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《计算机组成原理》实验指导书
第二章分部实验
为掌握计算机的基本组成和工作原理，并为课程设计做准备，本章安排了四个分部实验，这些实验均在COP2000计算机组成原理实验仪上进行。
§2.1分部实验1
本实验包括寄存器的验证实验及运算器的验证、设计实验。
2.1.1寄存器实验
寄存器是一种重要的数字电路部件,常用来暂时存放数据、指令等。
一个触发器可以存储一位二进制代码，存放N位二进制代码，用N个触发器即可。
因为我们的模型机是8位的，因此在本模型机中大部分寄存器是8位的，标志位寄存器（Cy,Z）是二位的。
在COP2000实验仪中，寄存器由74HC574构成，它可以存放8位二进制代码，其中的一位二进制代码是由一个D触发器来存储的。
首先，我们先介绍一下74HC574的工作原理。
图2-1是74HC574的原理图。
图2-174HC574原理图
我们可以看到，在CLK的上升沿，输入端的数据被打入到8个触发器中。
当OC=1时，触发器的输出被关闭，当OC=0时，触发器输出数据。
表2-1列出了74HC574的使用方法。
表2-174HC574使用方法
图2-2为74HC574的工作波形图。
图2-274HC574工作波形图
一、实验一：
A，W寄存器实验
1、实验器材
COP2000计算机组成原理实验仪、万用表。
2、实验目的
（1）了解并掌握74HC574的工作原理及使用方法。
（2）掌握寄存器A，W的工作原理。
3、实验要求
分别验证A，W寄存器的功能。
4、实验原理
A，W寄存器是作用于ALU输入端的两个寄存器，两个参与运算的数分别来自A或W。
图2-3、图2-4分别为寄存器A，W的原理图。
图2-3寄存器A原理图
图2-4寄存器W原理图
A，W寄存器的写工作波形如图2-5所示。
图2-5寄存器A，W写工作波形图
其中，AEN、WEN分别为A选通和B选通。
5、实验步骤与内容
（1）按照表2-2连线
表2-2A，W寄存器实验连线表
（2）将数据55H写入A寄存器
首先将二进制开关K23-K16用于数据总线DBUS[7：
0]的数据输入，置数据55H。
然后，置如下控制信号：
接下来，按住CLOCK脉冲键，CLOCK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CLOCK键，CLOCK由低变高，产生一个上升沿，数据55H被写入A寄存器。
（3）将数据66H写入W寄存器
首先将二进制开关K23-K16用于数据总线DBUS[7：
0]的数据输入，置数据66H。
然后，置如下控制信号：
接下来，按住CLOCK脉冲键，CLOCK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CLOCK键，CLOCK由低变高，产生一个上升沿，数据66H被写入W寄存器。
可以看到，数据是在放开CLOCK键后改变的，也就是CLOCK的上升沿数据被打入。
另外，WEN，AEN为高时，即使CLOCK有上升沿，寄存器的数据也不会改变。
二、寄存器组R（R0-R4）实验
1、实验器材
COP2000计算机组成原理实验仪、万用表。
2、实验目的
掌握寄存器组的工作原理。
3、实验要求
验证寄存器组的功能。
4、实验原理
本模块的设置，为实验仪提供了4个8位通用寄存器。
它对运算器结构、运算速度、指令系统的设计等都有密切的关系。
我们可以通过SB、SA进行4个寄存器的选择。
寄存器组的原理见图2-6。
图2-6寄存器组R原理图
寄存器组R的读、写工作波形图如图2-7及图2-8所示。
图2-7寄存器组R的写工作波形图
图2-8寄存器组R的读工作波形图
5、实验内容与步骤
在本实验中，我们会将不同的数据分别写入寄存器组的不同寄存器中，并分别读出。
（1）首先，按照表2-3连线。
表2-3寄存器组实验连线表
（2）分别将数据11H、22H、33H、44H写入寄存器R0、R1、
R2和R3。
具体步骤如下：
1）将11H写入R0寄存器
首先，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：
K11（RRD）
K10（RWR）
K1（SB）
K0（SA）
1
0
0
0
按住CLOCK脉冲键，CLOCK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CLOCK键，CLOCK由低变高，产生一个上升沿，数据11H被写入R0寄存器。
2）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
K23
K22
K21
K20
K19
K18
K17
K16
0
0
1
0
0
0
1
0
置控制信号为：
K11（RRD）
K10（RWR）
K1（SB）
K0（SA）
1
0
0
1
按住CLOCK脉冲键，CLOCK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CLOCK键，CLOCK由低变高，产生一个上升沿，数据22H被写入R1寄存器。
