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1、实验指导书计算机组成原理实验指导书计算机系 郑力军吉林化工学院二零一一年五月目录第1章 性能特点 21.1系统功能及特点 21.2实验系统组成 3第2章 实验项目 62.1 时序与启停实验 62.2 存储器和总线实验 8实验1、存储器的写操作 10实验2、读存储器的数据到总线上 112.3算术逻辑运算单元实验 11实验1、不带进位位逻辑或运算实验 14实验2、不带进位位加法运算实验 152.4 指令部件模块实验 17实验1、PC计数器置数 20实验2、PC计数器加1 20实验3、置当前指令寄存器 202.5 模型机的总体设计 212.5.3.2.1 指令类型： 232.5.3.2.2 操作数寻

2、址方式及编码 23注意事项：在做单元模块实验前，务必先将CPT-A总线上短8芯扁平电缆及CPT-B上连线板全部拔离实验机。做实验时，根据实验说明连接相关总线。可通过PC机软件（LCACPT）中的查看刷新菜单来观察各寄存器当前值。 第1章 性能特点1.1系统功能及特点1.1.1提供各个基本功能模块我们在比较了国内的多家实验机厂商的产品后，发现多数产品不是连线过于繁琐，就是由CPLD来替代所有的硬件。市场需要一种连线不多，但具有灵活性的实验系统,不同设计方案，不同的连线方法，可以得到不同的结果。我们所提供的实验机本身就是一个可运行的系统。整个系统采用功能模块化的设计思路，实验者可单独设计和调试各个

3、功能模块，最终实现一个新的系统，这样可大大减轻实验指导教师的工作量。整个实验机提供了运算器模块、指令部件模块、堆栈寄存器模块、存储器模块、总线传输模块、微程序模块、启停和时序模块，以及用于调试和观察数据的监控模块。1.1.2 组成结构整个系统采用总线结构，总线结构具有扩展能力强，结构简单清晰，连线方便快捷等特点。本实验机的总线分为：内部、外部地址总线，内部、外部数据总线。整个系统的各个总线都布有测试孔，以便于测试。各模块的电源、地、地址数据总线已经按照标准连接完毕，控制信号都按各功能模块的布局引出，实验者可方便的定位各测试点。1.1.3监控模块监控模块为实验调试和程序设计带来了相当的便利。实验

4、者可以通过监控模块来修改微程序和内存中的程序。为了实验的连贯性，系统中还提供了FLASH MEMORY 来保存微程序和程序，掉电时内容不会丢失，实验者可随时保存和读取微程序与程序。为了使实验者随时观察数据和地址，实验机提供了一块2*16的液晶屏，可同时显示当前地址、当前总线上的数据和当前的微指令和一些关键寄存器的值。1.1.4操作方式：单机方式：整个系统可单独使用，可通过24个按键和液晶来编辑内存和微程序存储器中的数据，在系统运行时可监控所有关键数据。实验者使用拨动开关来产生二进制码进行微程序和程序的编写。联机方式：系统可与PC机相连，PC机上提供了windows界面的操作软件，实验者可在PC

5、机上进行编辑、加载、动态调试等操作。1.2实验系统组成本实验机由两部分组成，左边为实验模块部分（CPT-A），主要分布着各个实验单元和监控单元。实验机的右边为数据输出板(CPT-B)，板上分布着24个二进制开关、若干个LED发光二极管、DIP插座，还有1块用于显示当前状况的液晶板。CPT-A上的控制信号都通过2根扁平电缆连到了CPTB上。 CPT-A布局图CPT-B布局图第2章 实验项目2.1 时序与启停实验2.1.1实验目的1 掌握时序产生器的组成方式2 熟悉起停电路的原理2.1.2 实验要求 按照实验步骤完成实验项目，了解程序如何开始、停止运行，用示波器观察时序，并且画出时序图。2.1.3

