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组成原理实验指导书 计算机组成原理实验指导书基于TDS-CE+试验仪张少白孔祥玉编济南大学信息学院硬件与接口实验室xx年9月目录一概述.1二常用数字集成电路.2三TDS-CE+的结构及使用中的注意事项.9四运算器组成实验13五半导体存储器实验5六数据通路与故障分析实验.6七指令系统设计实验7八微程序控制器设计实验.8九模型机的设计.9-1-实验和课程设计指导书本章首先介绍了实验中可能用到的一些数字IC器件，随后详细介绍了运算器实验、半导体存储器实验、数据通路与故障分析实验、微程序控制器组成实验、CPU组成与指令周期执行实验等，模型机的设计与调试作为课程设计。 一概述通过该实验课的学习，你能够培养自己分析问题和解决问题的能力，并增强你的实践和动手能力。 在教学中明确地提出具体的要求和目标，并有计划地去实现这些目标。 完成本实验课的教学内容后，要达到的目标是:进一步融会贯通教材内容，掌握计算机各功能模块的工作原理、相互联系和来龙去脉，完整地建立计算机的整机概念。 培养学生的独立工作能力，在实践活动中，综合运用所学知识，积累经验，增长才干。 培养严谨的科研作风，使学生利用已学过的理论知识和实验技能，创造性地完成部件及系统的分析、设计、组装和调试，进一步加强实验技能的训练。 实践性教学环节分为以下两个过程进行:1组成原理实验组成原理实验重点是学习知识，实验内容与理论教学紧密配合，作为课程教学计划的一部分共安排五个基本实验: (1)运算器组成; (2)半导体存储器组成; (3)数据通路组成与故障分析; (4)指令系统设计实验; (5)微程序控制器组成实验；每个实验安排2到3节课的时间。 2课程设计课程设计是在本课程结束后安排的一次大型实践性教学环节，侧重于能力培养，时间相对集中。 要求学生自行设计自行组装调试一台8位字长、至少7条指令组成的模型计算机，并达到程序能正确运行的水平。 课程设计可真正给学生创造一次亲自动手实践的机会，使其动手能力得到较大的提高。 -2-二常用数字集成电路本节从使用的角度介绍一些实验电路中用到的以及课程设计时可能要选择的一些中大规模数字功能器件。 一逻辑门电路常用的芯片有两输入四与非门（74LS00）、六位反向器（74LS04）、两输入四与门（74LS08）、四输入两与非门（74LS20）等。 图1和表1给出了以上部件的逻辑图。 二译码器常用的译码器有双2:4译码器(74LS139，74S139)、3:8译码器(74LS138，74S138)、4:16译码器(74LS154)和4:10译码器(74LS42)等。 图2给出了两种译码器的引脚图，表3表4分别列出了74LS138，74LS139的功能表，74LS139在一个芯片中有两个完全独立的2:4线译码器，工作原理与3:8线译码器类似，注意两个芯片都有自己的工作使能端。 74LS00A B0001101174LS08A B0001101174LS2074LS041A Y1110Y A B C D011110ABCD中任一个或几个为01表1各种门电路功能Y0Y0110101A11B21Y32A42B52Y6GND714VCC133A123B113Y104A94B84Y1A11A11Y22A32Y43A53Y6GND714VCC134A124Y115A105Y96A86Y1A11A11B2空31C41D51Y6GND714VCC132A122B11空102C92D82Y1A1图1各种门电路管脚74LS00/0874LS0474LS20-3-使能输入G1G2A G2B C1010选择输入B X0输出Y4Y3Y2Y1Y01111111101111111A X0Y7Y6Y50X0000101001110010111011110111111110111111110111111110111111110111111110111111110使能输入G选择输入B A输出Y1Y0Y3Y21X X11110000110110111101111011110表374LS138功能表表474LS139功能表图2译码器引脚图1Y15LS13974LS13892Y3102Y2112Y1122Y0132B142A152G16VCCGND81Y371Y261Y041B31A21G19Y610Y511Y412Y313Y214Y115Y016VCCGND8Y771G6G2B5G2A4C3B2A1-4-三总线收发器和驱动器1三态输出八缓冲器/单向总线驱动器三态输出八缓冲器/单向总线驱动器(74LS240，74LS244)常用作缓冲器、总线驱动器等，其引脚如图3所示。 