3）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
K23
K22
K21
K20
K19
K18
K17
K16
0
0
1
1
0
0
1
1
置控制信号为：
K11（RRD）
K10（RWR）
K1（SB）
K0（SA）
1
0
1
0
按住CLOCK脉冲键，CLOCK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CLOCK键，CLOCK由低变高，产生一个上升沿，数据33H被写入R2寄存器。
4）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
K23
K22
K21
K20
K19
K18
K17
K16
0
1
0
0
0
1
0
0
置控制信号为：
K11（RRD）
K10（RWR）
K1（SB）
K0（SA）
1
0
1
1
按住CLOCK脉冲键，CLOCK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CLOCK键，CLOCK由低变高，产生一个上升沿，数据44H被写入R3寄存器。
我们可以看到，K1（SB）,K0（SA）用于选择寄存器。
K1（SB）
K0（SA）
选择
0
0
R0
0
1
R1
1
0
R2
1
1
R3
（3）分别将寄存器组R中R0、R1、R2、R3中的内容读出。
1）读R0寄存器
置控制信号为：
K11（RK11（RRD）
K10（RWR）
K1（SB）
K0（SA）
0
1
0
0
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。
此时液晶显示DBUS:
1100010001.然后将K11（RRD）置为1,关闭R0寄存器输出.
2）读R1寄存器
置控制信号为：
K11（RRD）
K10（RWR）
K1（SB）
K0（SA）
0
1
0
1
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。
此时液晶显示DBUS:
2200100010.然后将K11（RRD）置为1,关闭R1寄存器输出.
3）读R2寄存器
置控制信号为：
K11（RRD）
K10（RWR）
K1（SB）
K0（SA）
0
1
1
0
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。
此时液晶显示DBUS:
3300110011.然后将K11（RRD）置为1,关闭R2寄存器输出.
4）读R3寄存器
置控制信号为：
K11（RRD）
K10（RWR）
K1（SB）
K0（SA）
0
1
1
1
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。
此时液晶显示DBUS:
4401000100.然后将K11（RRD）置为1,关闭R3寄存器输出.
我们可以看到,数据在K11（RRD）为0时输出,不是沿触发,与数据打入不同。
三、MAR地址寄存器，ST堆栈寄存器，OUT输出寄存器实验
1、实验器材
COP2000计算机组成原理实验仪、万用表。
2、实验目的
掌握MAR地址寄存器，ST堆栈寄存器，OUT输出寄存器的工作原理。
3、实验要求
验证上述三种寄存器的功能。
4、实验原理
MAR为存储器地址寄存器，其功能是存储操作数在内存中的地址。
其原理图见图2-9。
图2-9MAR地址寄存器原理图
图中，信号MAREN的功能是将数据总线DBUS上数据MAR，信号MAROE的功能是将MAR的值送到地址总线ABUS上。
ST堆栈寄存器的作用，是出现中断或子程序调用时，保存断点处PC的值，以便中断或子程序结束时，能继续执行原程序。
其原理图见2-10。
图2-10ST堆栈寄存器原理图
图中，信号STEN的作用是将数据总线DBUS上数据存入堆栈寄存器ST中。
OUT寄存器为输出端口寄存器，其原理图见图2-11。
图2-11寄存器OUT原理图
图中，信号OUTEN作用是将数据总线DBUS上的数据送到输出端口寄存器OUT中。
寄存器MAR，ST，OUT的写工作波形见图2-12所示。
图2-12寄存器MAR，ST，OUT写工作波形图
5、实验内容与步骤
本实验中，我们会将不同的数据写入寄存器MAR、ST和OUT。
（1）首先，按照表2-4连线。
表2-4寄存器MAR，ST，OUT实验连线路表
（3）将数据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
K23
K22
K21
K20
K19
K18
K17
K16
0
0
0
1
0
0
1
0
置控制信号为：
按住CLOCK脉冲键，CLOCK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CLOCK键，CLOCK由低变高，产生一个上升沿，数据12H被写入MAR寄存器。