6、 实验说明2.1.3.1 时序与启停单元的构成： 1、 启停电路由1片7474、1片74LS08组成，1个LED（RUN）表示当前实验机的状态（运行LED亮、停止LED灭）。（如图2-1-1）2、 时序电路由1片74LS157、2片74LS00、4个LED脉冲指示灯（PLS1、PLS2、PLS3、PLS4）组成。当LED发光时，表示有上升沿产生。（如图2-1-2）图2-1-1图2-1-22.1.3.2 启停、脉冲单元的原理：启停原理：（如图：2-1-3）起停电路由1片7474组成，当按下RUN按钮，信号输出RUN =1、STOP=0，表示当前实验机为运行状态。当按下STOP按钮，信号RUN =

7、0、 信号STOP=1，表示当前实验机为停止状态。当系统处于停机状态时，微地址、进位寄存器都被清零，并且可通过监控单元来读写内存和微程序。在停止状态下，当HALT上有1个高电平，同时HCK有1个上升沿，此时高电平被打入寄存器中，信号RUN =1、STOP=0，使实验机处于运行状态。图2-1-3时序电路： 时序电路由监控单元来控制时序输出（PLS1、PLS2、PLS3、PLS4）。实验所用的时序电路（如图2-1-4）可产生4个等间隔的时序信号PLS1、PLS2、PLS3、PLS4。为了便于监控程序流程，由监控单元输出PO信号和SIGN脉冲来实现STEP(微单步) 、GO(全速)和 HALT(暂停

8、)。当实验机处于运行状态，并且是微单步执行，PLS1、PLS2、PLS3、PLS4 分别发出一个脉冲，全速执行时PLS1、PLS2、PLS3、PLS4脉冲将周而复始的发送出去。在时序单元中也提供了4个按钮，实验者可手动给出4个独立的脉冲，以便实验者单拍调试模型机。图2-1-42.1.4 实验步骤： 交替按下“运行”和“暂停”，观察运行灯的变化（运行：RUN亮 暂停：RUN灭）。 把HALT信号接入二进制拨位开关，HCK接入脉冲单元的PLS1。(请按下表接线)。信号定义接入开关位号HCKPLS1 孔HALTH13 孔 按启停单元中的停止按键，使实验机处于停机状态，置HALT=1。 按脉冲单元中的

9、PLS1脉冲按键，在HCK上产生一个上升沿的脉冲，把HALT=1打入74LS74，使RUN=1、STOP=0，RUN亮表示当前实验机处于运行状态。 在实验机处于运行状态时，置HALT=0。 按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在HCK上产生一个上升沿的脉冲，把HALT=0打入74LS74，使RUN=0、STOP=1，RUN灭表示当前实验机处于停止状态。因此可通过HALT和HCK来控制实验机的启、停状态。 按启停单元中的停止按键，使实验机处于停机状态，置HALT=1。再次按下脉冲单元中的PLS1脉冲按键，使实验机处于运行状态。此时按监控单元中键盘上的GO/STOP键。请用示波器观察PLS1、PLS1

10、、PLS3、PLS4的波形（见后图2-5-2）。2.2 存储器和总线实验2.2.1 实验目的熟悉存储器和总线的硬件电路2.2.2 实验要求按照实验步骤完成实验项目，熟悉存储器的读、写操作，理解在总线上数据传输的方法。2.2.3 实验说明2.2.3.1 存储器和总线的构成1、 总线由1片74LS245、1片74LS244组成，把整个系统分为内部总线和外部总线。2片74LS374锁存当前的数据、地址总线上的数据以供LED显示。(如图2-2-1)2、 存储器采用静态1片RAM（6264）3、 存储器的控制电路由1片74LS32和74LS08组成。(如图2-2-2) 图2-2-1 图2-2-22.2.

