计算机组成原理实验报告Word格式.docx

1、实验中的读写控制逻辑如下图：读写控制逻辑M_nI/O用来选择对MEM还是I/O读写，M_nI/O = 1，选择存贮器MEM；M_nI/O = 0，选择I/O设备。nRD = 0为读操作；nWR = 0为写操作。对MEM、I/O的写脉冲宽度与T2一致；读脉冲宽度与T2+T3一致，T2、T3由CON单元提供。存贮器实验原理图存贮器数据信号线与数据总线DBus相连；地址信号线与地址总线ABus相连，6116的高三位地址A10.A8接地，所以其实际容量为256字节。数据总线DBus、地址总线ABus、控制总线CBus与扩展区单元相连，扩展区单元的数码管、发光二极管上显示对应的数据。IN单元通过一片74

2、HC245（三态门），连接到内部数据总线iDBus上，分时提供地址、数据。MAR由锁存器（74HC574，锁存写入的地址数据）、三态门（74HC245、控制锁存器中的地址数据是否输出到地址总线上）、8个发光二极管（显示锁存器中的地址数据）组成。T2、T3由CON单元提供，按一次CON单元的uSTEP键，时序单元发出T1信号；按一次uSTEP键，时序单元发出T2信号；按一次uSTEP键，时序单元发出T3信号；再按一次uSTEP键，时序单元又发出T1信号，按一次STEP键，相当于按了三次uSTEP键，依次发出T1、T2、T3信号。其余信号由开关区单元的拨动开关模拟给出，其中M_nI/O应为高（即对

3、MEM读写操作）电平有效，nRD、nWR、wMAR、nMAROE、IN单元的nCS、nRD都是低电平有效。三. 实验过程和图片1、连线说明： CBus单元：M_nIO、nRD、nWR、nINTA（JP42）开关区单元：K15.K12（JP92）存贮器MEM单元：A0.A7（JP72）ABus单元：A00.A07（JP56）D0.D7（JP73）DBus单元：D0.D7（JP53）M_nRD、M_nWR（JP71）nM_RD、nM_WR （JP44）MAR单元：D0.D7（JP14）iDBus单元：iD0.iD7（JP38）wMAR、nMAROE（JP13）K7、K6（JP96）IN单元：IN0

4、.IN7（JP101）iD0.iD7（JP37）nCS、nRD（JP100）K1、K0（JP99）扩展区单元： JP65A00.A07（JP55） JP63D0.D7（JP54）JP67nM_RD、nM_WR （JP50） 注意：nINTA（K12）置“1”，使中断响应信号不干扰读写存贮器。2、打开实验仪电源，按CON单元的nRST按键，复位 3、给6116的00H、01H、02H、03H、04H、05H地址单元写入数据11H、22H、33H、44H、55H、61H。由前面的存贮器实验原理图中可以看出，IN单元的8个拨动开关提供数据和地址，因此先提供地址，具体操作步骤为：（1）禁止对存贮器61

5、16的读写（nWR = 1，nRD = 1）；（2）IN单元的拨动开关给出8位地址数据，IN单元的nCS=0、nRD=0，允许IN单元输出；（3）MAR单元的nMAROE = 0,允许MAR中锁存的地址数据输出到地址总线上；wMAR = 0，允许写MAR，按CON单元的STEP键一次，依次发出T1、T2、T3信号，在T3的下降沿，IN单元给出的地址数据锁存到MAR中。再写数据：（1）禁止对存贮器6116的读写（nWR = 1，nRD = 1）、MAR的写（wMAR = 1）；（2）IN单元的拨动开关给出8位数据，IN单元的nCS=0、nRD=0，允许IN单元输出；（3）允许对6116写（M_n

