《数字逻辑与计算机组成原理》实验指导书.doc

数字逻辑与计算机组成原理 实 验 指 导 书 适用专业：09，10软件工程 闽江学院计算机系2010年7月前 言“数字逻辑与计算机组成原理实验”是一门实践性、综合性、应用性较强的计算机基础课程，是必修课程。对计算机应用及程序有重大意义，有利于理解计算机系统中软件和硬件的关系。通过实验学生掌握各个单元模块的工作原理，可进一步深化和掌握课堂理论教学内容，为学生提供必要的实践机会，以加强其感性认识和增强其实际动手能力，能使学生更好的领会计算工作原理以及相关接口技术实践知识，激励学生勇于创新，全面提高学生解决实际问题的动手能力。 本实验主要训练和培养学生利用所学的知识进行数字电路和模型机的设计与调试等应用等方面的技能，训练学生开发高级应用系统的设计思路、具体过程和步骤等，激发学生的学习热情和创新性思维。本指导书中设置的实验项目，包括验证性、综合性和设计性实验，分为必做和选做，可根据学生的专业方向和课时安排以及学生的能力和兴趣等对实验项目的内容和顺序等重新调整安排。 目 录实验一 ：multisim 仿真实验-3实验二 ：组合逻辑电路的设计与仿真-5实验三 ：时序逻辑电路的设计与仿真-7实验四 ：算术逻辑运算实验-9实验五 ： 存储器实验-22实验六 ： 微控制器实验-28附件：实验报告基本要求 40实验一 熟悉multisim 仿真软件实验学时：2实验类型：验证实验要求：必修一、实验目的（1） 熟悉multisim软件的功能及使用（2） 掌握multisim软件的各种仿真手段（3） 掌握multisim软件的各种虚拟仪器的运用（4） 熟悉multisim软件的元件库及调用（5） 设计一个半加器电路，运用multisim软件进行优化和测试。二、实验内容2.1 multisim软件的功能及使用2.2 multisim软件的各种仿真手段2.3 multisim软件的各种虚拟仪器的运用2.4 multisim软件的元件库及调用2.5 设计一个半加器电路，运用multisim软件进行优化和测试三、实验原理、方法和手段运用multisim仿真软件进行数字电路的设计、优化和测试等四、实验组织运行要求根据本实验的特点、要求和具体条件，采用“以学生自主训练为主的集中授课形式”，按每人一组独立完成。五、实验条件pc机，multisim仿真软件六、实验步骤6.1 multisim软件的各种功能及使用6.2 multisim软件的各种仿真手段运用6.3 multisim软件的各种虚拟仪器的运用6.4 multisim软件的元件库及调用6.5 设计半加器电路，并进行测试和优化七、思考题7.1 如何选择multisim仿真软件的元件?7.2 如何选择multisim不同的设计及仿真方法？ 7.3 如何选择multisim的输入信号及输出结果仿真？ 八、实验报告实验报告的内容及要求包括实验预习、实验记录和实验报告三部分。8.1了解相关集成门电路的工作原理和引脚功能。8.2 熟悉multisim仿真软件的元件库及使用。8.3 认真记录实验过程中的有关现象和实验结果，课后结合所学的知识加以分析并完成实验报告。九、其它说明本实验内容多，若在课堂上无法完成所有内容，可在课后继续。实验二 组合逻辑电路的设计与仿真实验学时：2实验类型：验证实验要求：必修一、实验目的1.1熟悉显示译码器的使用，理解其工作原理。1.2运用multisim设计显示译码器电路并仿真结果。二、实验内容设计一个bcd码和余3码的双向转换电路，并通过两个数码管显示出来。三、实验原理、方法和手段运用multisim仿真软件进行组合逻辑电路的设计、优化、演示和测试等四、实验组织运行要求根据本实验的特点、要求和具体条件，采用“以学生自主训练为主的集中授课形式”，按每人一组独立完成。五、实验条件pc机，multisim仿真软件六、实验步骤6.1 设计一个bcd码和余3码的双向转换电路，6.2 数码管显示驱动设计6.3 实验结果的演示6.4 电路的优化和测试七、思考题7.1 实现该功能的电路设计方案是唯一的吗?为什么？7.2 如何选择最佳的设计及仿真方法？ 7.3 如何选择最适合的输入及输出元件？ 八、实验报告实验报告的内容及要求包括实验预习、实验记录和实验报告三部分。8.1 了解相关led驱动集成电路的工作原理和引脚功能。8.2 熟悉multisim仿真软件的元件库及使用。8.3 认真记录实验过程中的有关现象和实验结果，课后结合所学的知识加以分析并完成实验报告。九、其它说明本实验内容多，若在课堂上无法完成所有内容，可在课后继续。实验三 时序逻辑电路的设计及仿真实验学时：2实验类型：验证实验要求：必修一、实验目的1.1设计一个可自启动的五进制增/减计数器并仿真1.2学习和掌握时序逻辑电路的应用和计数器的工作原理1.3学习和掌握时序逻辑电路的设计与仿真方法二、实验内容设计一个可自启动的五进制增/减计数器电路，并通过两个数码管显示出来。三、实验原理、方法和手段运用multisim仿真软件进行时序逻辑电路的设计、优化、演示和测试等四、实验组织运行要求根据本实验的特点、要求和具体条件，采用“以学生自主训练为主的集中授课形式”，按每人一组独立完成。五、实验条件pc机，multisim仿真软件六、实验步骤6.1 设计一个可自启动的五进制增/减计数器6.2 数码管显示驱动设计6.3 实验结果的演示6.4 电路的优化和测试七、思考题7.1 实现该功能的电路设计方案是唯一的吗?