我们看到，信号K14（MAROE）为0,MAR寄存器中的地址输出到地址总线ABUS上，此时，MAR红色输出指示灯亮。
然后，我们将信号K14（MAROE）置为1，从而关闭MAR输出。
（4）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
K23
K22
K21
K20
K19
K18
K17
K16
0
0
1
1
0
1
0
0
置控制信号为：
K14（MAROE）
K15（MAREN）
K12（STEN）
K13（OUTEN）
1
1
0
1
按住CLOCK脉冲键，CLOCK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CLOCK键，CLOCK由低变高，产生一个上升沿，数据34H被写入ST寄存器。
（5）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
K23
K22
K21
K20
K19
K18
K17
K16
0
1
0
1
0
1
1
0
置控制信号为：
K14（MAROE）
K15（MAREN）
K12（STEN）
K13（OUTEN）
1
1
1
0
按住CLOCK脉冲键，CLOCK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CLOCK键，CLOCK由低变高，产生一个上升沿，数据56H被写入OUT寄存器。
2.1.2运算器实验
运算器是计算机的执行部件，计算机中所有的算术运算和逻辑运算都是由运算器来执行的。
COP2000的运算器模块包括ALU部件、寄存器组（R0-R3）、累加器A、工作寄存器W、移位电路和数据通路等。
其中，ALU为算术逻辑单元，是运算器的核心部件，可实现8种算术和逻辑运算。
运算器结构图见图2-13。
数据总线
寄存器组（R0-R3）
寄存器W
寄存器A器器
L
R
D
图2-13COP2000运算器结构
COP2000中的算术逻辑单元ALU是利用大规模可编程逻辑器件实现，具体是由一片XC9572-PLCC44实现的。
它是运算器的核心，可以对两个8位二进制数进行8种算术或逻辑运算，并通过S2，S1，S0来选择。
参与运算的操作数来自寄存器A和W，运算结果输出到直通门D。
一、运算器验证实验
1、实验器材
COP2000计算机组成原理实验仪、万用表。
2、实验目的
了解8位模型机中，算术、逻辑单元（ALU）的工作原理和实验方法。
3、实验要求
验证运算器功能。
4、实验原理
COP2000实验仪运算器中的ALU是利用大规模可编程逻辑器件实现，具体是由一片XC9572-PLCC44实现的。
该实验仪提供了8种算术运算和逻辑运算，并通过S2，S1，S0来选择。
参与运算的操作数来自寄存器A和寄存器W，运算结果输出到直通门D。
表2-5列出了实验仪提供的8种运算。
表2-5运算器提供的8种运算
S2S1S0
功能
000
A+W加
001
A-W减
010
A|W或
011
A&W与
100
A+W+C带进位加
101
A-W-C带进位减
110
~AA取反
111
A输出A
5、实验内容与步骤
（1）按照表2-6连线。
表2-6运算器验证实验连线表
连接
信号孔
接入孔
作用
有效电平
1
J1座
J3座
将K23-K16接入DBUS[7:
0]
2
S0
K0
运算器功能选择
3
S1
K1
运算器功能选择
4
S2
K2
运算器功能选择
5
AEN
K3
选通A
低电平有效
6
WEN
K4
选通W
低电平有效
7
CyIN
K5
运算器进位输入
8
ALUCK
CLOCK
ALU工作脉冲
上升沿打入
（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
K23
K22
K21
K20
K19
K18
K17
K16
0
1
0
1
0
1
0
1
置控制信号为：
K5（CyIN）
K4（WEN）
K3（AEN）
K2（S2）
K1（S1）
K0（S0）
0
1
0
0
0
0
按住CLOCK脉冲键，CLOCK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CLOCK键，CLOCK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
K23
K22
K21
K20
K19
K18
K17
K16
0
0
1
1
0
0
1
1
置控制信号为：
K5（CyIN）
K4（WEN）
K3（AEN）
K2（S2）
K1（S1）
K0（S0）
0
0
1
0
0
0
按住CLOCK脉冲键，CLOCK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CLOCK键，CLOCK由低变高，产生一个上升沿，数据33H被写入W寄存器。
（4）检验运算器的运算结果
置如下的控制信号,检验运算器的运算结果
K5（CyIN）
K2（S2）
K1（S1）
K0（S0）
结果（直通门D）
注释
X
0
