计算机组成原理实验指导书.docx

1、计算机组成原理实验指导书第一部分 使用说明及要求 1 本系统分为三种实验操作方式： 方式一：开关控制操作；方式二：键盘控制操作；方式三：联机控制操作 2本系统采用正逻辑，即“1”代表高电平，“0”代表低电平； 3指示灯亮表示相应信号为高电平，熄灭表示相应信号为低电平； 4实验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； 5为保证实验的成功，每次实验之前均应认真阅读实验指导书，接线要按要求，确保正确无误且接触良好； 6应严格按照实验指导书的实验步骤和先后顺序进行实验，否则有可能造成实验不成功甚至损坏芯片。方式一：

2、开关控制操作方式： 1在各种控制信号中，有的是低电平有效，有的是高电平有效，请注意区别，具体可参见实验指导。 2总线是计算机信息传输的公共通路。为保证总线信息的正确无误，总线上每次只能有一个控制信号有效，如果同时有两个或两个以上信号同时有效，会产生总线竞争而造成冲突甚至损坏芯片。故每次开始实验操作时均要先置相应控制开关电路的控制信号为“1”，高电平，对应的指示灯亮。方式二：键盘控制操作方式：系统通电，K4开关拨到OFF，监控指示灯（数码管，以下数码管均指监控指示灯）上滚动显示【CLASS SELECt】，在该状态下，整个键盘可用键分别为： 系统检测键：按下该键，数码管显示【CHESYS】，（即

3、CHECK SYSTEM的缩写），进入系统自检程序，具体说明见后述说明。 实验选择键：按下该键，数码管显示【ES-_】，进入实验课题选择，具体说明见后述说明。 联机键：按下该键，系统进入与上位机通讯状态，当与计算机联机成功，数码管显示【Pc-Con】，最后显示【8】，表示联机通讯成功。除了上述三个键有效外，其余按键系统均不响应。1. 【系统检测】键具体操作说明：1）. 当在监控指示灯显示【CLASS SELECt】时按下该键，显示变为【CHESYS】（CHECK SYSTEM），进入系统自检，此时，只要按下键盘上任意一键，数码管后两位就显示该键所对应的键盘编码，前四位显示对应电路的名称8255

4、。例如：我们按下2号键，对应的显示为【825502】，然后返回显示【CHESYS】；按下F号键，对应的显示为【82550F】，然后返回显示【CHESYS】。2). 在系统检测状态，按下【取消】键，则退出系统检测程序。3). 对于键盘上的【0】 号键和【1】键，除了显示其键盘编码外，还有第二功能：【1】 键的第二功能说明：检测所有总线（数据总线、控制总线、微控制总线）的输出功能。按下【0】号键后，监控指示灯显示【825500】后，约过0.5S，系统首先显示【UCDC00】，自动送“0“到所有总线，24位微代码显示数码管显示全0（如果其他两条总线连接有监视灯，也显示全0）；此时，系统等待按【确认】

5、键。当按下【确认】键后，数码管显示变为【UCDCFF】，系统自动送所有总线FF，24位微代码显示数码管显示全1（如果其他两条总线连接有监视灯，也显示全1），此时系统等待按【取消】键退出该项功能检测。在总线输出【00】和【FF】的时候，通过观察总线上的状态显示灯即可知道哪一组总线上的哪一位出错。【2】 键的第二功能说明：检测所有总线（数据总线、控制总线、微控制总线）的输入功能。按下【1】号键后，显示【825501】后，系统等待按【确认】键，按下【确认】键后，系统显示【UC0PPP】，此时需把K4从“OFF”状态拨向“ON”状态，把开关MS1MS24拨为全0，再次按下“确认”键，系统读入微控总线的

6、第0组（第一个8位）的全0，如果总线出错，读入哪一个为1，在数码管上就位显示对应的错误位号（如果第一个（低）8位的第0位出错，则显示【UC00Er】，表示微控总线的第0组的第0位出错，UC后的第1个0表示第0组微控总线，第2个0表示第0位），如果完全正确，显示【UC0Cor】，约过1S，显示变为【UC1PPP】，按下【确认】键，系统检测微控总线的第1组（第二个8位）的全0，如果完全正确，显示【UC1Cor】，若有哪一位有错误，错误信息的显示与第一组显示相同；在显示【UC1Cor】后约1S，显示为【UC2PPP】，按下【确认】键，系统检测微控总线的第2组（第二个8位）的全0，如果完全正确，显示【

7、UC2Cor】，若有哪一位有错误，错误信息显示的与第一组显示相同；当三组全检测完毕，显示变为【CHEEND】（CHECK END），约1S后，显示【OFF】，此时把K4开关拨回到OFF，则又回到系统检测最开始部分。 2. 【实验选择】键具体操作说明：当显示【CLASS SELECt】时按下该键，数码管显示变为【ES-_】，系统打开键盘，等待通过数字键盘输入实验课题代码，输入相应的课题代码后，按【确认】键进入该实验，在输入的过程中，可通过按【取消】键修改输入，在显示【ES-_】状态连续按【取消】键，即可退出实验选择功能，返回到【CLASS SELECt】状态。实验课题与输入代码对应关系如下：实验