为什么？7.2 如何选择最佳的设计及仿真方法？ 7.3 如何选择最适合的输入及输出元件？ 八、实验报告实验报告的内容及要求包括实验预习、实验记录和实验报告三部分。8.1 了解相关led驱动集成电路的工作原理和引脚功能。8.2 了解计数器的工作原理和设计方法。8.3 熟悉multisim仿真软件的元件库及使用。8.4 认真记录实验过程中的有关现象和实验结果，课后结合所学的知识加以分析并完成实验报告。九、其它说明本实验内容多，若在课堂上无法完成所有内容，可在课后继续。实验四 运算器（alu）实验实验学时：2实验类型：验证实验要求：必修 一实验目的 1.1掌握简单运算器的数据传送通路。1.2验证运算功能发生器(74lsl81)的组合功能。1.3验证带进位控制的算术运算功能发生器的功能。1.4按指定数据完成几种指定的算术运算。1.5验证移位控制的组合功能。二实验内容2.1 算术逻辑运算实验2.2进位控制实验2.3移位运算实验三、实验原理、方法和手段3.1算术逻辑运算实验原理 实验中所用的运算器数据通路图11所示。其中运算器由两片74lsl81以并串形成构成8位字长的alu。运算器的输出经过一个三态门(74ls245)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，数据开并(“input device”)用来给出参与运算的数据，并经过三态门(74ls245)和数据总线相连，数据显示灯(“bus unit”)已与数据总线相连，用来显示数据总线内容。图中已将用户需要连接的控制信与用圆圈标明(其他实验相同，不再说明)，其中除t4为脉冲信与，其它均为电平信号。由于电路中的时序信号均已连至“wr unit”的相应时序信号引出端，因此，在进行实验时，只需将“wr unit”的t4接至“state 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、lddrl、lddr2、alub、swb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、 alub、swb为电低电平有效，lddrl、lddr2为高电子有效。图1-1运算器数据通路3.2进位控制运算实验原理进位控制运算器的实验原理如图13所示，在实验(1)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是电子控制信号(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3.3移位运算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，其八个输入输出端以排针方式和总线单元连接。299-b信号控制其使能端，t4时序为其时钟脉冲，实验时将“wr unit”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：图1-5移位运算原理图四、实验组织运行要求根据本实验的特点、要求和具体条件，采用“以学生自主训练为主的集中授课形式”，按两人一组分组进行。五、实验条件 cctiv计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。六、实验步骤6.1算术逻辑运算实验步骤(1) 按图1-2连接路线,仔细检查无误后,接通电源。(2) 用二进制数码开关dr1和dr2寄存器置数，具体操作步骤图示如下：检验drl和dr2中存的数是否正确，具体操作为：关闭数据输入三态门(swb=1)，打开alu输出三态门(alub=0)，当置s3、s2、s1、s0、m为1 1 1 1 l时，总线指示灯显示drl中的数，而置成10101时总线指示灯显示dr2中的数。图 12 实验接线图(3)验证74lsl81的算术运算和逻辑运算功能 (采用正逻辑)在给定drl=65、dr2=a7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1-16.2进位控制运算实验步骤(1)按图14连接实验线路，仔细查线无误后，接通电源。图14 实验接线图 (2)用二进制数码开关向drl和dr2寄存器置数，具体方法： 关闭alu输出三态门 (alub=1)，开启输入三态门(sw-b=0)，设置数据开关；例如向drl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： s3s2s1s0m的状态置为0 0 0 0 0，ar状态置为0(清零时drl寄存器中的数应不等于ff) 按动微动开关kk2，观察进位标志指示灯并记录。 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。(4)更改存入dr1、dr2的数据（至少3组数据），重复步骤(2)、 (3)并记录。(5)验证带进位运算及进位锁存功能，使cn=l，ar=0，swb=1来进行带位算术运算。例如：做加法运算，首先向drl、dr2置数，然后使alub=0，s3s2s1s0m状态为1 0 0 1 0，此时数据总线上显示的数据为drl加dr2加当前进位标志，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。