其中，74LS240为反码输出，74LS244为原码输出。 1G和2G各控制4个三态门，对74LS240有如下逻辑关系:当1G=0时，Yi=Ai(i=1，2，3，4)，当G=1时，Yi呈高阻抗。 对74LS244，当G=0时，Yi=Ai，当G=1时，Yi呈高阻抗。 142三态输出双向八总线收发器三态输出双向八总线收发器74LS245，如图4所示。 主要用来驱动数据总线，数据可以由A端到B端，也可以由B端到A端，由方向控制端DIR的逻辑电平而定。 G是使能控制端，器逻辑功能见表5。 图374LS240/244引脚图12345678910VCC2G1Y12A41Y22A31Y32A21Y42A12019181716151312111G1A12Y41A22Y31A32Y21A42Y1GND74LS240/244VCC GB1B2B3B4B5B6B7B82019181716151413121112345678910DIR A1A2A3A4A5A6A7A8GND图474LS245双向八总线收发器引脚图74LS245-5-使能G方向控制DIR001数据传送方向B AB A隔开00X四计数器计数器有同步计数器和异步计数器之分，在计算机中多为同步计数器。 74LS163为正沿触发的带同步清除端的四位二进制计数器，74LS161是正沿触发的带异步清除端的四位二进制计数器，这两种计数器均可予置任何数据，然后在此基础上开始对脉冲进行计数。 图5是这两种计数器的引脚图，其逻辑功能见表6和表7。 输入输出CLK CLRLD PT QA QB QC QDX?X X0XXX10XX1111110X11X00000ABCD计数不计数不计数表574LS245功能表674LS161功能12345678VCC CYQAQB QCQDT LD161514131211109CLR CLKABCD P GND74LS161/163图574LS161/163引脚-6-四寄存器1带清除端的D型触发器带清除端的D型触发器在单片封装的有4D(74LS175)，6D(74LS174)和8D型(74LS273)。 它们共同的特点是，在时钟脉冲的上升沿D输入信号被送到Q输出，当时钟输入为高电平或者低电平时，D输入端的信号不影响输出。 每个触发器的逻辑功能如表8所示，引脚图如图6所示。 输入输出QCLR CLKD0XX1?11?001X010不变输入输出CLK CLRDPT QAQBQCQD0XX?X X X10XX1111110X11X00000ABCD计数不计数不计数表774LS163功能表表8带清除端的触发器-7-28D锁存器和8D正沿触发寄存器74LS373是8D锁存器，74LS374是8D正沿触发器，它门都带有三态门输出，由OE端控制，可以直接与系统总线接口。 特别适合用作缓冲寄存器、I/O通道、双向总线驱动器和工作寄存器。 74LS373和74LS374的引脚如图7所示。 对74LS373，当使能端(G)为高电平时，Q的输出随输入(D)而变，当G为低电平时，Q输出已锁存的数据，逻辑功能如表9所示。 对74LS374，在时钟正跳变时，Q输出D输入端已建立的逻辑电平，其逻辑功能如表10所示。 38位通用移位寄存器8位通用移位寄存器(74LS299)具有以下四种工作模式:并行置数、左移、右移、保持(寄存)数据。 它可以用作累加寄存器、缓冲寄存器、栈式寄存器，在进行硬件12345678CLR1Q1Q1D2D2Q2Q GNDVCC4Q4Q4D3D3Q3Q CLK16151413121110974LS175VCC6Q6D5D5Q4D4Q CLK123456716151413121110CLR1Q1D2D2Q3D3Q GND74LS174图674LS174/175/273引脚图VCC8Q8D7D7Q6Q6D5D5Q CLR1234567891020191817161514131211CLR1Q1D2D2Q3Q3D4D4Q GND74LS273-8-一位乘/除法时，还可以用作乘数/商、部分积/被除数寄存器。 