0
0
88H
加运算
X
0
0
1
22H
减运算
X
0
1
0
77H
或运算
X
0
1
1
11H
与运算
0
1
0
0
88H
带进位加运算
1
1
0
0
89H
带进位加运算
0
1
0
1
22H
带进位减运算
1
1
0
1
21H
带进位减运算
X
1
1
0
AAH
取反运算
X
1
1
1
55H
输出A
我们看到，运算器在加上控制信号及数据（A,W）后,立刻给出结果,不须时钟。
二、运算器验证实验
1、实验器材
COP2000计算机组成原理实验仪、万用表。
2、实验目的
学习用ABEL及VHDL语言描述硬件逻辑，学习使用EDA开发环境。
3、实验要求
将实现ALU功能的ABEL程序用VHDL程序代替，并验证结果，具体的ABEL程序见6。
（1）
4、实验原理
COP2000实验仪运算器中的ALU是由一片XC9572-PLCC44实现的，该实验仪提供了8种算术运算和逻辑运算，并通过S2，S1，S0来选择。
参与运算的操作数来自寄存器A和寄存器W，运算结果输出到直通门D。
我们知道，目前常用的硬件描述语言有AHDL、ABEL、VHDL、VerilogHDL等等。
COP2000实验仪当中的运算器由一片EPLD实现，采用的硬件描述语言是ABEL。
5、实验内容与步骤
COP2000实验仪运算器中的ALU是由一片XC9572-PLCC44实现，具体采用的硬件描述语言是ABEL，相关的ABEL程序见6。
要求在分析的基础上，用VHDL语言编程实现相同的运算器功能。
6、附录（运算器的ABEL程序清单）
ModuleALU
Declarations
ALU1interface（S2,S1,S0,CI,A,B->S,CO）;//一位运算器
T7..T0functional_blockALU1;
DIn7..DIn0PIN25,26,27,28,29,34,33,36;
A_ENpin20;
W_ENpin22;
F_ENpin24;
ALU_CKpin18;
A7..A0nodeistype'reg';
W7..W0nodeistype'reg';
O7..O0PIN5,4,3,2,1,44,43,42istype'com';
X1pin37;
X0pin38;
RZpin13istype'reg';
RCypin14istype'reg';
RL0pin6istype'com';
RR7pin40istype'com';
CNPIN39;
S2PIN9;
S1PIN11;
S0PIN12;
CInnode;
Cynode;
C6..C0node;
Equations
[A7..A0]:
=[DIn7..DIn0];
[A7..A0].CLK=A_EN#ALU_CK;
[W7..W0]:
=[DIn7..DIn0];
[W7..W0].CLK=W_EN#ALU_CK;
CIn=RCy;//CinconnecttoRCyoutput
RL0=CN&CIn;
RR7=CN&CIn;
RZ:
=!
O7&!
O6&!
O5&!
O4&!
O3&!
O2&!
O1&!
O0;
RZ.CLK=F_EN#ALU_CK;
RCy:
=!
X1&!
X0&Cy#//directCout=Cy
X1&X0&Cy#//directCout=Cy
CN&!
X1&X0&O0#//shiftrightwithC
!
CN&!
X1&X0&RCy#//shiftrightwithoutC
CN&X1&!
X0&O7#//shiftleftwithC
!
CN&X1&!
X0&RCy;//shiftleftwithoutC
RCy.CLK=F_EN#ALU_CK;
T0.S1=S1;
T0.S0=S0;
T0.S2=S2;
T0.CI=S2&（!
F_OE&CIn#F_OE&PCIn）;
T0.A=A0;
T0.B=W0;
O0=T0.S;
C0=T0.CO;
T1.S1=S1;
T1.S0=S0;
T1.S2=S2;
T1.CI=C0;
T1.A=A1;
T1.B=W1;
O1=T1.S;
C1=T1.CO;
T2.S1=S1;
T2.S0=S0;
T2.S2=S2;
T2.CI=C1;
T2.A=A2;
T2.B=W2;
O2=T2.S;
C2=T2.CO;
T3.S1=S1;
T3.S0=S0;
T3.S2=S2;
T3.CI=C2;
T3.A=A3;
T3.B=W3;
O3=T3.S;
C3=T3.CO;
T4.S1=S1;
T4.S0=S0;
T4.S2=S2;
T4.CI=C3;
T4.A=A4;
T4.B=W4;
O4=T4.S;
C4=T4.CO;
T5.S1=S1;
T5.S0=S0;
T5.S2=S2;
T5.CI=C4;
T5.A=A5;
T5.B=W5;
O5=T5.S;
C5=T5.CO;
T6.S1=S1;
T6.S0=S0;
T6.S2=S2;
T6.CI=C5;
T6.A=A6;
T6.B=W6;
O6=T6.S;
C6=T6
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