6、IO = 1，nRD = 1, nWR = 0）,按uSTEP键三次，在T2的下降沿，数据写入6116中。写存贮器的流程图如下（以向00地址单元写入11H为例）写存贮器流程图4、从6116的00H、01H、02H、03H、04H、05H地址单元读出数据，观察上述各单元中的内容是否与前面写入的一致。与写操作类似，先给出地址，再禁止IN单元输出数据（nRD、nCS至少一个=1），最后进行读操作：（1）使6116处于读状态（M_nIO = 1，nRD = 0, nWR = 1）,（2）按uSTEP键三次，在T2、T3信号有效时，6116向数据总线输出数据。读存贮器的流程如下（以从00地址单元读出11

7、H为例）：读存储器流程图如果实验仪、PC联机操作，则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果，方法是：打开软件，在星研软件的工具条中选择“存贮器实验”，打开存贮器实验的数据通路图。数据通路图进行上面的手动操作，点击工具条上单节拍或单周期命令图标，数据通路图会反映当前对存贮器所做的操作，借助于数据通路图，仔细分析对SRAM的读写过程。四. 实验体会通过这次实验，我基本掌握了有关静态随机存储器RAM 工作特性及数据的读写方法。这次的实验虽然连线比较简单，但是操作比较复杂，其原理也很丰富。同样的我们在接口串行成功后，进行了实验步骤的操作。根据书本上提供的数据我们进行了输入，并得到了正确的结果。而为了充

8、分验证它，并进一步了解它的原理，我跟组员也进行了一些创新，进行了不同的输入，然后通过书本原理计算结果，发现都与实验结果相同。这让我们更清楚的知道了有关静态随机存储器RAM 工作特性及数据的读写方法，有了很深刻的印象。由于一次一次的实验，我们对某些原来步熟悉的元件也有了一定的认识，知道它某些方面的用途，以及在特定实验中的作用。相信这些对以后的学习和实验都会有很大的帮助。实验二 系统总线和具有基本输入输出功能的总线接口实验1.理解总线的概念及其特性；掌握控制总线的功能和应用。2.掌握中断控制信号线的功能和应用；掌握在系统总线上设计中断控制信号线的方法。由于存储器和输入、输出设备最终是要挂接到外部总

9、线上，所以需要外部总线提供数据信号、地址信号以及控制信号。在该实验平台中，外部总线分为数据总线、地址总线、和控制总线，分别为外设提供上述信号。外部总线和CPU内总线之间通过三态门连接，同时实现了内外总线的分离和对于数据流向的控制。地址总线可以为外部设备提供地址信号和片选信号。由地址总线的高位进行译码，系统的I/O地址译码原理见下图（在地址总线单元）。由于使用A6、A7进行译码，I/O地址空间被分为四个区，如表所示：I/O地址译码原理图A07 A06片 选地址范围00IO_nCE000-3F01IO_nCE140-7F10IO_nCE280-BF11IO_nCE3C0-FFI/O地址空间分配CP

10、U通过读写控制逻辑，控制MEM和I/O设备的读写。实验中的读写控制M_nIO用来选择对MEM还是I/O读写，M_nIO = 1，选择存贮器MEM；M_nIO = 0，选择I/O设备。在理解读写控制逻辑的基础上我们设计一个总线传输的实验。实验所用总线传输实验框图如下图所示，它将几种不同的设备挂至总线上，有存贮器、输入设备、输出设备、寄存器。这些设备都需要有三态输出控制，按照传输要求恰当有序的控制它们，就可实现总线信息传输。1、根据挂在总线上的几个基本部件，设计一个简单的流程：输入设备将一个数打入R0寄存器。输入设备将另一个数打入地址寄存器。将R0寄存器中的数写入到当前地址的存储器中。将当前地址的

11、存储器中的数通过OUT单元用LED数码管显示。2、连线说明：K5.K12（JP92）ALU单元：rR0、wR0K9、K8IN0.IN7（JP22）JP37nMAROE、wMAR（JP13）K11、K10（JP94）D0.D7（JP52）nRDnIO_RD（JP49）nCSGNDOUT单元：nWR（JP68）nIO_WR（JP48）JP69JP70JP65 注意：3、具体操作步骤图示如下：在星研软件的工具条中选择“简单模型机实验”，打开简单模型机实验的数据通路图。（1）拨动开关区单元开关：M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1、nINTA = 1、rR0 = 1、wR0 = 1、wM

