计算机组成原理全部实验

计算机科学技术系 王玉芬 2012 年 11 月 3 日 计算机组成原理实验 自编讲义 2 基础实验部分基础实验部分 该篇章共有五个基础实验组成 分别是 该篇章共有五个基础实验组成 分别是 实验一实验一 运算器实验运算器实验 实验二实验二 存储器实验存储器实验 实验三实验三 数据通路组成与故障分析实验数据通路组成与故障分析实验 实验四实验四 微程序控制器实验微程序控制器实验 实验五实验五 模型机模型机 CPUCPU 组成与指令周期实验组成与指令周期实验 计算机组成原理实验 自编讲义 3 实验一实验一 运算器实验运算器实验 运算器又称作算术逻辑运算单元 ALU 是计算机的五大基本组成部件之 一 主要用来完成算术运算和逻辑运算 运算器的核心部件是加法器 加减乘除运算等都是通过加法器进行的 因 此 加快运算器的速度实质上是要加快加法器的速度 机器字长 n 位 意味着 能完成两个 n 位数的各种运算 就应该由 n 个全加器构成 n 位并行加法器来实 现 通过本实验可以让学生对运算器有一个比较深刻的了解 一 实验目的一 实验目的 1 掌握简单运算器的数据传输方式 2 掌握算术逻辑运算部件的工作原理 3 熟悉简单运算器的数据传送通路 4 给定数据 完成各种算术运算和逻辑运算 二 实验内容 二 实验内容 完成不带进位及带进位的算术运算 逻辑运算实验 总结出不带进位及带进位运算的特点 三 实验原理 三 实验原理 1 1 实验电路图实验电路图 图 4 1 运算器实验电路图 2 2 实验数据流图实验数据流图 图 4 2 运算器实验数据流图 3 3 实验原理实验原理 运算器实验是在 ALU UNIT 单元进行 单板方式下 控制信号 数据 时序信号由实 验仪的逻辑开关电路和时序发生器提供 SW7 SW0 八个逻辑开关用于产生数据 并发送 到总线上 系统方式下 其控制信号由系统机实验平台可视化软件通过管理 CPU 来进行 控制 SW7 SW0 八个逻辑开关由可视化实验平台提供数据信号 1 DR1 DR2 运算暂存器 2 LDDR1 控制把总线上的数据打入运算暂存器 DR1 高电平有效 3 LDDR2 控制把总线上的数据打入运算暂存器 DR2 高电平有效 4 S3 S2 S1 S0 确定执行哪一种算术运算或逻辑运算 运算功能表见附录 1 或者课本第 49 页 5 M M 0 执行算术操作 M 1 执行逻辑操作 6 CN CN 0 表示 ALU 运算时最低位加进位 1 CN 1 则表示无进位 7 ALU BUS 控制运算器的运算结果是否送到总线 BUS 低电平有效 8 SW BUS 控制 8 位数据开关 SW7 SW0 的开关量是否送到总线 低电平有效 四 实验步骤 四 实验步骤 实验前首先确定实验方式 是手动方式还是系统方式 如果在做手动方式实验则将方 式选择开关置手动方式位置 31 个开关状态置成单板方式 实验箱已标明手动方式和系 统方式标志 所有的实验均由手动方式来实现 如果用系统方式 则必须将系统软件安装 到系统机上 将方式标志置系统模式位置 学生所做的实验均在系统机上完成 其中包括 ALU DR1DR2 LDDR1 T4 LDDR2 T4 S1 S2 M0 S0 CN S3 计算机组成原理实验 自编讲义 6 高低电平的按钮开关信号输入 状态显示均在系统机上进行 下面实验以手动方式为例进 行 我们相信学生在手动方式下完成各项实验后 进入系统方式会变的更加得心应手 具体步骤如下 具体步骤如下 1 1 实验前应将实验前应将 MFMF OUTOUT 输出信号与输出信号与 MFMF 相连接 相连接 2 2 如果进行单板方式状态实验 应将开关方式状态设置成单板方式 同时将位于如果进行单板方式状态实验 应将开关方式状态设置成单板方式 同时将位于 EDAEDA 设计区一上方设计区一上方 P0KP0K 开关设置成手动方式位置 开关设置成手动方式位置 P1KP1K P2KP2K 开关位置均设置成手开关位置均设置成手 动方式位置 动方式位置 3 3 如果进行系统方式调试 则按上述方式相反状态设置 如果进行系统方式调试 则按上述方式相反状态设置 4 4 频率信号输出设置 在频率信号输出设置 在 CPU1CPU1 UNITUNIT 