控制线与用圆圈标明（其他实验相同，不再说明），其中除Ｔ4为脉冲信号，其它均为电平信号。

由于电路中的时序信号均已连接，“W/RUNIT”的Ｔ4接至“STATEUNIT”的相应时序信号引出端，因此在进行实验时，只需按动开关，即可获得实验所需的单脉冲，而74181的使能端S3、S2、S1、S0、Cn、Ｍ、以及LDDR1、LDDR2、ALU-B、SW-B的电平控制信号用“SWITCHUNIT”中的二进制数据开关来模拟，其中，Cn、ALU-B、SW-B为低电平有效，LDDR1、LDDR2为高电平有效。

图6-1-1运算器数据通路

２、实验步骤

（１）按图6--1--2连接线路无误后，接通电源。

（２）用（INPUTDEVICE单元的）二进制代码开关向DR1/DR2寄存器分别置数。

具体操作步骤图式所示如下：

检验ＤＲ１和ＤＲ２中存的数是否正确，具体操作为：

关闭数据输入三态门（在开关单元中），（SW-B=１），打开ＡＬＵ输入三态门（ALU-B＝０），当置S3、S2、S1、S0、Ｍ为１１１１１时，总线（BUSUNIT单元）指示灯显示DR1中的数，而置成１０１０１时总线指示灯显示DR2中的数。

图6--1--2实验接线图

（３）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，观察运算器的输出，填入下表中，并和理论分析进行比较、验证。

表6--1--1

（二）进位控制实验

一、实验目的

1、验证带进位控制的算术运算功能发生器的功能。

2、按指定数据完成几种指定的算术运算。

二、实验设备

CCT-IV计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。

1、实验内容

2、实验原理

进位控制运算器的实验原理如图6--1--3所示，在实验（１）的基础上增加进位控制部分，其中181的进位进入一个74锁存器，其写入是由Ｔ４和ＡＲ信号控制，Ｔ4是脉冲信号，实验时将T4连至“STATEUNIT”的微动开关KK2上。

AR是电平控制信号（低电平有效），可用于实现带进位控制实验，而Ｔ4脉冲时将本次运算的进位结果锁存到进位锁存器中。

图6--1--3进位控制实验原理图

2、实验步骤

（1）按图6--1--4连接实验线路，仔细查线无误后，接通电源。

图6--1--4实验接线图

（2）用（INPUTUNIT）二进制数码开关向DR1和DR2寄存器置数，具体方法：

关闭（SWITCHUNIT）ＡＬＵ输入三态门（ALU-B=１），开启输入三态门（SW-B=０），设置数据开关

例如向DR1存入01010101,向ＤＲ２存入10101010。

具体操作步骤如下：

（3）进位标志清零具体操作方法如下：

S3S2S1S0M的状态置为00000，AR状态置为0。

（清零时DR1寄存器中的数应不等于FF）按动微动开关KK2。

在（STATEUNIT）

注：

进位标志指示灯CY亮时表示进位标志为“0”无进位，标志知识灯CY灭时表示进位为“1”有进位。

（4）验证带进位运算及进位锁存功能，使Cn＝１，Ar＝０，

ＳWＢ＝１来进行带进位算术运算。

例如：

做加法运算，首先向ＤＲ１、ＤＲ２置数，然后使

ＡＬＵ－Ｂ＝０，S3S2S1S0M状态为１００１０，此时数据总线上显示的数据为DR1加DR2加当前进位标志，这个结果是否产生进位，则要按动微动开关KK2，若进位标志灯亮，表示进位；反之，无进位。

（三）移位运算实验

一、实验目的

验证移位控制的组合功能。

二、实验设备

CCT-IV计算机组成原理教学试验系统一台，排线若干。

三、实验内容

1、实验原理

图6--1--5移位运算实验原理图

移位运算实验原理如图6--1--5所示，使用了一片74LS299作为移位发生器，其八根输入/输出端以排针方式和总线单元连接。

299-B信号是控制器使能端，T4时序为其时钟脉冲，实验时将“W/RUNIT”中的T4接至“STATEUNIT”中的KK2单脉中发生器，由S0S1M控制信号控制其功能状态，列表如下：