12、AR = 1；nMAROE = 0（允许地址寄存器MAR输出到地址总线）（2） 打开实验仪电源（3）通过输入设备（IN单元）将数据55H写入R0寄存器将IN单元置01010101，wR0 = 0,允许写寄存器R0，M_nIO = 0、nRD = 0、nWR = 1，点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，T2、T3时刻IN单元输出数据，在T3的下降沿IN单元输出的数据写入R0。wR0 = 1，结束写R0操作（4）读R0中数据写入存贮器MEM的15H单元将IN单元置00010101，wMAR = 0，允许写MAR，M_nIO = 0、nRD = 0、nWR = 1，点击星

13、研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T3的下降沿IN单元输出的数据写入地址寄存器MAR。wMAR = 1,结束写MAR操作。rR0 = 0,允许读寄存器R0；M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 0，允许写存贮器；点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T2的时刻完成对存贮器的写入操作。rR0 = 1， M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1，结束写MEM操作。（5）将当前地址的存贮器中数据读出，写入R0寄存器中。wR0 = 0,允许写寄存器R0；M_nIO = 1、nRD = 0、nWR = 1，允许读存贮器；点击星研软

14、件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，T2、T3时刻MEM单元输出数据，在T3的下降沿MEM单元输出的数据写入R0。wR0 = 1，M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1，结束写R0操作。（6）读R0寄存器，数据写入OUT单元，用数码管显示数据。rR0 = 0, 允许读寄存器R0；M_nIO = 0、nRD = 1、nWR = 0，允许写I/O设备；点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T2的下降沿，R0寄存器输出的数据写入OUT单元。rR0 = 1、M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1，结束本次操作。1、存储器和输入、输出

15、设备最终是要挂接到外部总线上，因此需要外部总线提供数据信 号、地址信号以及控制信号。 2、外部总线和 CPU 内总线之间通过三态门连接，同时实现了内外总线的分离和对于数据流向的控制。 而地址总线可以为外部设备提供地址信号和片选信号。 3.为了实现对于 MEM 和外设的读写操作，还需要一个读写控制逻辑，使得 CPU 能控制 MEM和 I/O 设备的读写 4、WR=0，RD=1，IOM=0时 E0 灭，表示存储器读功能信号有效。 WR=1，RD=0，IOM=0） 连续按动开关ST，当指示灯显示为 T3 时刻时，E1 灭，表示存储器写功能信号有效。 WR=0，RD=1，IOM=1时，E2 灭，表示

16、I/O 读功能信号有效。 WR=1，RD=0，IOM=1）时，观察扩展单元数据指示灯，指示灯显示为 T3 时刻时，E3 灭，表示 I/O 写功能信号有效。 5、在接线时为了方便，可将管脚接到 CON 单元闲置的开关上，若开关打到 1，等效于接到VCC；若开关打到0，等效于接到GND。实验三 具有中断控制功能的总线接口实验&具有DMA控制功能的总线接口实验DMA控制信号线的功能和应用；掌握在系统总线上设计 DMA控制信号线的方法。直接存贮器传送DMA是指将外设的数据不经过CPU直接送入存贮器，或者，从存贮器不经过CPU直接送往外围设备。一次DMA传送只需要执行一个DMA周期，能够满足一些高速外设

17、数据传输的需要。现在流行的ARM类CPU，内部集成有多个DMA控制器，允许SD卡、USB、CAN、串口、AD、DA等与存贮器之间通过DMA方式传输数据，可以大大减少占用CPU的时间。DMA控制器（简称DMAC）传输数据时，需要占用总线，总线的控制权需要在CPU和DMAC之间切换，这就需要控制总线提供相应的信号，实现这种切换，避免总线竞争。外设需要DMA传输时，向DMAC提出请求，DMAC通过控制总线HOLD信号向CPU提出DMA请求；CPU在当前总线周期结束时，响应DMA请求：释放总线控制权，发出有效HLDA信号给DMAC；DMAC接受总线控制权，开始DMA传输，传送完毕后，撤销HOLD信号，