6.3移位控制运算实验步骤 (1)按图16连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。图16 实验接线图(2)移位操作： 置数，具体步骤如下： 移位，参照上表设置s0、s1、m、299-b的状态，每按动一次微动开关kk2，观察移位结果并记录，循环8次。改变s0、s1、m、299-b的设置，重复步骤，观察移位结果并记录。七、思考题本实验为验证实验，试分析如果在实验过程中出现结果不正确的情况，可能是由于什么原因引起的？八、实验报告实验报告的内容及要求包括实验预习、实验记录和实验报告三部分。8.1 复习课本中有关算术逻辑运算单元(74lsl81)的内容，了解其它相关集成如电路锁存器(74ls373)、三态门(74ls245)等的工作原理和引脚功能。8.2 熟悉cctiv计算机组成原理教学实验系统的布置与正确的使用方法，防止不正当的操作而造成实验仪器的损坏。8.3 实验结束后恢复实验仪器，并将所有排线和其它工具整理好。8.4 认真记录实验过程中的有关现象和实验结果，课后结合所学的知识加以分析并完成实验报告。8.5 掌握16位串/并运算器的工作原理和寄存器工作原理。九、其它说明本实验内容多，若在课堂上无法完成所有内容，可在课后继续。实验五 存储器实验实验学时：2实验类型：验证实验要求：必修一、实验目的 掌握静态随机存储器ram工作特性及数据的读写方法。掌握计算机中ram存储器部分的硬件构成。二、实验内容通过手动产生相关的控制信号实现对存储器的读写操作。三、实验原理、方法和手段实验所用的半导体静态存储器电路原理如图21所示，实验中的静态存储器由一片6116(2k x 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ado-ad7与地址线相连，显示地址线内容。数据开并经三态门 (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a7一a0，而高三位a8一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(ce=0)时，oe=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swb为低电平有效，ldar为高电平有效。图2-l 存储器实验原理图四、实验组织运行要求根据本实验的特点、要求和具体条件，采用“以学生自主训练为主的集中授课形式”，按两人一组分组进行。五、实验条件 cctiv计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。六、实验步骤 (1)形成时钟脉信号t3，具体接线方法和操作步骤如下： 接通电源，用示波器接入方波信号源的输出插孔h24，调节电位器w1，使h24端输出实验所期望的频率的方波。 将时序电路模块中的和h23排针相连，clr置“1”。 在时序电路模块中有两个二进制开关“stop和“step。将“stop”开关置为“run”状态、“step”开关置为“exec”状态时，按动微动开关start，则t3输出连续的方波信号，此时调节电位器w1，用示波器观察，使t3输出实验要求的脉冲信号。当“stop”开关置为“run”状态、“step”开关置为“step”状态时，每按动一次微动开关start，则t3输出一个单脉冲，其脉冲宽度与连续方式相同。 关闭电源。(3) 按图22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。(4) 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）依次读出第00、01、 02、 03、 04 地址单元中的内容，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：（以向0号读出11数据为例）七、思考题7.1 结合本实验及所学知识，试分析对rom（如eerom）进行读写操作的过程。7.2 结合本实验，复习课本中有关ram存储器地址扩展的方法。八、实验报告实验报告的内容及要求包括实验预习、实验记录和实验报告三部分。8.1 复习课本中有关ram存储器及其扩展的内容。8.2 熟悉ram存储器外围芯片74ls273、74ls245的功能及引脚。8.3 认真记录实验过程中的有关现象和实验结果，理解数据、地址和控制总线的作用。课后结合所学的知识加以分析并完成实验报告。九、其它说明9.1 由于ram存储器的地址和要写入该单元的数据是通过同一个拨动开关设置，要特别注意所设置的数是ram存储器的地址还是要写入该单元的数据。9.2 注意区分送数据和送地址时不同的片选信号。9.3 送数据和送地址时均需要一个正脉冲信号，这个信号在本实验中是同一个信号，而且是手动产生的。实验六 微控制器实验实验学时：2实验类型：验证实验要求：必修一、实验目的 1.1 掌握时序产生器的组成原理。 1.2 掌握微程序控制器的组成原理。 1.3 掌握微程序的编制、写入，观察微程序的运行。1.4 掌握计算机中微指令的构成，控制字段和下址字段的含义。1.5 熟悉计算机的指令是如何通过微指令来执行的。