2、实验步骤

（1）按图6--1--6连接实验线路，仔细查险无误后接通电源

图6--1--6实验接线图

（2）移位操作

置数，具体步骤如下：

（用INPUTUINT二进制开关置数）

移位，参照上表改变（开关单元的）S0S1M299-B的状态，按动微动开关（STATEUNIT）KK2，观察移位结果。

实验二存储器实验

．实验目的

掌握静态随机存储器RAM工作特性及数据的读写方法。

．实验设备

CCT—IV计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。

1．实验原理

实验所用的半导体静态存储器电路原理如图6--2--1所示，实验中的静态存储器有一片6116（2K×6）构成，其数据线接至数据总线，地址线由地址锁存器（74LS273）给出。

地址灯AD0----AD7与地址线相连，显示地址线内容。

数据开关经一三态门（74LS245）连至数据总线，分时给出地址和数据。

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256字节。

6116有三个控制线：

CE（片选线）、OE（读线）、WE（写线）。

当片选有效（CE=0）时，OE=0时进行读操作，CE=0、WE=1时进行写操作，其写时间与T3脉冲宽度一致。

实验时将T3脉冲接至实验板上时序电路模块的TS3相应插孔中，其脉冲宽度可调，其他电平控制信号由“SWITCHUNIT”单元的二进制开关模拟，其中SWB为低电平有效，LADR为高效电平有效。

2.实验步骤

（1）形成时钟脉信号T3，具体接线方法和操作步骤如下：

接通电源，用示波器接入方波信号源的输出插孔H24，调节电位器W1，使H24端输出实验所期望的频率的方波。

将时序电路模块中（STATEUNIT）的Ф和H23排针相连，CLR置“1”。

在时序电路模块中有两个二进制开关“STOP”和“STEP”。

将“STOP”开关置为“RUN”状态、“STEP”开关置为“EXEC”状态时，按动微动开关START，则T3输出连续的方波信号，此时调节电位器W1，用示波器观察，使T3输出达到实验要求的脉冲信号。

当“STOP”开关置为“RUN”状态、“STEP”开关置为“STEP”状态时，每按动一次微动开关START，则T3输出一个单脉冲，其脉冲宽度与连续方式相同。

关闭电源。

图6--2--1存储器实验原理图

（2）按图6--2--2连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。

由于存储器模块内部连线已经结好，因此只需完成实验电路的形成、控制信号模拟开关、时序脉冲信号T3与存储模块的外部连接。

图6--2--2实验接线图

（3）给存储器的00、01、02、03、04地址单元中分别写入数据11、12、13、14、15，具体操作步骤如下：

（以向0号单元写入11为例）

依次读出第00、01、02、03、04号单元中的内容，观察上述各单元中的内容是否与前面写入的一致。

具体操作步骤如下：

（以从0号单元读出11数据为例）

实验三微控制器实验

．实验目的

1.掌握时序产生器的组成原理。

2.掌握微程序控制器的组成原理。

3.掌握微程序的编制、写入，观察微程序的运行。

．实验内容

1.实验原理

实验所用的时序电路原理如图6--3--1所示，可产生4个等间隔的时序信号TS1-TS4，其中Ф为时钟信号，由实验台左上方的方波信号提供，可产生频率及脉宽可调的方波信号。

学生可根据实验自行选择方波信号的频率及脉宽。

为了便于控制程序的运行，时序电路发生器也设置了一个启停控制触发器Cr，使TS1-TS4信号输出可控。

图中STEP（单步）、STOP（停机）分别是来自实验板上方中部的两个二进制开关STEP、STOP的模拟信号。

当STEP开关为0时（EXEC），一旦按下启动键，运行触发器Cr一直处于“1”状态，因此时序信号TS1-TS4将周而复始地发送出去。

当STEP为1（STEP）时，一旦按下启动键，机器便处于单步运行状态，即此时只发送一个CPU周期的时序信号就停机。

利用单步方式，每次只读一条微指令，可以观察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STOP开关置“1”（STOP），也会使机器停机。