8、课题输入代码及按键实验一01+确认 或1+确认实验二02+确认 或2+确认实验三03+确认 或3+确认实验四04+确认 或4+确认实验五05+确认 或5+确认注意：实验十四的步骤与实验一相同。在采用单片机键盘控制操作方式实验时，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；3. 【联机】键说明当在数码管显示【CLASS SELECt】时按下该键，系统进入上位机监控实验状态，所有按键全都封闭，除【RST】（复位）键外，所有的实验操作全由上位机控制。当退出联机实验状态后，系统又自动恢复到【CLASS SELECt】状态。方式三：联机控制操作方式：用串口电缆连接本系统和PC机

9、。当系统监控指示灯上滚动显示【CLASS SELECt】时，在PC机上运行联机程序，选择正确的端口后按【联机】键，系统进入与上位机通讯状态。当与计算机联机成功，数码管显示【Pc-Con】，最后显示【8】，表示联机通讯成功。1、 联机控制方式下的系统接线与键盘控制方式相同。2、联机方式下在上位机界面中选择实验项目。每项实验均由实验说明和实验步骤两部分组成。实验说明中有每个实验详细的实验步骤。第二部分 使用说明及要求实验一 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74

10、LS181的功能。二、预习要求： 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； 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ALU 74LS181（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、S

11、1、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1-2 74LS181管脚分配 表1-2 74LS181输出端功能符号74LS181功能表见表11，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S3 S2 S1 S0Cn=1（无进位）Cn=0（有进

12、位）0 0 0 0F=/A F=AF=A加10 0 0 1F=/(A+B)F=A+BF=(A+B)加10 0 1 0F=/A*BF=A+/BF=(A+/B)加10 0 1 1F=0F=1F=00 1 0 0F=/(A*B)F=A加A*/BF=A加A*/B加10 1 0 1F=/BF=(A+B)加A*/BF=(A+B) 加A*/B加1 0 1 1 0F=(/A*B+A*/B) F=A减B减1F=A减B0 1 1 1F=A*/BF=A*/B减1F=A*/B1 0 0 0F=/A+BF=A加A*BF=A加A *B加1 1 0 0 1F=/(/A*B+A*/B)F=A加BF=A加B加1 1 0 1 0

13、F=BF=(A+/B)加A*BF=(A+/B)加A*B加11 0 1 1 F=A*BF=A*B减1F=A*B 1 1 0 0F=1F=A加AF=A加A 加11 1 0 1F=A+/BF=(A+B)加AF=(A+B)加A加1 1 1 1 0F=A+BF=(A+/B)加AF=(A+/B)加A加11 1 1 1F=AF=A减1F=A表1-1 74LS181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7

14、4LS181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74

15、LS181运算器的逻辑运算功能和算术运算功能。七、实验步骤：、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）：实验连线如图16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。注意：F4只用一个排线插头孔）运算器接口S3S2S1S0MCn ALU-G AR LDR1 LDR2C1 .C6 E5 E4 F5 E3 控制总线 F4 控制总线 T4 图16 实验一 键盘实验连线图2、实验过程： （1） 拨动清零开关

16、CLR，使其指示灯灭。再拨动CLR，使其指示灯亮。（2） 在监控滚动显示【CLASS SELECt】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。（3） 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13和表11），选择执行哪种运算操作，按【确认】键。（4） 监控显示【Lo=0】,此处Lo相当于表11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11可见，此

17、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】。（5） 监控显示【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（ S3 S2 S1 S0）输入数据（十六进制）0 0 0 000

18、或00 0 0 101或10 0 1 002或20 0 1 103或30 1 0 004或40 1 0 105或50 1 1 006或60 1 1 107或71 0 0 008或81 0 0 109或91 0 1 00A或A1 0 1 10B或B1 1 0 00C或C1 1 0 10D或D1 1 1 0 0E或E1 1 1 10F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 LT2S3S2S1S0 M=0（算术运算） M=1（逻辑运算） Cn=1（无进位）Cn= 0（有

19、进位） 1234H 5678H00或0 F= F= F= 01或1 F= F= F=02或2 F= F= F=03或3 F= F= F=04或4 F= F= F=05或5 F= F= F=06或6 F= F= F=07或7 F= F= F=08或8 F= F= F=09或9 F= F= F=0A或A F= F= F=0B或B F= F= F=0C或C F= F= F=0D或D F= F= F=0E或E F= F= F=0F或F F= F= F=、开关控制操作方式实验注：为了避免总线冲突，首先将控制开关电路的ALU-G和C-G拨到输出高电平“1”状态(所对应的指示灯亮。)本实验中所有控制开关拨动