18、释放总线控制权；CPU收回总线控制权，同时使HLDA信号失效。实验原理图如上图所示，CPU在每个机器周期的T3时刻结束时锁存DMA请求HOLD，如果有DMA请求，生成有效的HLDA信号，（1）锁住CPU时钟信号，使T1、T2、T3均无效，冻住CPU（2）释放控制总线、数据总线、地址总线，外部总线都处于高阻状态；DMAC接受总线控制权，等DMA传输完毕，撤消HOLD信号；CPU在每个时钟周期，检查HOLD信号，监测到无效的HOLD的信号后，（1）CPU输出时钟信号，使CPU可以继续工作（2）收回控制总线、数据总线、地址总线控制权。在本实验中，检查U36（74HC245，CPU内外数据总线缓冲器）

19、、U37（74HC245，CPU内外地址总线缓冲器）的OE脚，判断CPU是否失去数据总线、地址总线的控制权；通过检查CBus单元的nIO_RD、nIO_WR、nM_RD、nM_WR信号，检查CPU对控制总线的控制权。JP47（nIO_RD、nIO_WR、nM_RD、nM_WR、HOLD、HLDA）HOLD（JP50）K0（JP99） 2、具体操作步骤如下： （1）打开实验仪电源，将开关区单元的K0置为0，按CON单元的nRST按键，CBus单元的nIO_RD、nIO_WR、nM_RD、nM_WR、HOLD、HLDA输出“1”、“1”、“1”、“1”、“0”、“0”，前四个信号分别点亮扩展区的D

20、S159、DS160、DS161、DS162指示灯。用万用表测量U36、U37的19脚（OE），应该都是低电平。（2）将开关区单元的K0（HOLD）置为1，连续按动CON单元的uSTEP键，发现在T3结束时，HLDA信号点亮DS164，表示CPU响应DMA请求，T1、T2、T3均输出无效的低电平信号，再按uSTEP键，也没反应，表示CPU已锁住时钟信号；CBus单元的nIO_RD、nIO_WR、nM_RD、nM_WR对应的DS159、DS160、DS161、DS162指示灯均熄灭，表示这几个控制信号均处于高阻状态（因为扩展区的排针上接有下拉电阻，高阻信号接到这些排针上，变为低电平，所以指示灯熄

21、灭）；测量U36、U37的19脚（OE），应该都是高电平，说明CPU与外部总线已隔断。（3）将开关区单元的K0（HOLD）置为0，撤消DMA请求，按动CON单元的uSTEP键一次，发现HLDA信号对应的指示灯DS164熄灭，表示CPU输出无效的HLDA信号（低电平）；T1输出高电平，T2、T3输出低电平信号，表示CPU时钟已开始正常工作；CBus单元的nIO_RD、nIO_WR、nM_RD、nM_WR对应的DS159、DS160、DS161、DS162指示灯点亮，表示CPU已输出这几个控制信号；测量U36、U37的19脚（OE），应该都是低电平，说明CPU已收回外部总线控制权。1CPU的响应包

22、括两方面： （1）让出总线控制权 （2）将有效的HALD信号加到DMAC上，通知DMAC可以 使用总线进行数据传输。2.CPU在收到无效的HOLD信号时，一方面使HALD无效，另一方面，重新开始控制总线，实现正常运行。3在每个机器周期的T4时刻根据，HOLD信号来判断是否有DMA请求，如果有，则产生有效的HALD信号。 HALD信号一方面锁死CPU的时钟信号，使CPU保持当前状态，等待DMA操作的结束。 另一方面使控制缓冲、数据缓冲、地址缓冲都处于高阻状态，隔断CPU与外总线的联系，将外总线交由DMAC控制。4、当 HALD 信号无效时，总线上输出的存储器读信号 XMRD 为有效态“0”，当

