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： 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、

2、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1-2 74LS181管脚分配 表1-2 74LS181输出端

3、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=减1(2的补)F=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=(

4、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 0F=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=

5、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

6、 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：、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

7、；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S3S2S1S0MCn ALU-G AR LDR1 LDR2T4C1 .C6 E5 E4 F5 E3 F4 控制总线图16 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【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。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

8、表11），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】

9、，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、LT

10、2=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（有进位）1234H5678H00或0 F=1235HF=1235H F=EDCB1234H5678H01或1 F= F=567DH F=1234H5678H02或2 F= F=BBB8H F=1234H5678H03或3 F= F=0000 H F=1234H5678H04或4 F=F=1239H F=1234H5678H05或5 F= F=5681H F=1234H5678H06或6 F=

11、F=BBBCH F=1234H5678H07或7 F= F= F=1234H5678H08或8 F= F= F=1234H5678H09或9 F= F= F=1234H5678H0A或A F= F= F=1234H5678H0B或B F= F= F=1234H5678H0C或C F= F= F=1234H5678H0D或D F= F= F=1234H5678H0E或E F= F= F=1234H5678H0F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、

12、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、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

13、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23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【CLASS SELECt】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22，E1E0相当于299G，二进制，“11”为关闭输出，

14、“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22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22），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【E

15、S02】，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22，E1E0相当于299G，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

16、】，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。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

17、、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（2K8）构成，其数据线D0D15接到数据总线，地址线A0A7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

18、量为28256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、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34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

19、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34 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【CLASS SELECt】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

20、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“0000 0000”，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31输入RAM地址及相应的数据。地址（十六进制）数据（十六进制）0033337134344235355A5555A36666CFABA

21、BF87777E69D9D 表31 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“0

22、011001101000100”，即数据“3344”，地址显示灯显示“0000 0000”，即地址“00”，监控指示灯重新显示 【Addr- -】，重复上述步骤读出表31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

23、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L L HH L H LL 12V L H L H 数据输出 高 阻 数据输入 高 阻 高 阻 高 阻 高

24、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

25、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410的波形： T+ T- 图410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、

26、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。SA5SA0为微控器电路微地址锁存器

27、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、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

28、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411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UAJ1C1C2C3C4C5C6 F1F2F3F4控制总线图411 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K1 off、K2 on、K3 off、K4 off，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【CLASS SELECt】状态下按【实验选择】键，显示【ES-_ _

29、 】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41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）00000000000001010000010000020200001000000303000011015FC4