11、3.2 存储器和总线的原理1、 总线的原理：由于本系统内使用8根地址线、8根数据线，所以使用1片74LS245作为数据总线，另1片74LS244作为地址总线（见图2-2-3）。总线把整个系统分为内部数据、地址总线和外部数据、地址总线，由于数据总线需要进行内、外部数据的交换，所以由BUS信号来控制数据的流向，当BUS=1时数据由内到外，当BUS=0时，数据由外到内。图2-2-32、 由于本系统内使用8根地址线、8位数据线，所以6264的A8A12接地，其实际容量为256个字节（如图2-2-4）。6264的数据、地址总线已经接在总线单元的外部总线上。存储器有3个控制信号：地址总线设置存储器地址，R

12、M=0时，把存储器中的数据读出到总线上；当WM=0，并且EMCK有一个上升沿时，把外部总线上的数据写入存储器中。为了更方便地编辑内存中的数据，在实验机处于停机状态时，可由监控来编辑其中的数据。图2-2-42.2.3.3 控制信号说明信号名称作 用有效电平BUS总线方向选择RM6264的读允许信号低电平有效WM6264的写允许信号低电平有效EMCK6264的写入脉冲信号上升沿有效CR监控对6264的读允许信号低电平有效CW监控对6264的写允许信号低电平有效M/C监控选择程序空间或微程序空间2.2.4 实验步骤实验1、存储器的写操作 把内部地址总线AJ1(8芯盒形插座)与CPT-B板上的二进制开

13、关单元中J3插座相连(对应二进制开关H0H7)，把内部数据总线DJ8与CPT-B板上的J2插座相连(对应二进制开关H8H15)。 把EMCK连到脉冲单元的PLS1，WC、RC、BUS接入二进制的开关中。(请按下表接线)。信号定义接入开关位号EMCKPLS1 孔WMH22 孔RMH21 孔BUSH21 孔 按启停单元中的运行按钮，置实验机为运行状态。 二进制开关H0H7作为地址(A0A7)输入，置55H(对应开关如下表)。H7H6H5H4H3H2H1H0数据总线值A7A6A5A4A3A2A1A08位数据0101010155H 二进制开关H8H15作为数据(D0D7)输入，置66H(对应开关如下表

14、)。H15H14H13H12H11H10H9H8数据总线值D7D6D5D4D3D2D1D08位数据0110011066H置各控制信号如下：H22H21WMRM、BUS01 按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在EMCK上产生一个上升沿，数据从内部数据总线流向外部数据总线，将数据66H写入地址为55H的存储单元。实验2、读存储器的数据到总线上 在做好实验1的基础上，保持电源开启和线路连接不变，只拔掉内部数据总线DJ8与CPT-B板上的J2插座 (对应二进制开关H8H15) 的连接。 按启停单元中的运行按钮，置实验机为运行状态。 二进制开关H0H7作为地址(A0A7)输入，置55H(对应开关如下表)H

15、7H6H5H4H3H2H1H0数据总线值A7A6A5A4A3A2A1A08位数据0101010155H置各控制信号如下：H22H21WMRM、BUS10 按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在EMCK上产生一个上升沿，数据从外部数据总线流向内部数据总线，将存储器55H单元中的内容输出，应该为实验1中的写入的数据66H。此时数据总线上的指示灯IDB0IDB7显示结果66H。2.3算术逻辑运算单元实验2.3.1实验目的1、掌握简单运算器的数据传输方式2、掌握74LS181的功能和应用2.3.2实验要求完成不带进位位算术、逻辑运算实验。按照实验步骤完成实验项目，了解算术逻辑运算单元的运行过程。2.3.3

16、实验说明2.3.3.1 ALU单元实验构成（如图2-3-1）1、运算器由2片74LS181构成8位字长的ALU单元。2、2片74LS374作为2个数据锁存器（DR1、DR2），8芯插座ALU-IN作为数据输入端，可通过短8芯扁平电缆，把数据输入端连接到数据总线上。3、 运算器的数据输出由一片74LS244（输出缓冲器）来控制，8芯插座ALU-OUT作为数据输出端，可通过短8芯扁平电缆把数据输出端连接到数据总线上。图2-3-1图2-3-22.3.3.2 ALU单元的工作原理（如图2-3-2）数据输入锁存器DR1的EDR1为低电平，并且D1CK有上升沿时，把来自数据总线的数据打入锁存器DR1。同样

