计算机组成原理课程设计(周群璋).doc

计算机组成原理课程设计实验报告 学院：计算机科学与工程学院专业：网络工程 班级：网络工程二班 学号：0905020213 姓名：周 群 璋 2 0 1 1 年 0 6 月 2 0 日试验一 验证74LS181运算和逻辑功能实验名称：验证74LS181运算和逻辑功能实验目的：（1）.掌握算术逻辑单元（ALU）的工作原理；（2）.熟悉简单运算器的数据传送通路；（3）.画出逻辑电路图及布出美观整齐的接线图；（4）.验证4位运算功能发生器（74LS181）组合功能。实验设备：74LS181,4段LED，开关若干实验原理：ALU能进行多种算术运算和逻辑运算。4位ALU-74LS181能进行16种算术运算和逻辑运算。功能表如下：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）0 0 0 0 F=/AF=AF=A加10 0 0 1F=/(A+B)F=(A+B)F=(A+B)加10 0 1 0F=(/A)BF=A+/BF=(A+/B)加10 0 1 1F=0F=负1（补码形式）F=00 1 0 0F=/(AB)F=A加A(/B)F=A加A/B加10 1 0 1F=/BF=(A+B)加A/BF=(A+B)加A/B加10 1 1 0F=ABF=A减B减1F=A减B0 1 1 1F=A/BF=A(/B)减1F=A(/B)1 0 0 0F=/A+BF=A加ABF=A加AB加11 0 0 1F=/( AB)F=A加BF=A加B加11 0 1 0F=BF=(A+/B)加ABF=(A+/B)加AB加11 0 1 1F=ABF=AB减1F=AB1 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11 1 1 0F=A+BF=(A+/B)加AF=(A+/B)加A加11 1 1 1F=AF=A减1F=A(上表中的“/”表示求反)ALU-74LS181引脚说明：M=1逻辑运算，M=0算术运算。引脚说明M状态控制端M=1逻辑运算；M=0算术运算。S3 S2 S1 S0运算选择控制S3 S2 S1 S0决定电路执行哪一种算术A3 A2 A1 A0运算数1，引脚3为最高位B3 B2 B1 B0运算数2，引脚3为最高位Cn 最低位进位输入Cn=0有进位，Cn=1无进位；Cn+4本片产生的进位信号Cn+4=0有进位，Cn+4=1无进位；F3 F2 F1 F0F3 F2 F1 F0运算结果，F3为最高位实验内容：电路如下所示： 如对S0 S1 S2 S3为0,0,0,0，数据1为AH，数据2为5H，M=0，CN=1的电路显示如下：验证74LS181型4位ALU的逻辑算术功能，填写下表：S0 S1 S2 S3数据1数据2算术运算（M=0）逻辑运算（M=1）CN=1(无进位)CN=0(有进位)0 0 0 0AH5HF=AF=BF=50 0 0 1AH5HF=FF=0F=00 0 1 0AH5HF=AF=BF=50 0 1 1AH5HF=FF=0F=00 1 0 0FH1HF=DF=EF=E0 1 0 1FH1HF=DF=EF=E0 1 1 0FH1HF=DF=EF=E0 1 1 1FH1HF=DF=EF=E1 0 0 0FHFHF=EF=FF=F1 0 0 1FHFHF=EF=FF=F1 0 1 0FHFHF=EF=FF=F1 0 1 1FHFHF=EF=FF=F1 1 0 05H5HF=AF=BF=F1 1 0 15H5HF=AF=BF=F1 1 1 05H5HF=4F=5F=51 1 1 15H5HF=4F=5F=5总结及心得体会： 在实验一中，让我熟练地使用计算机组成原理虚拟实验室，并且能按照实验的要求进行各种操作，掌握了简单运算器的数据传送通路，掌握了算术逻辑单元的工作原理，特别是对74LS181的深刻理解及其工作原理。同时也激发了我对学习的热情，也积累了实践操作的宝贵经验。 在试验中，遇到的最大的问题画图不够熟练，以及74LS181各个控制端得含义，后面经过自主的学习和跟同学们的探讨，很容易的解决了此次实验的各种问题。试验二 运算器实验目的：(1).熟练掌握算术逻辑但愿（ALU）的应用方法；(2).进一步熟悉简单运算器的数据传送原理；(3) .熟练掌握有关数字元件的功能和使用方法；实验设备：74LS181,8段显示器LED,74LS273,74LS374,74LS244，数据总线，开关如干。实验原理：本实验仿真单总线结构的运算器，原理如下图图2-2所示。相应的电路如图2-3所示。电路图中，最右边的像5线谱的器件模拟8位数据总线；与74LS244连接的8个开关产生所需数据记为K8；74LS244为三态门电路，用于设置各个寄存器的值，切记总线只有一个输入；两个74LS273部件作为暂存工作寄存器DR1和DR2；两个74374部件作为通用寄存器GR1和GR2；众多的开关作为控制电平或打入脉冲；众多的8段显示屏显示相应位置的数据信息；核心为8位ALU部件。 通 用寄存器ABALU 图2-2单总线结构的运算器示意图实验内容：按图2-3搭建电路，完成如下操作。（1） 说明整个电路工作原理。