23、HALD 信号有效时，总线上输出的存储器 读信号 XMRD 为高阻态。5、XMRD 为低时，相应的指示灯E0 灭。使用电压表测量数据总线和地址总线左侧的芯片74LS245的使能控制信号（第19脚），发现电压为低，说明数据总线和地址总线与 CPU 连通。6、按动开关ST，发现控制总线单元的时钟信号指示灯T1T4保 持不变，说明CPU的时钟被锁死。此时XMRD为高阻态，相应的指示灯E0亮。实验四 基本运算器实验了解运算器的组成结构；掌握运算器的工作原理。运算器原理图运算器内部含有三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，要处理的数据存于暂存器A和暂存器 B，三个部件同时接受来自A和B的数据

24、（有些处理器体系结构把移位运算器放于算术和逻辑运算部件之前，如ARM），控制信号S3.S0、CN_I决定哪个部件工作、对操作数进行何种运算，S3.S0通过多路选择开关选择这个部件的结果作为ALU的输出；如果运算影响进位标志FC、零标志FZ、正负标志位FS，在T3状态的下降沿，结果分别锁存到FC、FZ、FS ；I是中断允许标志位。ALU中所有模块集成在一片 CPLD中。逻辑运算部件由逻辑门构成，较为简单，后一节有专门的算术运算部件设计实验，在此对这两个部件不再赘述。移位运算采用的是88位桶形移位器，这样，可以使所有的移位操作都可以一次完成。下图是一个44位桶形移位器所有的输入通过交叉开关与所有的

25、输出端相连。如右移2位，第2条对角线（右移2）上的2个交叉开关接通，即第3位（in3）右移至第1位（out1）,第2位（in2）移至第0位（out0）。又如右环移1位，第3条对角线（右移1）和第7条对角线（左3，3=4-1）同时有效，即可方便地实现右环移。逻辑左移/右移只须把没连接的输出位同时充以“0”即可实现；算术右移也只须把没连接的输出位用符号位填充即可。运算器部件由一片CPLD实现。ALU的输出通过三态门连到CPU内部数据总线（iDBus）上，另外还有指示灯标明进位标志FC、零标志FZ、正负标志FS。请注意：图中T1、T2、T3、nRST已与CON单元相连，其它信号都来自于ALU单元的排

26、针上。实验仪所有单元的T1、T2、T3、nRST已与控制台（CON）单元的T1、T2、T3、nRst连接，nRst提供复位信号；T1、T2、T3是一个微指令周期的三个节拍，高电平有效，瞬间只有一个信号有效，初始状态T1、T2、T3都是低电平。wA（允许写暂存器A）、wB（允许写暂存器B）、rALU（允许ALU结果输出到内部数据总线（iDBus）上），都是低电平有效。暂存器A和暂存器B的数据能在 LED灯上实时显示，原理如下图：进位标志FC、零标志FZ、正负标志FS、内部数据总线 iD7iD0的显示原理与此类似；B、寄存器R0-3、堆栈寄存器SP、标志寄存器PSW（含FC、FZ、FS、I）共用R

27、_0.R_7八个发光二极管，通过Select按键选择，按键上方的发光二极管指示R_0.R_7显示那个寄存器的值。ALU功能表运算类型S3 S2 S1 S0CN_I逻辑运算0000F = A （直通）F = B （直通）0001XF = A + B （或）（FZ）0010F = A * B （与）0011F = A B （异或）0100F = /A （取反）移位运算0101F = A 不带进位循环右移B（取低3位）位F = A 算术右移一位0110F = A 逻辑右移一位F = A 带进位循环右移一位（FC，FZ）0111F = A 逻辑左移一位F = A 带进位循环左移一位算术运算1000F = A +