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计算机原理实验指导书课 程 号：10022101适用专业：计算机制 定 人： 于秀丽教 研 室：计算机科学与技术教研室计算机科学与信息工程学院2007 年5 月29前言计算机组成原理课程是网络工程专业，计算机科学与技术专业的重要专业课程之一。随着计算机技术的迅速发展和在当今信息社会中的广泛应用，给计算机组成课程的教学提出了新的更高的要求。由于计算机组成原理是一门实践性较强的技术，课堂教学应该与实践环节紧密结合。将计算机组成原理课程建设成市级一流的课程，是近期计算机组成原理课程努力的方向。目前，我们重新编写了实验指导书，调整了实验安排，加大了实践力度。希望同学们能够充分利用实验条件，认真完成实验，从实验中得到应有的锻炼和培养。希望同学们在使用本实验指导书及进行实验的过程中，能够帮助我们不断地发现问题，并提出建议，使计算机组成原理成为具有省内一流水平的课程。实验要求计算机组成原理是计算机专业本科生核心硬件课程，必修。该课程重点是讲授简单、完整的计算机硬件系统的基本组成原理与内部运行机制，也是进一步学习计算机系统结构课程的基础。课程内容的工程性、技术性、实用性都比较强，因此，在传授计算机组成的原理性知识之外，还应有较多的设计与实验技能训练。通过模型机完成运算器、存储器、控制器和总线的实现和连接，使学生加深了解和更好的掌握计算机组成原理课程教学大纲要求的内容。在计算机组成原理的课程实验过程中，要求学生做到：（1）预习实验指导书有关部分，认真做好实验内容的准备，就实验可能出现的情况提前作出思考和分析。（2）仔细观察上机操作时出现的各种现象，记录主要情况，作出必要说明和分析。（3）认真书写实验报告。实验报告包括实验目的和要求，实验情况及其分析。（4）遵守机房纪律，服从辅导教师指挥，爱护实验设备。（5）实验课程不迟到。如有事不能出席，所缺实验一般不补。实验的验收将分为两个部分。第一部分是上机操作，包括检查程序运行和即时提问。第二部分是提交书面的实验报告。希望同学们抓紧时间，合理安排，认真完成。目 录第一部分 计算机组成原理实验部分实验一 运算器实验1实验二 控制器实验10实验三 微控制器实验13实验四 总线控制实验19第二部分 计算机组成原理设计实验部分应用一 复杂模型机的设计与实现21实验一 运算器组成实验（一） 算术逻辑运算实验 【实验目的】（1）掌握简单运算器的数据传送通路。（2）验证运算功能发生器（74ls181）的组合功能。【实验设备】tdn-cm+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。【实验原理】实验中所用的运算器数据通路如图1-1所示。其中运算器由两片74ls181以并/串行式构成8位字长的alu。运算器的输出经过一个三态门（74ls 245）和数据总线相连，运算器的两个数据输入端分别由二个锁存器（74ls373）锁存，锁存器的输入连至数据总线，图 1-1 运算器数据通路数据开关（“input device”）用来给出参与运算的数据，并经过一三态门（74ls 245）和数据总线相连，数据显示灯（“bus unit”）已和数据总线相连，用来显示数据总线内容。图中已将用户需要连接的控制信号用圆圈标明（其他实验相同，不再说明），其中除t4为脉冲信号，其它均为电平信号。由于实验电路中的时序信号均已连至“w/r unit”的微动开关kk2 的输出端，按动微动开关，即可获得实验所需的单脉冲，而s3、s2、s1、s0、cn、m、lddr1、lddr2、各电平控制信号用“switch unit”中的二进制数据开关来模拟，其中cn、alu-b、sw-b为低电平有效，lddr1、lddr2为高电平有效。【实验步骤】（1）按图1-2连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。 图1-2 实验连线图（2）用二进制数码开关向dr1 和dr2寄存器置数。具体操作步骤图示如下：检验dr1和dr2中存的数是否正确，具体操作为：关闭数据输入三态门（sw-b=1），打开alu输出三态门（alu-b=0），置s3、s2、s1、s0、m为1 1 1 1 1 时，总线指示灯显示dr1中的数，而置成1 0 1 0 1时总线指示灯显示dr2中的数。（3）验证74ls181的算术运算和逻辑运算功能（采用正逻辑）在给定dr1=65h、dr2=a7h的情况下，改变运算器的功能设置，观察运算器的输出填入下表中，并和理论分析进行比较、验证。表1-1（二）进位控制实验 【实验目的】（1）掌握带进位控制的算术运算功能发生器的功能。（2）按指定数据完成几种指定的算术运算。【实验设备】tdn-cm+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。【实验原理】进位控制运算器的实验原理如图1-3所示，在实验（一）的基础上增加进位控制部分，其中181的进位进入一个74锁存器，其写入是由t4和ar信号控制，t4是脉冲信号，实验时将t4连至“state unit”的微动开关kk2上。ar是电平控制信号（低电平有效），可用于实现带进位控制实验，而t4脉冲是将本次运算的进位结果锁存到进位锁存器中。 图 1-3 进位控制实验原理图【实验步骤】（1）按图1-4连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。 