输入D输出Q OEG0001110X10X X10不变Z表974LS373功能输入输出OE CLKD Q00010/1X10XX10不变Z表1074LS374功能VCC8Q8D7D7Q6Q6D5D5Q GOE1Q1D2D2Q3Q3D4D4Q GND201918171615141312111234567891074LS373/374图774LS373/374引脚图-9-三TDS-CE+的结构及使用中的注意事项同学们在以往的学习过程中，动手做过的实验较少，特别是电子电路实验可能更少，因此，好多同学在做实验的时候往往感到无从下手的感觉，在实验的过程出现错误，也不知该从哪里寻找错误的原因。 为了使同学们在实验的过程中更加有针对性，能够比较熟练的使用本实验仪，本章将对实验仪的基本构造做一些阐述，在后继的实验说明中，也会陆续的提到一些实验仪的结构和使要注意事项。 另外，为了避免在实验的过程中对实验仪造成一些不必要的损坏，强烈建议你阅读下面的文字。 一基本结构及安全相关每个实验仪有一个箱式的外壳，打开箱盖之后，你会首先看到一个绿色的印刷电路板，上面分布大量芯片，电路板的右下角有一片白色的区域，这片白色的区域被称为面包板，这两部分就构成我们做实验的平台。 1电源在印刷电路板的左侧，放有一个市电插头，试验仪工作之前，必须事先将该插头插到实验台的插座上。 实验的过程中，同学们务必注意，不要将实验用的电线乱扔乱放，万一扔进插座之中，可能导致你或他人的电击，或者造成短路，引起火灾等。 打开实验仪左上角的开关，实验仪便通电了，此时，实验板左上角有一个电源指示灯就会点亮，此时，试验仪上其余的指示灯有的点亮，有的熄灭，或者全部熄灭，这都是正常的。 此时，实验板上面的电路的工作电压都在36V DC以下，即为安全电压，即你触摸电路板是不会有电击危险。 但是，在实验的过程中，不要将实验用的电线放在该试验板上，因为这样可能会使试验板上的电路短路，损坏实验仪。 此外，实验的过程中，不要频繁的开关实验仪，因为，所有电子元件烧毁，大多在开机通电时的瞬间，电流冲击造成的（如照明灯泡的损坏），除非你觉得非常有必要重新给试验仪上电，开关的间隔时间也一定要大于5秒钟。 在实验的过程中，若实验仪上的指示灯，特别是左上角的电源指示灯，开始频繁的闪烁（2HZ左右），有时还伴有尖锐的嘶鸣声，这表示实验仪内部的ACDC转换器出现故障，此时，请立即关掉电源，请老师处理，否则，在故障的条件下，通电时间不超过1分钟，ACDC转换器的损伤就可能是不可恢复的了。 2面包板-10-面包板用于在实验的过程中插接额外的芯片，与实验板上的集成电路共同搭建实验电路。 请你观察实验仪上的面包板，你会发现面包板有两片构成，这两片之间没有任何的电气连接关系，即为完全绝缘的。 每一片的结构如图所示图8面包板结构每片中间的横槽把面包板分成了两部分，这两部分之间没有任何电气连接关系。 每一部分有两个区域，竖排2个孔，横排50个孔的区域中，50个空全部为相互连通的，而竖排不连通的；竖排5个孔，横排50个孔的区域中，竖排5个孔相互连通的，而横排是不连通的。 在做实验的过程中，将电路芯片横跨到面包板中间的大槽上，这样，芯片上每个管脚就对应着一列中5个孔，需要王某个管脚上接线，只需往此管脚所在的列中插线即可。 面包板使用中须注意，芯片和电线必须可靠的插到面包板的小孔中，否则容易接触不良，芯片往面包板中插的时候，必须要小心仔细，确保芯片上所有的管脚都对准自己的小孔，然后再用力压下，否则，非常容易损坏芯片。 二系统功能1单元电路系统采用单元电路结构，可高效的进行各单独部件的组成实验，同时，对于系统实验，可灵活的在单元电路的基础上灵活组态实现。 这样，我们就可把精力主要放在组成实验硬件设计和调试的过程中，从而避免了把大量精力和课时用于连线和反复查线上。 -11-3电路连接方式系统采用总线结构，各总线（数据总线、地址总线和控制总线）均以插针和圆形插座形式引出，完全开放给用户使用，插座以排线的形式连接。 4E2PROM存储器系统采用E2PROM存储器作为微程序存储器，从而具有断电保护功能。 5运算器和微指令格式系统中运算器和结构和微指令的格式均可由用户在实验的过程中自由定义和设计。 