17、使EDR2为低电平、D2CK有上升沿时把数据总线上的数据打入数据锁存器DR2。算术逻辑运算单元的核心是由2片74LS181组成，它可以进行2个8位二进制数的算术逻辑运算，74LS181的各种工作方式可通过设置其控制信号来实现（S0、S1、S2、S3、M、CN）。当实验者正确设置了74LS181的各个控制信号，74LS181会运算数据锁存器DR1、DR2内的数据。由于DR1、DR2已经把数据锁存，只要74LS181的控制信号不变，那么74LS181的输出数据也不会发生改变。输出缓冲器采用74LS244，当控制信号ALU-O为低电平时，74LS244导通，把74LS181的运算结果输出到数据总线；

18、当ALU-O为高电平时，74LS244的输出为高阻。2.3.3.3 控制信号说明信号名称作用有效电平EDR1选通DR1寄存器低电平有效EDR2选通DR2寄存器低电平有效DR1CKDR1寄存器工作脉冲上升沿有效DR2CKDR2寄存器工作脉冲上升沿有效S0S374LS181工作方式选择M选择逻辑或算术运算CN有无进位输入CCK进位寄存器的工作脉冲上升沿有效ALU-O74LS181计算结果输出至总线低电平有效2.3.4实验步骤实验1、不带进位位逻辑或运算实验 把ALU-IN（8芯的盒型插座）与CPT-B板上的二进制开关单元中J1插座相连(对应二进制开关H16H23)，把ALU-OUT（8芯的盒型插座

19、）与数据总线上的DJ2相连。 把D1CK和D2CK用连线连到脉冲单元的PLS1上，把EDR1、EDR2、ALU-O、S0、S1、S2、S3、CN、M接入二进制开关(请按下表接线)。信号定义接入开关位号D1CK PLS1 孔D2CKPLS1 孔EDR1H8 孔EDR2H7 孔ALU-OH6 孔CNH5 孔MH4 孔S3H3 孔S2H2 孔S1H1 孔S0H0 孔 按启停单元中的运行按钮，使实验机处于运行状态。 二进制开关H16H23作为数据输入，置33H(对应开关如下表)。H23H22H21H20H19H18H17H16数据总线值D7D6D5D4D3D2D1D08位数据0011001133H置各

20、控制信号如下：H8H7H6H5H4H3H2H1H0EDR1EDR2ALU-OCNMS3S2S1S0010111110 按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在D1CK上产生一个上升沿，把33H打入DR1数据锁存器，通过逻辑笔或示波器来测量确定DR1寄存器（74LS374）的输出端，检验数据是否进入DR1中。 二进制开关H16H23作为数据输入，置55H(对应开关如下表)。H23H22H21H20H19H18H17H16数据总线值D7D6D5D4D3D2D1D08位数据0101010155H置各控制信号如下：H8H7H6H5H4H3H2H1H0EDR1EDR2ALU-OCNMS3S2S1S010011

21、1110 按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在D2CK上产生一个上升沿的脉冲，把55H打入DR2数据锁存器。 经过74LS181的计算，把运算结果(F=A或B)输出到数据总线上，数据总线上的LED显示灯IDB0IDB7应该显示为77H。实验2、不带进位位加法运算实验 二进制开关H16H23作为数据输入，置33H(对应开关如下表)。H23H22H21H20H19H18H17H16数据总线值D7D6D5D4D3D2D1D08位数据0011001133H置各控制信号如下：H8H7H6H5H4H3H2H1H0EDR1EDR2ALU-OCNMS3S2S1S0010101001 按脉冲单元中的PLS1脉冲按