图1-4 实验连线图（2）用二进制数码开关向dr1 和dr2寄存器置数。具体方法： 关闭alu输出三态门（alu-b=1），开启输入三态门（sw-b=0），设置开关。例如：向dr1存入01010101，向dr2存入10101010。具体操作步骤如下：（3）进位标志清零具体操作方法如下：实验板中“switch unit”单元中的clr开关为标志cy、zi的清零开关，它为零时是清零状态，所以将此开关做101操作，即可使标志位清零。注： 进位标志指示灯cy亮时表示进位标志为“0”，无进位；标志指示灯cy灭时表示进位为“1”，有进位。（3）验证74ls181的算术运算和逻辑运算功能（采用正逻辑）在给定dr1=65h、dr2=a7h的情况下，将lddr1和lddr2信号清零（关闭dr1和dr2），然后改变运算器的功能设置，观察运算器的输出填入下表中，并和理论分析进行比较、验证。（4）验证带进位运算及进位锁存功能，使cn=1，ar=0来进行带进位算术运算。 例如：做加法运算，首先向dr1、dr2置数，然后使alu-b=0，s3 s2 s1 s0 m状态为10010，此时数据总线上显示的数据为dr1加dr2当前进位标志，这个结果是否产生进位，则要按动微动开关kk2，若进位标志灯亮，表示无进位；反之，有进位。（三）移位运算实验 【实验目的】（1）验证移位控制的组合功能。【实验设备】tdn-cm+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。【实验原理】移位运算实验原理如图1-5所示，使用了一片74ls299作为移位发生器，其输入/输出端以图1-5 移位运算实验原理图排针方式和总线单元连接。299-b信号控制其使能端，t4时序为其时序脉冲，实验时将“w/runit”中的t4接至“state unit”中的kk2单脉冲发生器，由s0 s1 m控制信号控制其功能状态，其列表如下： 【实验步骤】（1）按图1-6连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。图 1-6 实验连线图（2）移位操作： a置数，具体步骤如下：b移位，参照上表改变s0 s1 m 299-b的状态，按动微动开关kk2，观察移位结果。实验二 存储器实验 【实验目的】掌握静态随机存储器sram工作特性及数据的读写方法。【实验设备】tdn-cm+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。【实验原理】实验所用的半导体静态存储器电路原理如图2-1所示，实验中的静态存储器一片6116（2k*8）构成，其数据线接至数据总线，地址线由地址锁存器（74ls273）给出，地址灯图2-1 存储器实验原理图ad0-ad7与地址线相连，显示地址线内容，数据开关经一三态门（74ls245）连至数据总线，分时给出地址和数据。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，所以其实际容量为256字节。6116有三个控制线：ce（片选线）、oe（读线）、we（写线）。当片选有效（oe=0）时，oe=0时进行读操作，we=0时进行写操作。本实验中将oe常接地，在此情况下，当ce=0、we=0时进行读操作，ce=0、we=1时进行写操作，其写时间与t3脉冲宽度一致。实验时将t3脉冲接至实验板上时序电路模块的ts3相应插孔中，其脉冲宽度可调，其它电平控制信号由“switch unit”单元的二进制开关模拟，其中sw-b为低电平有效，ldar为高电平有效。【实验步骤】（1） 按图2-2连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。由于存储器模块内部的连线已经接好，因此只需完成实验电路的形成、控制信号模拟开关、时钟脉冲信号t3与存储模块的外部连接。图2-2 实验连线图（2）给存储器的00、01、02、03、04地址单元中分别写入数据11、12、13、14、15，具体操作步骤如下：（以向0号单元写入11为例）（3）一次读出第00、01、02、03、04号单元中的内容，观察上述各单元中的内容是否与前面写入的一致，具体操作步骤如下：（以从0号单元读出11数据为例）实验三 微控制器实验 【实验目的】（1）掌握时序产生器的组成原理。（2）掌握微程序控制器的组成原理。 （3）掌握微程序的编写、写入，观察微程序的运行。【实验设备】tdn-cm+计算机组成原理教学实验系统一台。【实验原理】微程序控制器的组成见图3-1，其中控制存储器采用3片2816的eeprom，具有掉电保护功能，微命令寄存器18位，用两片8d触发器（273）和一片4d（）175）触发器组成。微地址寄存器6位，用三片正沿触发的双d触发器（74）组成，它们带有清零端和预置端。 在该实验电路中设有一个编程开关（位于实验板右上方），它具有三种状态：prom（编程）、read（校验）、run（运行）。当处于“编程状态”时，学生可根据微地址和微指令格式将微指令二进制代码写入到控制存储器2816中。当处于“校验状态”时，可以对写入控制存储器中的二进制代码进行验证，从而可以判断写入的二进制代码是否正确。当处于“运行状态”时，只要给出微程序的入口微地址，则可根据微程序流程图自动执行微程序。图中微地址寄存器输出端增加了一组三态门，目的是隔离触发器的输出，增加抗干扰能力，并用力驱动微地址显示灯。