（2） 说明74LS244N的功能及其在电路中的作用，及输入信号G有何作用；（3） 说明74LS273N的功能及其在电路中的作用，及输入信号CLK有何作用；（4） 说明74LS374N的功能及其在电路中的作用，及输入信号CLK和OC有何作用；（5） K8产生任意数据存入通用寄存器GR1。（6） K8产生任意数据存入通用寄存器GR2。（7） 完成GR1+ GR2GR1。（8） 完成GR1- GR2GR1。（9） 完成GR1GR2GR1。（10） 完成GR1GR2GR1。（11） 完成GR1GR2GR1。（12） GR1GR2。（“”表示逻辑非运算）（13） GR2GR1。图2-3运算器示意图实验解答： （1）整个电路的工作原理：该电路图完成一些基本的算数运算和逻辑运算，通过对181的控制端的输入，完成相应的运算。通过74LS244控制端输入相应的信号，送到总线，总线又把输入信号送到GR1，通过双击单脉冲，把输入信号送到DR1并在LED上显示出来，此时通过双击与273相连的脉冲，把输入信号暂时保存到DR1中，重复上述操作把另一个输入信号保存到DR2中。 （2）74LS244为三态门电路，用于设置各个寄存器的值，切记总线只有一个输入；输入信号G是使能控制端，低电平有效。 （3）74LS273部件作为暂存工作寄存器，暂时保存要进行运算的信号。CLR的作用即清零，清除保存到该寄存器的信号。 （4）74374部件作为通用寄存器GR1和GR2，在此电路中是保存和传送信号。OC的作用是OUTPUT CONTROL控制输出。 （5）通过双击与74LS273（0）相连的单脉冲，即吧数据存入到了GR1，并在相应的LED上显示出来。 （6）同（5）。 （7）如图（例分别输入信号1和3）：在通过双击与374相连的单脉冲就把运算的结果存入到GR1了，此时完成了相应的要求。（8） (13)通过改变控制信号与（7）操作相同。总结：此次实验让我更深刻的了解和掌握了各个寄存器的工作原理及功能，同时也培养了我自主学习和探讨的能力。实验三 模拟机设计实验目的：（1）掌握微程序执顺序强制改变的原理；（2）掌握机器指令与微程序的对应关系；（3）掌握机器指令的执行流程；（4）本实验提供了五条机器指令，编写了相应的微程序，并调试验证，形成整机概念；实验原理：模型机在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令的功能。这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU 从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一段微程序。本实验采用五条机器指令： IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），其指令格式如下（前位为操作码）：助记符 机器指令码 说 明IN 0000 0000 “INPUT DEVICE”中的开关状态 ROADD addr 0001 0000 二进制加法 R0+addr R0STA addr 0010 0000 存数 RO addrOUT addr 0011 0000 输出 addr LEDJMP addr 0100 0000 无条件转移 addr PC其中IN 为单字长（位）指令，其余为双字长指令，为addr 对应的二进制地址码。模型机数据通路图根据模型机的数据通路图和指令的要求定义微代码如下：微代码定义微程序24212019181716151312109761控制信号S3S0MCNRDM17M16ABPuA5uA0A、B、P字段A字段B字段P字段151413控制信号121110控制信号987控制信号000000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPC表中A5A0 为6 位后续微地址，A、B、C 为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位。P 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。B 字段中的RS-B、RD-B、RI-B 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R0、R1 及R2 的选通译码。A 字段中的LDRI 为从输入设备组件中读入数据使能控制信号。 系统涉及到的微程序流程如图所示，这里“取指”是公用微指令，为了能确定不同机器指令有各自不同的微程序转向，我们在这里以指令寄存器的前位（IR7IR4）作为测试条件，引入了P（1）指令测试字段，如此，对于五条机器指令，就可以有五路P（1）测试分支，对于每一指令分别予以微程序解释。由微程序流程图中可以看到，在执行机器指令IN的时候要执行三条微指令：01、02和10，每个微指令需要一个CPU周期来执行，所以执行一条机器指令IN需要三个CPU周期。