三系统配置项目内容数量项目内容数量运算器74LS1812信号源5551通用寄存器74LS273274LS123174LS3743电位器2存储器SRAM61161编程开关8位DIP开关3指令寄存器74LS2731通用开关二进制拨动开关22程序计数器74LS1612显示灯发光二极管70时序发生器74LS1751机内电源5V、12V174LS741面包板两片2启停控制器拨动开关2微动开关E2PROM28162控制存储器3微指令寄存器74LS273274LS1751微地址寄存器74LS743-12-电源开关运算器单元yunsuanqi图9实验仪布局图通讯单元信号源面包板存储器单元开关和指示灯单元总线单元指令寄存器单元时序发生单元微程序控制器单元-13-四运算器组成实验 一、实验目的 (1)掌握算术逻辑运算单元（ALU）的工作原理 （2）熟悉简单运算器的数据传送通路； （3）验证4位运算功能发生器（74LS181）的组合功能； （4）按给定数据，完成几种指定的算术/逻辑运算。 二、实验电路请参照本书后附页数据通路图，两片74LS181构成了按并串型8位字长的ALU，两个8位字长的寄存器DR1和DR2作为暂存工作寄存器，保存参与运算的数据或运算结果。 ALU的输出通过三态门74LS245发送到数据总线BUS7BUS0上。 实验台操作板上的八个发光二极管显示灯接在数据总线BUS上，可以显示运算结果或输入的数据。 参与运算的数据可数据开关通过另一个三态门74LS245输入到BUS总线上，并可送至DR1或DR2暂存工作寄存器。 输入数据可由实验抬操作面板上的八个二进制数据开关状态来设置。 本次实验中，T4脉冲信号连接到实验仪操作面板的T4信号插孔上，将实验仪上TJ按钮拨到RUN，DP按钮拨到EXEC，按动一下QD，T4便可产生连续的时钟脉冲。 而S3，S2，S1，S0，M，Cn，LDDR1，LDDR2，BUSALU?，BUSSW?各电位控制信号用二进制数据开关来模拟，其中Cn,BUSALU?，BUSSW?为低电平有效。 三、实验设备 （1）TDS-CE+计算机组成原理实验仪一台 （2）74LS08一片 （3）导线若干 四、实验任务 （1）按图10所示，连接运算器模块与实验仪操作面板上的线路。 由于运算器模块内部的连线已由印制线路板连好，故接线任务仅仅是完成显示灯、数据开关、控制信号模拟开关、时钟脉冲信号T4与运算器模块的外部连线。 -14- (2)用二进制数码开关向DR1和DR2寄存器置数。 关闭ALU输出三态门（ALU-BUS=1），开启输入三态门（SW-BUS=0），设置数据开关状态，观察显示灯状态是否与数据开关状态一致。 向DR1存入01010101，向DR2存入10101010。 关闭输入三态门，开启ALU输出三态门，通过显示灯分别验证DR1和DR2中的内容是否为第步的内容。 在表12中填入控制信号状态与BUS显示状态。 表12寄存器内容BUS_ALUBUS_SW S3S2S1S0M BUS显示内容DR1 （01010101）DR2 （10101010）验证74181的算术运算和逻辑操作功能。 给定了寄存器DR1和DR2的数据，要求根据此数据，将理论分析值事先填入表13中，然后与实验结果值进行比较（采用正逻辑）。 表14列出了八种常用的算术运算与逻辑运算。 表14S3S2S1S0算术运算（M=0）Cn=1（无进位）逻辑运算（M=1）Cn=0（有进位）A加1A+B加1A+B加1减1加1A加AB加1(A+B)加AB加1A减B减1加1A+B AB减1加1A加AB加1A加B加1(A+B)加AB加1AB减1加1A加A乘2加1逻辑1(A+B)加A加1A+B(A+B)加A加1A+B A减1加10000A0001A+B0010A+B0011减10100A加AB0101(A+B)加AB0110A减B减10111AB减11000A加AB1001A加B1010(A+B)加AB1011AB减11100A加A乘21101(A+B)加A1110(A+B)加A1111A减1A BA?AB逻辑0AB B AB A+B BA?BABA-15- 五、实验要求作好实验预习，掌握运算器的数据传送通路和ALU的功能特性，并熟悉本实验中所用的模拟开关的作用和使用方法。 写出实验报告，理论分析值与实验结果值；图10实验接线图数据通路参见书后附页。 -16-四半导体存储器原理实验 一、实验目的说明静态随机存储器RAM的工作特性及使用方法；说明半导体存储器怎样存储和读出数据； 二、实验电路图11所示为实验电路图接线图，数据通路请参照本书后附页。 这里使用了一片6116静态RAM（2048*8），但地址输入端A8-A10脚接地，因此实际使用存储容量为256字节。 