微指令字长共24位，其控制位顺序如下：242322212019181716151413121110 9 8 7654321s3s2s1s0mcnwea9a8abcua5ua4ua3ua2ua1ua0b字段121110选择000001rs-b0 10rd-b011ri-b100299-b101alu-b110pc-b表 3-1a字段151413选择000001ldri0 10lddr1011lddr2100ldir101load110ldarc字段151413选择000001p（1）0 10p（2）011p（3）100p（4）101ar110ldpc其中ua5-ua0为6位的后继微地址，a、b、c为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位，c字段中的p（1）p（4）是四个测试字位。其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码，使微程序转入相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行，其原理如图3-2所示。图中i7i2为指令寄存器的第72位输出，se5se1为微控制器单元微地址锁存器的强置端输出，ar为算术运算是否影响进位及判零标志控制位，其为零图 3-1 微控制器实验原理图有效。b字段中的rs-b、rd-b、ri-b分别为源寄存器选通信号、目的就存器选通信号及变址寄存器选题信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器r0、r1、r2的选通译码，其原理如图3-3，图中i0i4为指令寄存器的第04位，ldri为打入工作寄存器信号的译码器使能控制位。 图3-2 指令译码器图 3-3 寄存器选通译码电路【实验步骤】（1）图3-4为几条机器指令对应的参考微程序流程图，将全部微程序按微指令格式变成二进制代码，可得到表3-2的二进制代码表。图 3-4 微程序流程图表 3-2 二进制代码表微地址s3 s2 s1 s0 m cn we a9 a8abcua5ua00 00 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 0 1 0 00 1 0 0 0 00 10 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 00 20 0 0 0 0 0 0 0 110 00 0 0 00 10 0 1 0 0 00 30 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 0 0 0 00 0 0 1 0 00 40 0 0 0 0 0 0 0 10 1 10 0 0 0 0 00 0 0 1 0 10 50 0 0 0 0 0 0 1 10 1 00 0 1 1 0 00 0 0 1 1 00 61 0 0 1 0 1 0 1 10 0 11 0 10 0 00 0 0 0 0 10 70 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 0 0 0 00 0 1 1 0 11 00 0 0 0 0 0 0 0 00 0 10 0 0 0 0 00 0 0 0 0 11 10 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 11 2 0 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 1 1 11 30 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 1 1 1 01 40 0 0 0 0 0 0 1 11 101 101 1 00 1 0 1 1 01 50 0 0 0 0 0 1 0 10 0 00 0 10 0 00 0 0 0 0 11 60 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 0 0 0 00 0 1 1 1 11 70 0 0 0 0 0 0 0 10 1 00 0 0 0 0 00 1 0 1 0 1 2 00 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 0 1 02 1 0 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 1 0 02 20 0 0 0 0 0 0 0 10 1 00 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 12 30 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 12 4 0 0 0 0 0 0 0 0 00 100 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 02 50 0 0 0 0 1 1 1 00 0 01 0 1 0 0 00 0 0 0 0 12 60 0 0 0 0 0 0 0 11 0 10 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 12 70 0 0 0 0 1 1 1 00 0 01 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 03 00 0 0 0 0 1 1 0 10 0 01 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1图 3-5 实验连线图（2）按图3-5连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。 （3）观察微程序控制器的工作原理：1）编程a将编程开关置为prom（编程）状态。b将实验板上“state unit”中的“step”置为“step”，“stop”置为“run”状态。c用二进制模拟开关置微地址ma5-ma0 d在mk24-mk1开关上置微代码，24位开关对应24位显示灯，开关量为“0”时灯亮，开关量为“1”时灯灭。e启动时序电路（按动启动按钮“start”），即将微代码写入到eeprom 2816的相应地址对应的单元中。f重复c-f步骤，将表3-2的微代码写入2816。2）校验a将编程开关置为read（校验）状态。b将实验板的“step”置为“step”，“stop”置为“run”状态。c用二进制模拟开关置好微地址ma5-ma0 d按动“start”键，启动时序电路，读出微代码，观察显示灯md24-md1的状态（灯亮为“0”，灭时为“1”），检查读出的微代码是否与写入的相同，如果不同，则将开关置于prom编程状态，重新执行1）即可。3）单步运行 a将编程开关置为“run”状态，“step”及“stop”开关保持原态。b拨动总清开关clr，使开关clr信号为101，微地址寄存器ma5ma0清零， c按动“start”键，启动时序电路，则每按动一次start键，读出一条微指令后停机，此时实验台上的微地址显示灯和微命令显示灯将显示所读出的一条指令。注意：在当前条件下，可将“microcontroller”单元的se6se1接到“switch unit”中的s3cn对应二进制开关上，可通过强制置端se6se1人为设置分支地址。将se6se1对应二进制开关置为“1”，当需要人为设置分支地址时，将某个或某几个二进制开关置“0”，相应的微地址位即被强制置为“1”，从而改变下一条微指令的地址。（二进制开关置为“0”，相应的微地址被强制置为“1”）4）连续运行a将编程开关置为“run”状态，使“state unit”中的“step”置为“ecex”状态。b拨动总清开关clr，使开关clr信号为101，此时，微地址寄存器清零，从而给出取指微指令的入口地址为000000（二进制）。c启动时序电路，则可连续读出微指令。实验四 总线控制实验 【实验目的】（1）掌握总线的概念及其特性。（2）掌握总线传输控制特性。 【实验设备】tdn-cm+计算机组成原理教学实验系统一台。【实验原理】（1）总线的基本概念 总线是多个系统部件之间进行数据传送的公共通道，是构成计算机系统的骨架。借助总线连接，计算机在系统各部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作。因此，所谓总线就是指能为多个功能部件服务的一组公用信息线。（2）实验原理实验所以总线传输实验框图如图4-1所示，它将几种不同的设备挂至总线上，有存储器、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。图 4-1 实验框图【实验要求】 根据挂在总线上的几个基本部件，设计一个简单的流程：（1）输入设备将一个数打入r0寄存器。（2）输入设备将另一个数打入地址寄存器。 （3）将r0寄存器中的数写入到当前地址的存储器中。（4）将当前地址的存储器中的数用led数码管显示。【实验步骤】（1）按图5-3连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。（2）具体操作步骤如下： 初始状态应设为：关闭所有三态门（sw-b=1，cs=1，r0-b=1，led-b=1），其它控制信号为ldar=0，ldr0=0，w/r（ram）=1，w/r（led）=1。图 4-2 实验连线图设计一 复杂模型机的设计与实现 【实验目的】综合运用所学计算机原理知识，设计并实现较为完整的计算机。【实验设备】tdn-cm+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。【实验原理】1 数据格式模型机规定采用定点补码表示法表示数据，且字长为8位，其格式如下：7 6 5 4 3 2 1 0符号尾 数其中第7位为符号位，数值表示范围是：-1x1。2指令格式模型机设计四大类指令共16条，其中包括算术逻辑指令、i/o指令、访问及转移指令和停机指令。（1） 算术逻辑指令设计9条算术逻辑指令并用单字节表示，寻址方式采用寄存器直接寻址，其格式如下：7 6 5 4 3 2 1 0op-code rs rd其中，op-code为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定：rs或rd 选定的寄存器000110r0r1r29条算术逻辑指令的名称、功能和具体格式见表1-1。（2） 访问指令及转移指令模型机设计2条访问指令，即存放（sta）、取数（lda）、2条转移指令，即无条件转移（jmp）、结果为零或有进位转移指令（bzc），指令格式为：7 65 4 3 2 1 000mop-coderdd其中， op-code为操作码，rd为目的寄存器地址（lda、sta指令使用），d为偏移量（正负均可），m为寻址模式，其定义如下：寻址模式m 有效地址e 说 明 00011011e=de=（d）e=（ri）+de=（pc）+d直接寻址间接寻址ri变址寻址相对寻址本模型机规定变址寄存器ri指定为寄存器r2。