微程序流程图二进制代码表微地址S3 S2 S1 S0 M CN WE M17 M16ABPA 5A0000 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 01 0 00 1 0 0 0 0010 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 0020 0 0 0 0 0 0 0 11 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 0030 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0040 0 0 0 0 0 0 0 10 1 10 0 00 0 00 0 0 1 0 1050 0 0 0 0 0 0 1 10 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 0061 0 0 1 0 1 0 1 10 0 11 0 10 0 00 0 0 0 0 1070 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 1 1 0 1100 0 0 0 0 0 0 0 00 0 10 0 00 0 00 0 0 0 0 1110 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 1120 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 1 1 1130 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 1 1 1 0140 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 1 1 0150 0 0 0 0 0 1 0 10 0 00 0 10 0 00 0 0 0 0 1160 0 0 0 0 0 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 1 1 1 1170 0 0 0 0 0 0 0 10 1 00 0 00 0 00 1 0 1 0 1200 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 0 1 0210 0 0 0 0 0 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 1 0 0220 0 0 0 0 0 0 0 10 1 00 0 00 0 00 1 0 1 1 1230 0 0 0 0 0 0 1 10 0 00 0 00 0 00 0 0 0 0 1240 0 0 0 0 0 0 0 00 1 00 0 00 0 00 1 1 0 0 0250 0 0 0 0 1 1 1 00 0 01 0 10 0 00 0 0 0 0 1260 0 0 0 0 0 0 0 11 0 10 0 01 1 00 0 0 0 0 1270 0 0 0 0 1 1 1 00 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 0300 0 0 0 0 1 1 0 10 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 0实验内容： （1）选择实验设备，将所需要的组件从组件列表中拖到实验设计流程栏中 （2） 搭建实验流程：根据模型机连线图9,将已选择的组件进行连线.或者也可以在系统的菜单栏中选择“实验”,再选择“模型机实验”即可。 （3） 输入机器指令:选择菜单中的“工具”，再选择“模型机调试”，在指令输入窗口中输入如下指令：00000000000100000000100100100000000010110011000000001011010000000000000000000001然后点击“输入”按钮，即可将程序输入到内存中，如图所示地址(二进制)内容(二进制)助记符说 明0000 00000000 0000IN将输入数据送R0寄存器0000 00010001 0000ADD 0AHRO+0AHR00000 00100000 1010地址0000 00110010 0000STA 0BHR00BH0000 01000000 1010地址0000 01010011 0000OUT 0BH0BHLED0000 01100000 1011地址0000 01110100 0000JMP 00H00HPC0000 10000000 0000跳转地址0000 10100000 0001加数，可自定0000 1011求和结果保存在0B单元中 （4）这里做的是个加法运算，第一个加数已经存入到内存的0000 1010单元中，第二个加数是需要手工输入的。在实验运行面板中打开电源开关,选择“输入”芯片，设置输入的数据后，双击连接“输入”芯片的单脉冲，这样第二个加数就设置好了。 （5）模型机有两种运行方式，一种是在实验面板中运行，一种是在模型机调试窗口中运行：在实验面板中双击单脉冲模型机即执行一个时钟（一条微指令的执行需要4个时钟），在实验面板中双击连续脉冲模型机则会按一个时钟接一个时钟的连续的执行直到关闭电源。在模型机调试窗口中运行：在模型机调试窗口中点击“指令执行”选项卡，在模型机调试窗口中点击“下一时钟”，模型机机执行到下一个时钟，点击“下一微指令”，模型机机执行到下一个微指令，点击“