由于时序电路的内部线路已经连好，所以只需将时序电路与方波信号源连接（即将时序电路的时钟脉冲输入端Ф接至方波信号发生器输出端H23）,时序电路的CLR已接至实验板左下方的CLR模拟开关上。

图6--3--1时序电路原理图

2.微程序控制电路与微指令格式

（1）微程序控制电路

微程序控制器的组成见图6--3--2，其中控制存储器采用3片2816的E2PROM，具有掉电保护功能，微命令寄存器18位，用两片8D触发器（273）和一片4D（175）触发器组成。

微地址寄存器6位，用三片正沿触发的双D触发器（74）组成。

它们带有清“0”端和预置端。

在不判别测试的情况下，T2时刻打入微地址寄存器的内容即为下一条微指令地址。

当T4时刻进行测试判别时，转移逻辑满足条件后输出的负脉冲通过强置端将某一触发器置为“1”状态，完成地址修改。

在该实验电路中设有一个编程开关（位于实验板右上方），它具有三种状态：

PROM（编程）、READ（交验）、RUN（运行）。

当处于“编程状态”时，学生可根据位地址和微指令格式将微指令二进制代码写入到控制存储器2816中。

当处于“校验状态”时，可以对写入控制存储器中的二进制代码进行验证，从而可以判断写入的二进制代码是否正确。

当处于“运行状态”时，只要给出微程序的入口地址，则可根据微程序流程图自动执行微程序。

图中微地址寄存器输出端增加了一组三态门，目的是隔离触发器的输出，增加抗干扰能力，并用来驱动微地址显示灯。

（2）微指令格式

微指令长共24位，其控制位顺序如下：

表6--3—1

其中UA5-UA0为6位的后续微地址，A、B、C三个译码字段，分别有三个控制位译码出多位。

C字段中的P

（1）—P（4）是四个测试字位。

其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码，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，其原理如图6--3--3所示，图中I7--I2为指令寄存器的第7--2位输出，SE5----SE1为微控制器单元微地址锁存器的强制端输出。

AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位，其为零有效。

B字段中的RS----B、RO----B、RI----B分别为源寄存器选通信号、目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号，其功能是根据机器指令进行三个工作寄存器R0、R1及R2的选通译码，其原理如图6--3--4，图中I0----I4为指令寄存器的第0----4位，LDRi打入工作寄存器信号的译码器使能控制位。