20、，相应指示灯亮代表高电平“1”，指示灯灭代表低电平“0”。 1、 按图17接线图接线： 连线时应注意：为了使连线统一，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。 运算器接口 S3S2S1S0MCn ALU-G AR LDR1 LDR2 BD15 . BD8数据总线BD7 . BD0 DIJ1 DIJ-G DIJ2 数据输入电路 C-G S3S2S1S0MCn ALU-G AR LDR1 LDR2控制总线T4 控制开关电路 T+ fin f/8 脉冲源及时序电路 图17 实验一 开关实验 接线图 2、通过数据输入电路的拨开关开关向

21、两个数据暂存器中置数：注意：本实验中ALU-G和C-G不能同时为0，否则造成总线冲突，损坏芯片！故每次实验时应时刻保持只有一路与总线相通。1）拨动清零开关CLR，使其指示灯。再拨动CLR，使其指示灯亮。置ALU-G1：关闭ALU的三态门；再置C-G=0：打开数据输入电路的三态门；2） 向数据暂存器LT1（3、U4）中置数：（1）设置数据输入电路的数据开关“D15D0”为要输入的数值；（2）置LDR11：使数据暂存器LT1（3、U4）的控制信号有效，置 LDR20：使 数据暂存器LT2（5、U6）的控制信号无效；（3）按一下脉冲源及时序电路的【单脉冲】按钮，给暂存器LT1送时钟，上升沿有效，把数

22、据存在LT1中。 3）向数据暂存器LT2（5、U6）中置数：（1）设置数据输入电路的数据开关“D15D0”为想要输入的数值；（2）置LDR10：数据暂存器LT1的控制信号无效；置LDR21：使数据暂存器LT2的控制信号有效。（3）按一下脉冲源及时序电路的“单脉冲”按钮，给暂存器LT2送时钟，上升沿有效，把数据存在LT2中。 （4）置LDR10、LDR20，使数据暂存器LT1、LT2的控制信号无效。 4 ）检验两个数据暂存器LT1和LT2中的数据是否正确：（1）置C-G=1，关闭数据输入电路的三态门，然后再置ALU-G=0，打开ALU的三态门 ；（2）置“S3S2S1S0M”为“11111”，数

23、据总线显示灯显示数据暂存器LT1中的数 ，表示往暂存器LT1置数正确； （3）置“S3S2S1S0M”为“10101”，数据总线显示灯显示数据暂存器LT2中的数 ，表示往暂存器LT2置数正确。 3、验证74LS181的算术和逻辑功能:LT1LT2S3S2S1S0M=0（算术运算）M=1（逻辑运算）Cn=1（无进位）Cn= 0（有进位）1234H5678H0 0 0 0F=F=F=0 0 0 1F=F=F=0 0 1 0F=F=F=0 0 1 1F=F=F=0 1 0 0F=F=F=0 1 0 1F=F=F=0 1 1 0F=F=F=0 1 1 1F=F=F=1 0 0 0F=F=F=1 0 0

24、 1F=F=F=1 0 1 0F=F=F=1 0 1 1F=F=F=1 1 0 0F=F=F=1 1 0 1F=F=F=1 1 1 0F=F=F=1 1 1 1F=F=F=按实验步骤2往两个暂存器LT1和LT2分别存十六进制数“1234H”和“5678H”，在给定LT1=1234H、LT2=5678H的情况下，通过改变“S3S2S1S0MCn”的值来改变运算器的功能设置，通过数据总线指示灯显示来读出运算器的输出值F，填入上表中，参考表11的功能表，分析输出F值是否正确。分别将“AR”开关拨至“1”和“0”的状态，观察进位指示灯“CY”的变化并分析原因。八、实验报告要求： 1、实验记录：所有的运

25、算结果，故障现象及排除经过； 2、谈谈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：移位运算实验电路结构如图2-1所示： 图2-1 移位运算器电路结构功能由S1、S0、M控制，具体功能见表2-2： 表2-2 G-299S1S0MT4功 能000保持0100循环右移0101带进位循环右移0010循环左移0011带进位循环左移111置数(进位保持)0110置数（进位清零）0111置数（进位置1）五、实验内容：输入

26、数据，利用移位寄存器进行移位操作。六、实验步骤、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23所示。 图23 键盘方式接线图注：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。注意：F4只用一个排线插头孔2、实验过程： (1) 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【CLASS SELECt】时按【实验选择】键，显示【ES-_ _ 】输入02或2，

27、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。(2) 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22，E1E0相当于G_299，二进制，“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。(3) 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22的M，默认为“0”，按【确认】键。(4) 监控指示灯显示【S0S1-】，提示输入移位控制指令（参考表22），输入二进制数“11”，对寄存器进行置数

28、操作，按【确认】键。(5) 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，可对它进行移位操作。(6) 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（E1E0同上），输入二进制数“00”，允许输出，按【确认】键。(7) 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22），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“0100 000000000000”，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。(8) 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