计算机组成原理实验指导书.docx
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计算机组成原理实验指导书
EL-JY-II型计算机组成原理实验系统（16位）
实验指导书
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=减1（2的补）
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：
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）：
实验连线图如图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。
）
运算器电路
S3S2S1S0MCnALU-GARLDR1LDR2
T4
C1…...C6E5E4F5E3F4
控制总线
图1－6实验一键盘实验连线图
2．实验过程：
拨动清零开关CLR，使其指示灯灭。
再拨动CLR，使其指示灯亮。
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。
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，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】，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=1235H
F=1235H
F=EDCB
1234H
5678H
01或1
F=
F=567DH
F=
1234H
5678H
02或2
F=
F=BBB8H
F=
1234H
5678H
03或3
F=
F=0000H
F=
1234H
5678H
04或4
F=
F=1239H
F=
1234H
5678H
05或5
F=
F=5681H
F=
1234H
5678H
06或6
F=
F=BBBCH
F=
1234H
5678H
07或7
F=
F=
F=
1234H
5678H
08或8
F=
F=
F=
1234H
5678H
09或9
F=
F=
F=
1234H
5678H
0A或A
F=
F=
F=
1234H
5678H
0B或B
F=
F=
F=
1234H
5678H
0C或C
F=
F=
F=
1234H
5678H
0D或D
F=
F=
F=
1234H
5678H
0E或E
F=
F=
F=
1234H
5678H
0F或F
F=
F=
F=
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．通过本次实验的收获及想法。
实验二移位运算实验
一、实验目的：
掌握移位控制的功能及工作原理
二、预习要求：
1．了解移位寄存器的功能及用FPGA的实现方法。
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、工作原理：
移位运算实验电路的功能由S1、S0、M控制，具体功能见表2-2：
299-G
S1
S0
M
功能
0
0
0
×
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
1
1
1
×
置数
表2-2
五、实验内容：
输入数据，利用移位寄存器进行移位操作。
六、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。
连线时应按如下方法：
为了连线统一，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。
1.实验连线：
实验连线图如图2－3所示。
2．实验过程：
拨动清零开关CLR，使其指示灯灭。
再拨动CLR，使其指示灯亮。
在监控指示灯滚动显示【CLASSSELECt】时按【实验选择】键，显示【ES--__】输入02或2，按【确认】键，监控指示灯显示为【ES02】，表示准备进入实验二程序，也可按【取消】键来取消上一步操作，重新输入。
再按【确认】键，进入实验二程序，显示为【E1E0--】，提示输入操作指令（参考表2－2，E1E0相当于299－G，二进制，“11”为关闭输出，“00”为允许输出），输入二进制数“11”，关闭输出，在输入过程中，可按【取消】键进行输入修改。
按【确认】键，监控指示灯显示【Lo=0】，可输入二进制数“0”或“1”，此处Lo相当于表2－2的M，即控制是否带进位进行移位，默认为“0”，不带进位移位。
输入“1”，选择带进位操作。
按【确认】键，监控指示灯显示【S0S1--】，提示输入移位控制指令（参考表2－2），输入二进制数“11”，对寄存器进行置数操作。
按【确认】键，监控指示灯显示【DATA】，提示输入要移位的数据，输入十六进制数“0001”，按【确认】，显示【PULSE】，此时按【单步】，将数据存入移位寄存器，可对它进行移位控制。
监控指示灯显示【ES02】，按【确认】键，进行移位操作，显示为【E1E0--】，提示输入操作指令（参考表2－2，E1E0相当于299－G，二进制，“11”为关闭输出，“00”为允许输出），输入二进制数“00”，允许输出，在输入过程中，可按【取消】键进行输入修改。
按【确认】键，监控指示灯显示【Lo=0】，和前面一样，输入“0”，选择不带进位操作。
按【确认】键，监控指示灯显示【S0S1--】，提示输入移位控制指令（参考表2－2），输入二进制数“01”，表示对输入的数据进行循环右移，显示【PULSE】,按【单步】键，则对十六进制数据“0001”执行一次右移操作。
数据总线指示灯显示“1000000000000000”，再按【单步】，数据总线指示灯显示“0100000000000000”，连续按【单步】，可以单步执行，按【全速】键，监控指示灯显示【Run】，则可连续执行移位操作。
观察数据总线显示灯的变化，判断结果是否正确。
重新置入数据“FFFF”，进行带进位的循环右移，观察数据总线显示灯的变化，判断结果是否正确。
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．通过本次实验的收获及想法。
实验三存储器读写实验
一、实验目的：
掌握半导体静态随机存储器RAM的特性和使用方法。
掌握地址和数据在计算机总线的传送关系。
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-II8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。
六、实验内容：
1．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。
2．组成计算机数据通路，实现计算机的运算并存储功能。
（选做，只提供开关控制操作方式实验步骤，见附加实验）
注：
6116为静态随机存储器，如果掉电，所存的数据丢失！
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。
图3－4实验三键盘实验接线图
2．写数据：