图6--3--2微程序控制器原理图

图6--3--3

图6--3—4

3.实验步骤

（1）图6--3--5为几条机器指令对应的参考微程序流程图，将全部微程序按微指令格式变成二进制代码，可得到表6--3--2的二进制代码表。

图6--3--5微程序流程图

表6--3--2二进制代码表

（2）按图6--3--6连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。

图6--3—6实验接线图

（3）观测时序信号

用双踪示波器（或用PC示波器功能）观察方波信号源的输出，时序电路中的“STOP”开关置为“RUN”、“STEP”开关置为“EXEC”。

按动START按键，从示波器上可观察到TS1、TS2、TS3、TS4各点的波形，比较它们的相互关系，画出其波形，并标注测量所得的脉冲宽度，见图6--3--7。

图6--3—7

（4）观察微程序控制器的工作原理：

编程

A．将编程开关（位于实验板右上方）置为PROM（编程）状态。

B．将实验板上“STATEUNIT”中的“STEP”置为“STEP”，“STOP”置为“RUN”状态。

C．用（SWITCHUNIT）二进制模拟开关置微地址MA5----MA0。

D．用（实验板最右上方）MK24----MK1开关上置微代码，24位开关对应24位显示灯，开关量为“0”时灯亮，开关量为“1”时灯灭。

E．启动时序电路（按动启动按钮“START”一次），即将微代码写入到E2PROM2816的相应地址对应的单元中。

F．重复C----E步骤，将表6--3--2的微代码写入2816。

校验

A．将编程开关设置为READ（校验）状态。

B．将实验板的“STEP”开关置为“STEP”状态，“STOP”开关置为“RUN”状态。

C．用二进制开关置好微地址MA5------MA0。

D．按动“START”键一次，启动时序电路，读出微代码，观察显示灯MD24----MD1的状态（灯亮为“0”，灭为“1”），检查读出的微代码是否与写入的相同。

如果不同，则将开关置于PROM编程状态，重新执行

即可。

单步运行

A．将编程开关置于“RUN（运行）”状态。

B．实验板的“STEP”及“STOP”开关保持原状。

C．操作CLR开关（拨动开关在实验板右下角）使CLR信号1→0→1。

微地址寄存器MA5-----MA0清零，从而明确本机的运行入口微地址为000000（二进制）。

D．按动“START”键，启动时序电路，则每按一次启动键，读出一条微指令后停机，此时实验台上的微地址显示灯和微命令显示灯将显示所读出的一条指令。

连续运行

A．将编程开关置为“RUN（运行）”状态。

B．将实验板的单步开关“STEP”置为“EXEC”状态。

C．使CLR从1→0→1此时微地址寄存器清“0”，从而给出取指微指令的入口地址为000000（二进制）。

D．启动时序电路，则可连续读出微指令。

实验四基本模型机设计与实现

.实验目的

1.在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统构成一台基本模型计算机。

2.为其定义五条机器指令，并编写相应的微程序，具体上机调试掌握整机概念。

．实验设备

CCT--IV计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。

．实验内容

1.实验原理

部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本次实验将能在微程序控制下自动产生各部件单元的控制信号，实现特定指令的功能。

这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行时结束的一个指令周期全部有微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。

本实验采用五条机器指令：

IN（输入）、ADD（二进制加发）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），其指令格式如下（前四位为操作码）：

其中IN为单字长（8位），其余为双字长指令，××××××××为addr对应的二进制地址码。

为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，还必须设计三个控制台操作微程序。

存储器读操作（KRD）：

拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA为“00”时，按START微动开关，可对RAM连续手动读操作。

存储器写操作（KWE）：

拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA置为“01”时，按START微动开关可对RAM进行连续手动写入。

启动程序：

拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA置为“11”时，按START微动开关，即可转入到第01号“取址”微指令，启动程序运行。

（CLR、SWB、SWA三个开关在SWITCHUNIT中）

上述三条控制台指令用两个开关SWB、SWA的状态来设置，其定义如下：

SWB

SWA

控制台指令

0

0

1

0

1

1

读内存（KRD）

写内存（KWE）

启动程序（RP）

根据以上要求设计数据通路框图，如图6--4—1

图6--4--1数据通路框图

表6--4—1

系统涉及到的微程序流程见图6--4--2，当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段为P

（1）测试。

由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P

（1）的测试结果出现多路分支。

本机用指令寄存器的前4位（IR7—IR4）作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定微地址单元。

控制台操作为P（4）测试，它以控制台开关SWB、SWA作为测试条件，出现了3路分支，占用3个固定微地址单元。

当分支微地址单元固定后，剩下的其它地方就可以一条微指令占用控存一个微地址单元随意填写。

注意：

微程序流程图上的单元地址为八进制。

当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表6--3--2即为将图6--3--3的微程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制微代码表”。