区有四个区有四个 f0 f4f0 f4 状态设置 在进行实验时应保状态设置 在进行实验时应保 证证 f0 f4f0 f4 四个信号输出只能有一个信号输出 及四个信号输出只能有一个信号输出 及 f0 f4f0 f4 只有一开关在只有一开关在 OnOn 的位置 的位置 5 5 不管是手动方式还是系统方式 不管是手动方式还是系统方式 3131 个按钮开关初始状态应为个按钮开关初始状态应为 1 1 即对应的指示即对应的指示 灯处于发光的状态 灯处于发光的状态 6 6 位于位于 UPCUPC UNITUNIT 区的区的 J1J1 跳线开关应在右侧状态 跳线开关应在右侧状态 说明 开关说明 开关 ALAL BUSBUS SWSW BUSBUS 标识符应为标识符应为 AL BUS SW BUS AL BUS SW BUS 注意事项 注意事项 ALAL BUSBUS SWSW BUSBUS 不能同时按下 因为同时按下会发生总线冲突 损坏器件 不能同时按下 因为同时按下会发生总线冲突 损坏器件 实验前把 TJ DP 对应的逻辑开关置成 11 状态 高电平输出 并预置下列逻辑电平 状态 ALU BUS 1 PC BUS 1 R0 BUS 1 R1 BUS 1 R2 BUS 1 时序 发生器处于单拍输出状态 实验是在单步状态下进行 DR1 DR2 的数据写入及运算 以 便能清楚地看见每一步的运算过程 实验步骤按表 1 进行 实验时 对表中的逻辑开关进行操作置 1 或清 0 在对 DR1 DR2 存数据时 按单次脉冲 P0 产生单拍 T4 信号 表 1 中带 X 的为随机状态 无论是高电平还是低电平 它都不影响运算器的运算操作 总线 D7 D0 上接电平指示灯 显示参与运算的数据结果 表中列出运算器实验任务的步骤同表 4 相同 16 种算术操作和 16 种逻辑操作只列出 了前面 4 种 其它实验步骤同表 4 相同 带 的地方表示需要按一次单次脉冲 P0 无 的地方表示不需要按单次脉冲 P0 计算机组成原理实验 自编讲义 7 表 1 运算器实验步骤与显示结果表 S3S2S1S0 M CnLDDR1LDDR2SW BUS AL BUS SW7 S W0 D7 D0 P0注释 X X X X XX000155H55H X X X XXX0001AA H AAH X X X XXX100155H55H 向 DR1 送 数 X X X XXX0101AA H AAH 向 DR2 送 数 1 1 1 11X0010XX H 55H读出 DR1 数 1 0 1 01X0010XX H AAH读出 DR2 数 X X X XXX1001AA H AAH 向 DR1 送 数 X X X XXX010155H55H 向 DR2 送 数 0 0 0 0010010XX H AAH 算术运算 0 0 0 0000010XX H ABH算术运算 0 0 0 01X0010XX H 55H逻辑运算 0 0 0 1010010XX H FFH算术运算 0 0 0 1000010XX H 00H算术运算 0 0 0 11X0010XX H 00H逻辑运算 0 0 1 0010010XX H AAH算术运算 0 0 1 0000010XX H ABH算术运算 0 0 1 01X0010XX H 55H逻辑运算 0 0 1 1010010XX H FFH算术运算 0 0 1 1000010XX H 00H算术运算 0 0 1 11X0010XX H 00H逻辑运算 计算机组成原理实验 自编讲义 8 注意 注意 运算器实验时 把与运算器实验时 把与 T4T4 信号相关而本实验不用的信号相关而本实验不用的 LDR0LDR0 LDR1LDR1 LDR2LDR2 接低电平 否则接低电平 否则 影响实验结果 影响实验结果 其它注意事项 其它注意事项 进行系统方式实验时应注意如下几点 进行系统方式实验时应注意如下几点 实验前应将 MF OUT 输出信号与 MF 相连接 1 检查通讯电缆是否与计算机连接正确 2 开关方式状态应置成系统方式 31 个开关 3 P0K P1K P2K 都置成系统方式 4 信号连接线必须一一对应连接好 即在实验机左上方的信号接口与实验机右下方 的信号接口分别一一对应连接 