使用一片8位的74LS273做为地址寄存器（AR）。 使用了两组发光二极管显示灯一组显示存储单元的地址，另一组显示写入存储单元的数据或从存储单元读出的数据（即总线指示灯）。 写入的数据由实验台操作板上的二进制开关设置，并经过输入三态门74LS245发送到数据总线BUS7BUS0上。 存储器片选端CE接入一模拟开关。 当CE=0时，RAM被选中，可以进行读/写操作；反之当CE=1时，RAM未被选中，不能进行读/写操作。 6116有两个命令控制端WE（写命令）和OE（读命令）。 本实验中将OE端固定接地电平。 在此情况下，当CE=0，WE=1时，存储器进行写操作；而当CE=0，WE=0时，存储器进行读操作。 写命令WE的脉冲宽度受时间因素（T3脉冲宽度）的制约。 T3可接入实验仪操作面板上响应的插孔中，其脉冲宽度可以调节。 存储单元的地址有地址寄存器AR提供，而AR的内容则由数据开关的状态来设置，并经输入三态门发送到数据总线时被AR接收。 图中的电位控制信号BUS-SW，CE，WE和LDAR由实验台操作板上的二进制开关来模拟，前两个信号低电平有效，后两个信号为高电平有效。 LDAR与T3脉冲配合将数据总线上的地址信息打入到AR中。 三、实验设备TDS-CE+计算机组成原理实验仪一台 （2）芯片若干 （3）导线若干 四、实验任务按图11所示接好实验台操作板上数据开关、显示灯、信号源、控制信号模拟-17-开关的线路。 接好线路以后，仔细复查一遍，然后接通电源。 向存储器的一段内存空间写入一些数，然后读出验证，看和写入的书是否一致。 五、实验要求做好实验预习，掌握6116型RAM存储器的功能特性和使用方法。 写出实验报告。 图11实验接线图-18-五数据通路组成与故障分析实验 一、实验目的将运算器模块与存储器模块联机；进一步熟悉计算机的数据通路；掌握数字逻辑电路中故障的一般规律，以及排除故障的一般原则和方法；锻炼分析问题与解决问题的能力，出现故障时，独立分析故障现象，并排除故障。 二、实验电路本实验的电路图即连接图10和图11中的所有连线，就是将前面进行的运算器实验模块和存储器实验模块两部分电路通过总线连接到一起形成的。 由于RAM是三态门输出，因而可以将RAM连接到运算器的数据总线BUS上。 这样，写入RAM的数据可以由运算器提供，而从RAM读出的数据可以送到运算器的暂存工作寄存器保存。 除了T3，T4两个脉冲信号外，其他电位控制信号仍由实验台操作板上的二进制开关来模拟。 其信号含义与前两个实验相同。 三、实验设备 （1）TDS-CE+计算机组成原理实验仪一台 （2）芯片若干 （3）导线若干 四、故障的分析与排除数字电路中难免要出现这样或那样的故障。 有了故障迅速加以诊断并排除，使电路正常运行，这是实际工作中经常遇到的事。 因此，学会分析线路故障，提高排除故障的能力，是很有必要的。 就数字电路的故障性质而言，大体有两类；一类是由于设计中的错误或不当造成的；另一类是由于元件损坏或性能不良造成的。 针对本实验仪的常见故障及解决办法故障现象数据开关的状态不能送到总线数据指示灯可能的故障原因-19-BSW?信号连接不良BSW?开关状态不对BSW?开关损坏没有连接数据开关三态门至总线的数据线、多个数据同时在总线（数据开关、运算器输出、RAM读出数据、通用寄存器读出数据、指令寄存器读出数据）故障现象数据开关的状态能送到总线数据指示灯，但不能对应可能的故障原因数据开关三态门至总线的数据线高低位对应错误数据开关三态门至总线的数据线只连接了7位或更少数据开关三态门至总线的数据线中的某一位线或某几位线连接不牢靠多个数据同时在总线（数据开关、运算器输出、RAM读出数据、通用寄存器读出数据、指令寄存器读出数据）八个数据开关中，某一个或某几个损坏故障现象地址不能写入地址寄存器（地址指示灯指示）可能的故障原因LDAR开关连接不良LDAR开关状态不对LDAR开关损坏相关的74LS08连接有误（电源连接或输入输出连接错误）相关的74LS08损坏故障现象RAM中写入和读出的数据不相同可能的故障原因WE开关连接不良WE开关状态不对WE开关损坏相关的74LS00连接有误（电源连接或输入输出连接错误）相关的74LS00损坏故障现象总线指示灯中，有的灯指示亮度不对，处于亮与不亮的中间状态，或者有的灯处于常亮或常灭的状态。 可能的故障原因-20-指示亮度不对，原因是有多个数据同时在总线。 （可以输出到总线的数据有数据开关、存储器、PC、R 0、ALU）灯处于常亮或常灭的原因多为实验仪故障，请找老师协助处理。 故障现象不能将微地址写入到微地址寄存器可能的故障原因时序连接不对TJ、DP和PROM开关位置不对错误的将CLR、SWE、SRD拨到了0的位置微地址连接导线错误，或连接不良DD5应该接地，SE6因该接高电平两片74LS20接线有错误，或者接触不良实验仪损坏，请找老师协助处理。 故障现象CM中写入和读出的数据不同可能的故障原因时序连接不对TJ、DP和PROM开关位置不对错误的将CLR、SWE、SRD拨到了0的位置请连续按脉冲写入几次，然后将PROM拨至READ位置，若正确，则继续写入下一个地址。 实验仪损坏，请找老师协助处理。 故障现象在RUN状态，CLR不能清零可能的故障原因时序连接不对TJ、DP和PROM开关位置不对错误的将SWE、SRD拨到了0的位置DD5应该接地，SE6因该接高电平两片74LS20接线有错误，或者接触不良故障现象在单步状态，PC不能自加1，或高位加1，或者次低位加1，或者加2。 可能的故障原因时序连接不对-21-少连接了排线，或者漏针，或者高低位接反微指令错误，或者漏接LOAD信号和CLK7连接的74LS08连接错误，或连接不良错误的将CLR、SWE、SRD拨到了0的位置故障现象在单步状态，机器不按照设计的流程运行可能的故障原因时序连接不对TJ、DP和PROM开关位置不对错误的将CLR、SWE、SRD拨到了0的位置两片74LS20接线有错误，或者接触不良微指令有错故障现象在单步状态，取指、译码后，运行指令跳转错误可能的故障原因时序连接不对TJ、DP和PROM开关位置不对错误的将CLR、SWE、SRD拨到了0的位置两片74LS20接线有错误，或者接触不良微指令有错指令有错指令没有写入到指令寄存器IR 五、实验任务排除实验电路中的故障。 由指导教师预先在实验电路中设置一两个人为故障（例如使用坏集成电路片子），不说明故障位置。 学生在进行下面的实验任务时必须先排除电路中的故障，然后才能完成以下指定的实验任务。 向存储器中写入两个数据。 将两个数分别读出，进行一个运算。 将运算结果写回到存储器的第三个单元中。 再将结果独处，看是否写入正确。 六、实验要求-22-做好实验预习和准备工作，掌握实验电路的数据通路特点和集成电路的功能特性。 写出实验报告，内容为实验目的；记录故障现象，排除故障分析思路，故障定位及故障的性质；实验数据记录；值得讨论的其他问题。 六指令系统设计实验 一、实验目的 （1）掌握指令系统设计原理。 （2）掌握指令执行过程。 二、实验设备 （1）TDS-CE+计算机组成原理实验仪一台 （2）芯片若干 （3）导线若干 三、实验电路STATE单元可产生4个等间隔的时序信号T1-T4，实验台左上方的方波信号源可产生频率及脉宽可调的方波信号，我们可根据实验自行调节方波信号的频率及脉宽。 为了便于控制程序的运行，时序电路发生器设置了一个启停控制触发器，产生可控的节拍脉冲信号T1-T4。 图中DP(单步)、TJ（停机）分别实验板上方中部的两个二进制开关DP和TJ。 QD实验板上方中部的一个微动按键QD。 当TJ置为RUN，DP置为EXEC，按下启动键QD，此时时序信号T1-T4将周而复始的发送出去。 当DP为STEP时，按下启动键，机器将处于单步状态，即此时，时序电路将只发送一个CPU周期的时序信号。 -23-将时序电路的TJ开关置为“RUN”，DP开关置为“EXEC”，按动QD按键，我们可以得到如下的波形。 T1T2T3T4CPU周期当将“DP”开关置为“STEP”位置时，每次按动QD按键，T1，T2，T3，T4将只产生一个单脉冲，但四个脉冲在时序上和上图一样。 请参照本书后的数据通路图，实验中用到的主要单元电路包括存储器、程序计数器和指令寄存器。 存储器的原理和使用方法，大家在前面的实验中已经熟悉了，重点介绍一下程序计数器和指令寄存器。 程序计数器由两个74LS161构成，是一个八位加法计数器，用于在程序运行的时候，PC+1指向下一条指令的地址。 在实验中，需要将程序的首址写入到PC中，首先，在数据开关上置好首地址，送至总线，LOAD=0，LDPC=1，在脉冲的作用下，首址即被写入到PC中；若想PC+1，LOAD=1，LDPC=1，在脉冲的作用下，即可；对PC没有任何操作时，LOAD=1，LDPC=0。 