（3） i/o指令输入（in）和输出（out）指令采用单字节指令，其格式如下：7 6 5 4 3 2 1 0op-codeaddr rd其中，addr=01时，选中“input device”中的开关组作为输入设备，addr=10时，选中“output device”中的数码块作为输出设备。（4） 停机指令 指令格式如下：7 6 5 43 21 0op-code0000halt指令，用于实现停机操作。3指令系统本模型机共有16条基本指令，其中算术逻辑指令7条，访问内存指令和程序控制指令4条，输入输出指令2条，其他指令1条。表1-1列出了各条指令的格式，汇编符号，指令功能。表4-1 指令格式说明助记符指令格式功能clr rdmov rs，rdadd rs , rdsbc rs, rd011100rd 1000rsrd 1001rsrd 1010rsrd 00rdrsrdrs+ rd rdrs-rd-cyrdinc rdand rs，rdcom rdrrc rs , rdrlc rs, rd1011rsrd 1100rsrd 1101rsrd 1110rsrd 1111rsrd rd+1rdrsrdrsrdrsrdcyrsrsrdcyrslda m，d，rdsta m，d，rdjmp m，dbzc m，d00m00 rdd 00m01 rdd00m10 00d00m11 00derdrdeepc当cy=1或z=1时，epc in addr，rdout addr，rd 010001rd 010110rd addrrdrdaddrhlt 01100000停机【总体设计】本模型机的数据框图如图1-1，根据机器指令系统要求，设计微程序流程图及确定微地址，如图1-2。图 1-1 数据通路框图图1-2 微程序流程图按照系统建议的微指令格式，参照微指令流程图，将每条微指令代码化，译成二进制代码表，并将二进制代码表转换为联机操作时的十六进制格式文件。242322212019181716151413121110 9 8 7654321s3s2s1s0mcnwea9a8abcua5ua4ua3ua2ua1ua0b字段121110选择000001rs-b0 10rd-b011ri-b100299-b101alu-b110pc-ba字段151413选择000001ldri0 10lddr1011lddr2100ldir101load110ldarc字段151413选择000001p（1）0 10p（2）011p（3）100p（4）101ar110ldpc微程序$m0f95ea25$m1001ed83$m1101ed85$m1201ed8d$m1301eda6$m14001001$m15030401$m16018016$m173d9a01$m18019201$m1901a22a$m1a01b22c$m1b01a232$m1c01a233$m1d01a236$m1e318237$m1f318239$m20009001$m21028401$m2205db81$m230180e4$m24018001$m2595aaa0$m2600a027实验程序如下：程序 助记符$poo44 in 01，r0$po146in 01，r1$po298adc r2，r0$po381mov r0，r1$po4f5rlc r0，r0$po50cbzc 00，00$po600微程序$m00018108$m0101ed82$m0200c050$m0300a004$m0400e0a0$m0500e006$m0600a007$m0700e0a0$m0801ed8a$m0901ed8c$m0a00a03b$m0b018001$m0c00203c$m0d00a00e$m0e01b60f$m32019a01$m3301b435$m3405db81$m35b99b41$m360d9a01$m37298838$m38019801$m3919883a$m3a019801$m3b070a08$m3c068a09$m2701bc28$m2895ea29$m2995aaa0$m2a01b42b$m2b959b41$m2c01a42d$m2d05ab6e$m2e0daa2f$m2f01aa30$m300d8171$m31959b411-3 实验连线图【实验步骤】（1）按图1-3连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。（2）写微程序与pc联机，将实验微程序装入cm+机中或脱机时手动将本实验微程序写入cm+中，手动写入的具体方法如下：1）编程a将编程开关置为prom（编程）状态。b将实验板上“state unit”中的“step”置为“step”，“stop”置为“run”状态。c用二进制模拟开关置微地址ma5-ma0 d在mk24-mk1开关上置微代码，24位开关对应24位显示灯，开关量为“0”时灯亮，开关量为“1”时灯灭。e启动时序电路（按动启动按钮“start”），即将微代码写入到eeprom 2816的相应地址对应的单元中。f重复c-f步骤，将本实验给出的十六进制 格式文件转换的二进制代码写入2816。2）校验a将编程开关置为read（校验）状态。b将实验板的“step”置为“step”，“stop”置为“run”状态。c用二进制模拟开关置