左上方 右下方 地址指针 地址指针 地址总线 地址总线 在实验机右侧中部 数据总线 数据总线 在实验机右侧中部 运算暂存器 DR1 运算暂存器 DR1 运算暂存器 DR2 运算暂存器 DR2 微地址 微地址 检查完毕可以通电 注意事项 1 计算机屏幕上所有的按钮与实验机上的按钮完全对应 2 在做实验时 要保证总线不发生冲突 即对总线操作时只有一个操作状态有效 3 运算器 存储器 数据通路 三个实验按操作步骤操作即可 计算机组成原理实验 自编讲义 9 实验二实验二 存储器实验 存储器实验 一 实验目的一 实验目的 1 掌握存储器的数据存取方式 2 了解 CPU 与主存间的读写过程 3 掌握半导体存储器读写时控制信号的作用 二 实验内容 二 实验内容 向 RAM 中任一存储单元存入数据 并读出任一单元的数据 三 实验原理三 实验原理 1 1 实验电路 见下图 实验电路 见下图 2 2 实验原理实验原理 存贮器实验电路由 RAM 6116 AR 74LS273 等组成 SW7 SW0 为逻辑开关 量 与产生地址和数据 寄存器 AR 输出 A7 A0 提供存贮器地址 通过显示灯可以显示 地址 D7 D0 为总线 通过显示灯可以显示数据 当 LDAR 为高电平 SW BUS 为低电平 T3 信号上升沿到来时 开关 SW7 SW0 产生的地址信号送入地址寄存器 AR 当 CE 为低电平 WE 为高电平 SW BUS 为低电 计算机组成原理实验 自编讲义 10 平 T3 上升沿到来时 开关 SW7 SW0 产生的数据写入存贮器的存贮单元内 存贮器为 读出数据 D7 D0 显示读出数据 实验中 除 T3 信号外 CE WE LDAR SW BUS 为电位控制信号 因此通过对 应开关来模拟控制信号的电平 而 LDAR WE 控制信号受时序信号 T3 定时 四 实验步骤四 实验步骤 在完成一个实验后 应将所有的信号状态置成 在完成一个实验后 应将所有的信号状态置成 1 1 高电平状态 高电平状态 实验前将 TJ DP 对应的逻辑开关置成 11 状态 高电平输出 使时序发生器处于单 拍输出状态 每按一次 P0 输出一拍时序信号 实验处于单步状态 并置 ALU BUS 1 实验步骤按表 2 进行 实验对表中的开关置 1 或清 0 即对有关控制信号置 1 或清 0 表格中只列出了存贮器实验步骤中的一部分 即对几个存贮器单元进行了读写 其它 单元的步骤同表格相同 表中带 的地方表示需要按一次单次脉冲 P0 注意 表中列出的总线显示 D7 D0 及地址显示 A7 A0 显示情况是 在写入 RAM 地址时 由 SW7 SW0 开关量地址送至 D7 D0 总线显示 SW7 SW0 开关量 而 A7 A0 则显示上一个地址 在按 P 后 地址才进入 RAM 即在单次脉冲 T3 作用后 A7 A0 同 D7 D0 才显示一样 表 2 存贮器实验步骤显示结果表 SW B U LDARCEWESW7 S W0 D7 D0P0A7 A0注释 011100H00H 00H地址 00 写入 AR 000100H00H 00H数据 00 写入 RAM 011110H10H 10H地址 10 写入 AR 000110H10H 10H数据 10 写入 RAM 011100H00H 00H地址 00 写入 AR 100000H00H 00H读 RAM 011110H10H 10H地址 10 写入 AR 100010H10H 10H读 RAM 011140H40H 40H地址 40 写入 AR 计算机组成原理实验 自编讲义 11 0001FFHFFH 40H数据 FF 写入 RAM 011142H42H 42H地址 42 写入 AR 000155H55H 42H数据 55 写入 RAM 011144H44H 44H地址 44 写入 AR 0001AAHAAH 44H数据 AA 写入 RAM 011140H40H 40H地址 40 写入 AR 100040HFFH 40H读 RAM 内容 011142H42H 42H地址 42 写入 AR 100042H55H 42H读 RAM 内容 011144H44H 44H地址 44 写入 AR 100044HAAH 44H读 RAM 内容 