PC中的内容若想输出至总线，只要使BPC?=0即可。 指令寄存器为一片普通的74LS273，LDPC=1，在脉冲的作用下即可将总线上的数据写入到指令寄存器。 实验接线图如图12所示，除去图中的连线，其余个部分的连线在实验仪上已经做好了。 实验中注意，将TJ开关至RUN，DP开关至STEP。 -24-0000000100000010000000110000010000000101 四、实验步骤 （1）设计指令系统。 为教学中简单明了，本实验机仅使用五条机器指令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（后3位为操作码）IN R0（操作数R0默认）ADD R0,（直接寻址）STA R0,（直接寻址）OUT R0,JMPIN为单字长（8位）指令，其含义是将数据开关上的8位数据输入到R0寄存器。 ADD为双字长指令，第一字为操作码，第二字为操作数地址，其含义是将R0寄存器的内容与内存中以第二字为地址单元的数相加，结果放在R0。 STA为双字长指令，含义是将R0中的内容存储到以第二字为地址的内存单元中。 OUT为双字长指令，含义是将内存中以第二字为地址的数据读出到数据总线上，由数据显示灯进行显示。 JMP为双字长指令，执行这条指令时，程序无条件转移到第二字所指定的内存单元地址。 应当指出，用以上五条指令来编写程序是远远不够的。 但是我们的主要目的不是程序设计，而是为了教学。 （2）编写一小段程序。 举例内存地址内存内容00H00000001（IN）01H00000010（ADD）02H00001011-25-03H00000011（STA）04H0000110005H00000100（OUT）06H0000110007H00000101（JMP）08H0000000009H00000000(代码段和数据段中间的单元)0AH00000000(代码段和数据段中间的单元)0BH（加数）0CH（运算结果）0DH0EH （3）将 （2）中的程序写入到内存。 首址送至PC PC送至AR PC+1写入指令CE=1WE=0LDAR=0LDPC=1LOAD=0BPC?=1LDIR=0BSW?=0CE=1WE=0LDAR=1LDPC=1LOAD=1BPC?=0LDIR=0BSW?=1CE=0WE=1LDAR=0LDPC=0LOAD=1BPC?=1LDIR=0BSW?=0-26- （3）取指。 首址送至PC PC送至AR PC+1取指令至IR CE=1WE=0LDAR=0LDPC=1LOAD=0BPC?=1LDIR=0BSW?=0CE=1WE=0LDAR=1LDPC=1LOAD=1BPC?=0LDIR=0BSW?=1CE=0WE=0LDAR=0LDPC=0LOAD=1BPC?=1LDIR=1BSW?=1测试译码，运行该指令。 （该过程省略）-27-图12指令系统设计实验接线图-28-10100000六微程序控制器设计实验 一、实验目的掌握微程序控制器的工作原理。 二、实验设备 （1）TDSCE+实验仪一台 （2）导线若干 三、实验原理将PROM开关拨至PROM位置，在脉冲的作用下，可以将24位的微指令写入到CM中微地址指定的单元，在READ位置可以将微地址指定的单元中的微指令读出来，在指示灯上指示，用以确认你是CM中的内容和你写入的是否一样。 在RUN位置可以运行程序。 CM掉电不丢失。 四、实验内容1设计指令系统写一小段程序。 上述五条指令的微程序设计如图15所示，五条指令对应五个微程序。 每条微指令可按前述的微指令格式转换成二进制代码，然后写入到EPROM中。 为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，还设计了以下三个控制台操作微程序（见图15下部）存储器写操作（KWE）按下总清按钮CLR后，微指令寄存器全部清“0”，因而微地址寄存器状态为00000。 此时SWE开关强置A4为“1”（见图14），微地址寄存器变为10000（八进制为20），从而可对RAM连续进行手动写入。 五、实验步骤 (1)将图15所示的全部微程序按微指令格式变换成二进制代码，并列表登记。 列表时最好按微程序分类加以记载，以便与实验结果做对照。 这段工作应在实验预习阶段完成。 (2)连接实验台的数码开关、控制开关、按钮开关、显示灯、时钟信号源。 