图6--4--2微程序流程图

表6--4--2二进制代码表

下面介绍指令寄存器（IR）：

指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。

当执行一条指令时，先把它从内存取到缓冲寄存器中，然后再传送指令寄存器。

指令划分为操作码和地址码字段，有二进制数构成，为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试P

（1）,通过节拍脉冲T4的控制以便识别所要求的操作。

“指令译码器”（实验板上标有“INSDECODE”的芯片）根据指令中的操作码译码强置微控制器单元的微地址，使下一条微指令指向相应的微程序首地址。

本系统有两种外部I/O设备，一种是二进制代码开关，它作为输入设备（INPUTDEVICE）；另一种是数码块，它作为输出设备（OUTPUTDEVICE）。

例如：

输入时，二进制开关数据直接经过三态门送到外部数据总线上，只要开关状态不变，输入的信息也不变。

输出时，将输出数据送到外部数据总线上，当写信号（W/R）有效时，将数据打入输出锁存器，驱动数码块显示。

本实验设计机器指令程序如下：

2.实验步骤

（1）按图6--4--3连接实验线路。

图6--4--3实验接线图

（2）写程序

方法

：

手动写入

先将机器指令对应的微代码正确地写入2816中，由于在实验（

）微程序控制实验中已将微代码写入E2PROM芯片中，对照表6--4--2交验正确后就可使用。

使用（开关单元的开关做）控制台KWE和KRD微程序进行机器指令程序的装入和检查。

A．使编程开关处于“RUN”，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态。

B．拨动总清开关CLR（0→1），微地址寄存器清零，程序计数器清零，然后使控制台SWB、SWA开关置为“01”按动一次启动开关START，微地址显示灯显示“010001”，再按动一次START，微地址灯显示“010100”，此时数据开关的内容置为要写入的机器指令，（此时输入指令程序，如第一条00000000，按动三次START键，后续微地址灯显示“010100”时再输入第二条指令程序……，直到第九条）即完成该条指令的写入。

若自己阅读KWE的流程，就不难发现，机器指令的首地址只要第一次给入即可，PC会自动加1,所以，每次按动START，只有在微地址灯显示“010100”时，才设置内容，直到所有机器指令写完。

C．写完程序后须进行检验，拨动总清开关CLR（0→1）后，微地址清零，PC程序计数器清零，然后使控制台开关SWB、SWA为“00”，按动启动START，微地址灯将显示“010000”，再按START，微地址灯显示为“010010”，第三次按START，微地址灯显示为“010111”，此时总线单元的显示灯显示为该首地址的内容。

不断按动START，可检查后续单元内容，注意：

每次仅在微地址灯显示为“010111”时，显示灯的内容才是相应地址中的机器指令内容。

方法

：

联机读/写程序

按照规定格式，将机器指令及表6---3---2微指令二进制表编辑成为十六进制的如下格式文件。

$M14182000

$M15010A07

$M1681D100

$M17100A07

$M18118A06

用联机软件的传送文件功能（F4）将该格式文件传入实验系统即可。

（3）运行程序

单步运行程序

A．使编程开关处于“RUN”状态，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态

B．拨动总清开关CLR（01），微地址清零，PC计数器清零，程序首地址为00H。

C．单步运行一条微指令，每按动一次START键，即单步运行一条微指令。

对照微程序流程图，观察微地址显示灯是否滞和流程一致。

D．当运行结束后，可检查存储单元（0B）中的结果是否和理论值一致。

连续运行程序

A．使“STARTUNIT”中的STEP开关置于“EXEC”状态。

STOP开关置为“RUN”状态。

B．拨动CLR开关，清微地址及PC计数器，按动START，系统连续运行程序，稍候将STOP拨至“STOP”时，系统停机。

C．停机后，可检查存数单元（0B）结果是否正确。

若联机运行程序时，进入DEBUG调试界面，总清开关CLR（01）清零后，程序首地址为00H，按相应功能键即可联机运行、调试程序。

（软件使用说明请看《实用手册》）

实验

带移位运算的模型机的设计与实现

．实验目的

1、熟悉用微程序控制器控制模型机的数据通路。

2、学习设计与调度计算机的基本步骤及方法。

二、实验设备

CCT-IV计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。

三、实验内容

1、实验原理

本实验在实验四中的基本模型机的基础上搭接移动控制电路，实现移动控制运算。

实验中新增4条移位运算指令：

RL（左环移）、RLC（带进位左环移）、RR（右环移）、RRC（带进位右环移），其指令格式如下：

操作码

RR01010000

RRC01100000

RL01110000

RLC10000000

以上4条指令都为单字长（8位）。

RR为将R0寄存器的内容循环右移一位。

RRC为将R0寄存器的内容带进位右移一位，它将R0寄存器中的数据右边第一位移入进位，同时将进位寄存器的数移至R0寄存器的最左位。

RL为将R0寄存器的数据循环左移一位。