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，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，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”，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：
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。
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，监控指示灯显示为【CtL=--】，输入2,表示准备对RAM进行读数据，在输入过程中，可按【取消】键进行输入修改。
按【确认】键，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”，监控指示灯重新显示【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，所存的数据将丢失！
实验四微程序控制器的组成与实现实验
一、实验目的：
1．掌握微程序控制器的组成及工作过程；
2．通过用单步方式执行若干条微指令的实验，理解微程序控制器的工作原理。
二、预习要求：
1．复习微程序控制器工作原理；
2．预习本电路中所用到的各种芯片的技术资料。
三、实验设备：
EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一台，连接线若干。
四、电路组成：
微程序控制器的电路图见图4-1，其中虚线部分电路由EP1K10实现。
本电路由一片三态输出8D触发器74LS374、三片EEPROM2816、一片三态门74LS245和EP1K10集成的逻辑控制电路组成。
28C16、74LS373、74LS245芯片的技术资料分别见图4-2~图4-4。
图4-2（a）28C16引脚图4-2（b）28C16引脚说明
工作方式
/CE/OE/WE
输入/输出
读
后备
字节写
字节擦除
写禁止
写禁止
输出禁止
LLH
H××
LHL
L12VL
××H
×L×
×H×
数据输出
高阻
数据输入
高阻
高阻
高阻
高阻
图4-2（c）28C16工作方式选择
图4-1微控制器部分电路图
图4-3（a）74LS374引脚图4-3（b）74LS374功能
图4-4（a）74LS245引脚图4-4（b）74LS245功能
五、工作原理：
1．脉冲源和时序电路：
实验所用的脉冲源和时序电路中“脉冲源输出”为时钟信号，f的频率为500KHz，f/2的频率为250KHz，f/4的频率为125KHz，f/8的频率为62.5KHz，共四种频率的方波信号，可根据实验自行选择一种方波信号的频率。
每次实验时，只需将“脉冲源输出”的四个方波信号任选一种接至“信号输入”的“fin”，时序电路即可产生4种相同频率的等间隔的时序信号T1~T4，其关系见图4-9。
电路提供了四个按钮开关，以供对时序信号进行控制。
工作时，如按一下“单步”按钮，机器处于单步运行状态，即此时只发送一个CPU周期的时序信号就停机，波形见图4-9。
利用单步运行方式，每次只读一条微指令，可以观察微指令的代码与当前微指令的执行结果。
如按一下“启动”按钮，机器连续运行，时序电路连续产生如图4-9的波形。
此时，按一下“停止”按钮，机器停机。
图4-9
按动“单脉冲”按钮，“T+”和“T-”输出图4－10的波形：
T+
T-
图4－10
各个实验电路所需的时序信号端均已分别连至“控制总线”的“T1、T2、T3、T4”，实验时只需将“脉冲源及时序电路”模块的“T1、T2、T3、T4”端与“控制总线”的“T1、T2、T3、T4”端相连，即可给电路提供时序信号。
2．微程序控制器电路：
三片EEPROM2816构成24位控制存储器。
虚线部分两片8D触发器74LS273和一片4D触发器74LS175构成18位微命令寄存器，三片3线-8线译码器74LS138对微命令进行译码，三片2D触发器74LS74构成6位微地址寄存器，它们带有清“0”端和预置端。
在不判别测试的情况下，T2时刻打入微地址器的内容即为下一条微指令地址。
当T3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。
SA5~SA0为微控器电路微地址锁存器的强置端输出。
在该电路中有一组开关K1、K2、K3、K4（注意：
K4在基板上的“24位微代码输入及显示电路”中），它们可以设为三种状态：
写入、读出和运行。
当处于“写入”状态时，可根据微地址和微指令格式将微指令二进制代码写入到2816中。
当处于“读出”状态时，可以将写入的二进制代码读出，从而可以对写入控存的二进制代码的正确性进行验证。
当处于“运行”状态时，只要给出微程序的入囗微地址，则可根据微程序流程图自动执行微程序。
六、实验内容：
往EEPROM里任意写24位微代码，并读出验证其正确性。
七、实验步骤
Ⅰ、单片机键盘操作方式实验
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。
2.实验连线：
实验连线图如图4－11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。
读写控制电路
T1T2T3T4
微程序控制器电路
UAJ1
C1C2C3C4C5C6F1F2F3F4
控制总线
图4－11实验四键盘实验接线图
3.写微代码：
将开关K1K2K3K4拨到写状态即K1off、K2on、K3off、K4off，其中K1、K2、K3在微程序控制电路，K4在24位微代码输入及显示电路上。
在监控指示灯滚动显示【CLASSSELECt】状态下按【实验选择】键，显示【ES--__】输入04或4，按【确认】键，显示为【ES04】，表示准备进入实验四程序，也可按【取消】键来取消上一步操作，重新输入。
再按下【确认】键，显示为【CtL1=_】，表示对微代码进行操作。
输入1显示【CtL1_1】，表示写微代码，也可按【取消】键来取消上一步操作，重新输入。
按【确认】显示【U-Addr】，此时输入【000000】6位二进制数表示的微地址，然后按【确认】键，监控指示灯显示【U_CodE】，显示这时输入微代码【000001】，该微代码是用6位十六进制数来表示前面的24位二进制数，注意输入微代码的顺序，先右后左，此过程中可按【取消】键来取消上一次输入，重新输入。
按【确认】键则显示【PULSE】，按【单步】完成一条微代码的输入，重新显示【U-Addr】提示输入表4-1第二条微代码地址。
按照上面的方法输入表4－1微代码,观察微代码与微地址显示灯的对应关系（注意输入微代码的顺序是由右至左）。
微地址（八进制）
微地址（二进制）
微代码（十六进制）
00
000000
000001
01
000001
000002
02
000010
000003
03
000011
015FC4
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