注意本次实验只做微程序控制器本身的实验，故微程序控制器的微命令信号与执行部件（运算器和RAM）的连线暂不连接。 连线完成后应仔细检查一遍，然后才可以加上电源。 （3）微程序编程A将编程开关置为PROM状态B将实验板上的“STATE UNIT”的DP置为STEP，TJ置为RUN。 C将置位端SE 4、SE 5、CLR，全部置为高电平。 D置微地址（在SW-LED UNIT的右下角）。 E在DIP 2、DIP 3、DIP4开关（在MICRO CONTROLLERUNIT的上方）置微指令。 -29-F启动时序电路（按动启动健QD），就将微指令置入CM中的相应地址单元。 G重复D、E、F，将所有微指令写入 （4）微程序校验A将编程开关置为READ。 B将实验板的DP开关置为STEP，TJ置为RUN。 C置微地址D按动QD读出微指令，验证读出的微指令和写入的是否相同，如有不同，请重新将该指令写入。 E重复CD (5)观察微程序控制器的工作原理。 将MICRO CONTROLLER的机器运行状态开关置为RUN状态，揿动实验台CLR按钮先置为0，再置为1，此时微地址寄存器A将清“0”，从而给出取指微指令的入口微地址为00000（二进制）。 用单步（DP）方式读微指令，现将色SE1-SE5置为1，每按一次启动（QD）按钮，则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微指令。 可将此显示代码与实验任务 （1）所制定的表格加以对照验证。 注意，在当前条件下由于指令寄存器IR的内容为随机状态，因此P （1）测试的结果，下一条微指令可能转向ADD，JMP，IN，OUT，STA五条指令的任何一个分支上去。 为此可通过A的强置端人为设置分支地址。 例如，在执行完02后，将SE1和SE2置为0，在按动QD将跳至13，然后，在将SE1和SE2置1，就进入了STA指令。 .11.11.SW PC01010101010102.110.02.RD.11.P （1）11.02.12.02.02.12.13.02.14.02.15.02.IN.02.ADD STAOUT JMPPC+1BUS IRSW R0PC ARPC ARPC+1PC+1PC+1RD.11.PC ARPC ARBUS ARBUS ARBUS ARBUS PCBUS DR2R0DR1ALU R0+R0BUS RAMBUS SWPC PC+1PC+1PC ARPC AR030405060726232400202122101617RD.RD.11.RD.RD.11.RD.11.KWEWE.11WE.11RP.11.KRD PCAR，PC+1-30-实验接线图七一台模型计算机的设计与调试 一、实验目的-31-将微程序控制器模块同运算器模块、存储器模块联机，组成一台模型计算机；用微程序控制器控制模型机数据通路；通过CPU运行五条机器指令组成的简单程序，掌握机器指令和微指令的关系，牢固建立机器的整机概念。 二、实验电路本次实验用到前面四个实验中的所有电路，将几个模块组合成为一台简单计算机。 因此，在本教材安排的五个基本实验中，这是最复杂的一个实验，也是最能得到收获的一个实验。 在前三个实验中，我们实验者本身作为“控制器”，完成了数据通路的控制。 而在这一次实验中，数据通路的控制将由微程序控制器来完成。 CPU从内存取出一条机器指令到执行指令结束的一个指令周期，是由微指令组成的序列来完成的，即一条机器指令对应一个微程序。 三、实验设备TDS-CE+计算机组成原理实验仪一台芯片若干 四、实验任务连接实验台的数码开关、控制开关、按钮开关、显示灯、时钟信号源。 将微程序控制器的微命令信号同运算器、RAM的相应控制点进行连接（详见图13和图14）。 使用KWE和KRD微程序，在RAM的100110号单元（八进制）中依次装入由IN，ADD，STA，OUT，JMP五条指令组成的程序，如图16所示。 其中112号单元中的数自定，113号单元存放求和结果。 第一条指令IN设置的实验台数据开关自定。 揿动实验台CLR按钮，然后用“单步”方式执行RAM中的程序，注意观察微程序的流程和微地址的转移，并记录运算结果，与理论分析值相比较。 将实验台开关数据重新设置，用“连续”方式执行上述五条指令组成的程序，然后人工停机，检查RAM中第113号单元中的内容，与理论分析值相比较。 五、实验要求务必做好实验预习，做到头脑清醒，思路清晰，