22、键，在D1CK上产生一个上升沿，把33H打入DR1数据锁存器，通过逻辑笔或示波器来测量确定DR1寄存器（74LS374）的输出端，检验数据是否进入DR1中。 二进制开关H16H23作为数据输入，置55H(对应开关如下表)。H23H22H21H20H19H18H17H16数据总线值D7D6D5D4D3D2D1D08位数据0101010155H置各控制信号如下：H8H7H6H5H4H3H2H1H0EDR1EDR2ALU-OCNMS3S2S1S0100101001 按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在D2CK上产生一个上升沿，把55H打入DR2数据锁存器。 经过74LS181的计算，把运算结果(F=A

23、加B)输出到数据总线上，数据总线上的LED显示灯IDB0IDB7应该显示为88H。2.3.5实验思考验证74LS181的算术运算和逻辑运算，在保持DR1=65H、DR2=A7H时，改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，填写以下表格来进行分析和比较。DR1DR2S3S2S1S0M=0 （算术运算）M=1逻辑运算CN=1 CN=065A70000F=F=F=65A70001F=F=F=65A70010F=F=F=65A70011F=F=F=65A70100F=F=F=65A70101F=F=F=65A70110F=F=F=65A70111F=F=F=65A71000F=F=F=65A71001F

24、=F=F=65A71010F=F=F=65A71011F=F=F=65A71100F=F=F=65A71101F=F=F=65A71110F=F=F=65A71111F=F=F=附74LS181的逻辑方式M=1逻辑运算M=0算术运算S3 S2 S1 S0逻辑运算CN=1（无进位）CN=0（有进位）0000F=/AF=AF=A加10001F=/(A+B)F=A+BF=（A+B）加10010F=/A BF=A+/BF=（A+/B）加10011F=0F=减1（2的补）F=00100F=/（AB）F=A加A/BF=A加A/B加10101F=/BF=(A+B)加A/BF=(A+B)加A/B加10110F

25、=ABF=A减B减1F=A减B0111F=A /BF=A/B减1F=A/B1000F=/A+BF=A 加ABF=A 加AB加 11001F= /（AB ）F=A加BF=A加B加11010F=BF=(A+/B)加ABF=(A+/B)加AB加11011F=ABF=AB减1F=AB1100F=1F=A加 AF=A加 A 加11101F=A+/BF=(A+B) 加 AF=(A+B) 加 A 加11110F=A+BF=(A+/B)加AF=(A+/B)加A加11111F=AF=A减1F=A2.4 指令部件模块实验2.4.1 实验目的1、掌握指令部件的组成方式。2、熟悉指令寄存器的打入操作，PC计数器的设置

26、和加1操作，理解跳转指令的实现过程。2.4.2 实验要求 按照实验步骤完成实验项目，掌握数据打入指令寄存器IR1、PC计数器的重置，PC计数器自动加1和实现跳转指令的方法。2.4.3 实验说明2.4.3.1 指令部件模块实验的构成：1、 1片74LS374作为指令模块的指令寄存器IR1，另1片74LS374作为地址锁存器IR2。8芯插座PC-IN作为数据输入端，可通过短8芯扁平电缆把数据输入端连接到数据总线上。2、 2片74LS161作为PC计数器。3、 2片74LS245（同时只有1片输出）作为当前地址的输出。8芯插座PC-OUT作为地址输出端，可通过短8芯扁平电缆把地址输出端连接到地址总线上。4、 1片74LS153来实现多种条件跳转指令（JZ，JC，JMP等跳转指令）。图2-4-12.4.3.2 指令部件模块原理：（如图2-4-2）1、 指令寄存器IR1（74LS374）的 EIR1为低电平并且IR1CK有上升沿时，把来自数据总线的数据打入IR1，IR1的输出就作为本系统内的8位指令I0I7。在本系统内由这8位指令可最多译码256条不同的指令，通过编码可对应出这些指令在微程序存储器中入口地址，并且输出相应的微指令。2