说明 实验机中符号 CE 当 CE 信号为 0 低电平时 表示存储器 6264 的数据输入 为有效状态 计算机组成原理实验 自编讲义 12 实验三 数据通路组成与故障分析实验实验三 数据通路组成与故障分析实验 一 实验目的一 实验目的 熟悉计算机的数据通路 掌握数据运算及相关数据和结果的存储的工作原理 二 实验内容 二 实验内容 利用 sw0 sw7 数据输入开关向 DR1 DR2 预置数据 做运算后将结果存入 RAM 并实 现任一单元的读出 例如 将数据做如下操作 44H AAH EEH结果放在 RAM 的 AAH 单元 44H EEH AAH结果放在 RAM 的 ABH 单元 三 实验原理 三 实验原理 1 1 实验电路实验电路 2 2 实验原理实验原理 数据通路实验是将前面进行过的运算器实验模块和存贮器实验模块两部分电路连 在一起组成的 原理图见图 7 实验中 除 T4 T3 信号外 所有控制信号为电平控制信号 这些信号由逻辑开 关来模拟 其信号的含义与前两个实验相同 我们按图 7 进行实验 四 实验步骤四 实验步骤 在完成一个实验后 应将所有的信号状态置成 在完成一个实验后 应将所有的信号状态置成 1 1 高电平状态 高电平状态 实验前将 TJ DP 开关置 11 使时序发生器处于单拍状态 按一次 P 时序信号输 出一拍信号 使实验为单步执行 实验步骤见表 3 表 3 数据通路实验过程表 SW BUS ALU BUS CEWELDA R LDD R1 LDDR 2 S3S2S1 S0 M CN SW7 SW0 A7 A0 D0 D7单次按 钮 P 注释 0111010XXXXX144HXXX X 44H 44H 存入 DR1 011X001XXXXX1AAHXXX X AAH AAH 存入 DR2 101X000111011XXHXXX X EEHDR1 DR2 EEH 或运算 101X001111011XXHXXX X EEH EEH 存入 DR2 101X000011011XXHXXX X AAH DR1 DR2 AAH 异或运算 101X010011011XXHXXX X AAH 44 H AAH 存入 DR1 DR1 DR2 44H 011X100XXXXX1AAHAAHAAH 地址 AAH 存入 AR 1001000101011XXHAAHEEH DR2 内容存入 RAM 计算机组成原理实验 自编讲义 14 0111100XXXXX1ABHABHABH 地址 ABH 存入 AR 1001000111111XXHABHAAH DR1 内容存入 RAM 0111100XXXXX1AAHAAHAAH 地址 AAH 存入 AR 1100010XXXXX1XXHAAHEEH 读 RAM 内容送 DR1 0111100XXXXX1ABHABHABH 地址 ABH 存入 AR 1100001XXXXX1XXHABHAAH 读 RAM 内容送 DR2 0111100XXXZXX1ACHACHACH 地址 ACH 存入 AR 0101000XXXXX1FFHACHFFH 数据 FFH 存入 RAM 0111100XXXXX1ADHADHADH 地址 ADH 存入 AR 0101000XXXXX100HADH00H数据 00H 存入 RAM 表 3 中 列出了数据通路组成实验的一部分实验步骤 其它部分同表中的 实验步骤相同 只是实验的数据及存贮单元不同 表中带 X 的内容是随机状态 它的电平不影响实验结果 表中带 的地方表示需要按单次脉冲 P 无 的地方则表示不需要按单次脉冲 P 注意 A7 A0 所接的地址显示情况是按单次脉冲 P 后的状态 A7 A0 的 显示才与表中相同 否则显示的是上一个地址 计算机组成原理实验 自编讲义 16 实验四实验四 微程序控制器实验微程序控制器实验 一 实验目的一 实验目的 熟悉微指令格式的定义 掌握微程序控制器的基本原理 二 实验内容 二 实验内容 分别完成输入指令 加法指令 存数指令 输出指令 无条件转移指令 强迫 RAM 读 强迫 RAM 写的微指令流程 并观察微地址的变化 3 3 实验原理 实验原理 3 13 1 实验电路图实验电路图 图 4 4 微程序控制器电路图 3 23 2 