二、实验内容通过微指令的设计与执行验证计算机指令的运行过程。三、实验原理、方法和手段实验所用的时序电路原理如图3-1所示，可产生4个等间隔的时序信号tsl-ts4，其中为时钟信号，由实验台左上方的方波信号源提供，可产生频率及脉宽可调的方波信号。学生可根据实验自行选择方波信号的频率及脉宽。为了便于控制程序的运行，时序电路发生器也设置了一个启停控制触发器cr，使tsl-ts4信号输出可控。图中step(单步)、stop(停机) 分别是来自实验板上方中部的两个二进制开关step、stop的模拟信号。当step开关为0时(exec)，一旦按下启动键，运行触发器cr一直处于“1”状态，因此时序信号tsl-ts4将周而复始地发送出去。当step为1(step)时，一旦按下启动键，机器便处于单步运行状态，即此时只发送一个cpu周期的时序信号就停机。利用单步方式，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。另外，当机器连续运行时，如果stop开关置“1”(stop)，也会使机器停机。由于时序电路的内部线路已经连好，所以只需将时序电路与方波信号源连接(即将时序电路的时钟脉冲输入端接至方波信号发生器输出端h23)，时序电路的clr已接至实验板左下方的clr模拟开关上。图3-1时序电路原理图 3.2 微程序控制电路与微指令格式 (1)微程序控制电路微程序控制器的组成见图3-2，其中控制存储器采用3片2816的e2prom，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“0端和预置端。在不判别测试的情况下，t2时刻打入微地址寄存器的内容即为下一条微指令地址。当t4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。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，并用来驱动微地址显示灯。图3-2微控器实验原理图(5) 微指令格式微指令长共24位，其控制位顺序如下： 表3-1 其中ua5-ua0为6位的后续微地址，a、b、c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3-3所示，图中17-12为指令寄存器的第7-2位输出，se5sel为微控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，其为零有效。b字段中的rdb、r0b、rib分别为源寄存器选通信号、目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器0、r1及r2的选通译码，其原理如图3-4，图中10-14为指令寄存器的第0-4位，ldri打入工作寄存器信号的译码器使能控制位。图3-3图3-4四、实验组织运行要求根据本实验的特点、要求和具体条件，采用“以学生自主训练为主的集中授课形式”，按两人一组分组进行。五、实验条件 cctiv计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。六、实验步骤(1) 图35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32的二进制代码表。 图35微程序流程图表3-2 二进制代码表(2)按照图-连接线路，仔细检查线路后接通电源图3-6实验接线图(3)观测时序信号用双踪示波器(或用pc示波器功能)观察方波信号源的输出，时序电路中的“stop”开关置为“run”、“step”开关置为“exec”。按动start按键，从示波器上可观察到tsl、ts2、ts3、ts4各点的波形，比较它们的相互关系，画出其波形，并标注测量所得的脉冲宽度，见图37。图3-7 (4)观察微程序控制器的工作原理： 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ma5ma0。 d在mk24-mkl开关止置微代码，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e2prom 2816的相应地址对应的单元中。 f重复ce步骤，将表32的微代码写入2816。 校验a将编程开关设置为read(校验)状态。 b将实验板的step开关置为step状态，stop开关置为run状态。c用二进制开关置好微地址ma5-ma0。 d按动“start”键，启动时序电路，读出微代码，观察显示灯md24-mdl的状态(灯亮为“0”，灭为“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，重新执行即可。 单步运行 a将编程开关置于“run(运行)”状态。 b，实验板的“step”及“stop”开关保持原状。 c操作clr开关(拨动开关在实验板右下角)使clr信号1-0-l ；微地址寄存器ma5一ma0清零，从而明确本机的运行入口微地址为000000(二进制)。 d按动“start”键，启动时序电路。则每按动一次启动键，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行指令。 注意： 在当前条件下，可将