实验原理实验原理 一条指令由若干条微指令组成 而每一条微指令由若干个微指令及下一微地 址信号组成 不同的微指令由不同的微命令和下一微指令地址组成 它们存放 在控制存贮器 2764 中 因此 用不同的微指令地址读出不同的微命令 输 计算机组成原理实验 自编讲义 17 出不同的控制信号 微程序控制器的电路图见图 4 4 UA4 UA0 为微地址寄存器 控制存贮器由 3 片 2764 组成 从而微指令长度为 24 位 微命令寄存器为 20 位 由 2 片 8D 触发器 74LS273 和 1 片 4D 触发器 74LS175 组成 微地址寄存器 5 位 由 3 片正沿触发的双 D 触发器 74LS74 组成 它们带 有清零端和预置端 在不判别测试的情况下 T2 时刻打入的微地址寄存器内容 为下一条指令地址 在需要判别测试的情况下 T2 时刻给出判别信号 P 1 1 及下一条微指 令地址 01000 在 T4 上升沿到来时 根据 P 1 IR7 IR6 IR5 的状态条件对 微地址 01000 进行修改 然而按修改的微地址读出下一条微指令 并在下一个 T2 时刻将读出的微指令打入到微指令寄存器和微地址寄存器 CLR 即 P2 为清零信号 当 CLR 为低电平时 微指令寄存器清零 微指 令信号均无效 微指令格式见下表 表 4 4 微指令格式表 23222120191817161514131211 S3S2S1S0M CNLOADCEWELDROLDDR1LDDR2LDIR 选择运算器运算模式打入 PC RAM 片选 RAM 写 打入 R0 打入 DR1 打入 DR2 打入 IR 109876543210 LDPCLDAR ALU BU S PC BU S R0 BUSSW B US P 1 UA 4 UA 3 UA 2 UA 1 UA 0 PC 1打入 AR运算器结 果送总线 PC 内容 送总线 R0 内容 送总线 开关内 容送总 线 判别字 下一微指令地址 计算机组成原理实验 自编讲义 18 图 4 5 微指令流程图 如图 4 5 所示 微程序控制器在清零后 总是先给出微地址为 00000 的微 指令 启动程序 读出微地址为 00000 的微指令时 便给出下一条微指令地址 00001 微指令地址 00001 及 00010 的两条微指令是公用微指令 微指令地址 00001 的微指令执行的是 PC 的内容送地址寄存器 AR 及 PC 加 1 微指令 同时 给出下一条微指令地址 00010 微指令地址 00010 的微指令在 T2 时序信号是 执行的是把 RAM 的指令送到指令寄存器 同时给出判别信号 P 1 及下一条 微 指令地址 01000 在 T4 时序信号时 根据 P 1 IR7 IR6 IR5 修改微 地址 01000 产生下一条微指令地址 不同的指令 IR7 IR6 IR5 也就不同 产生不同的下一条微指令地址 在 IR7 IR6 IR5 为 000 即无指令输入时 仍执行 01000 的微指令 从而可对 RAM 进行连续读操作 当执行完一条指令的全部微指令 即一个微程序的最后一条微指令时 均 给出下一微指令地址 00001 接着执行微指令地址 00001 00010 的公共微指令 读下条指令的内容 再由微程序控制器判别产生下一条微指令地址 以后的下 计算机组成原理实验 自编讲义 19 一条微指令地址全部由微指令给出 直到执行完一条指令的若干条微指令 给 出下一条微指令地址 00001 实验时 先把先把 J1 插座的短路块向右短接插座的短路块向右短接 然后用开关 AN25 AN26 AN27 模拟指令的代码 即 IR7 IR6 IR5 不断改变 AN25 AN26 AN27 状态 模拟不同的指令 从而读出不同的微指令 微指令 输出状态由各对应的指示灯显示 实验用单步的方式 将启动程序 5 条指令 强迫 RAM 读 强迫 RAM 写的微指令逐条读出 可用电平指示灯显示每条微 指令的微命令 从微地址 UA4 UA0 和判别标志上可以观察到微程序的纵向变 化 四 实验步骤 四 实验步骤 在做微程序实验时应将 UPC OUT 和 UBIN 用 26 芯电缆连起来 在进行微程序控制器实验时两种方式 系统方式和单板方式 31 个开关设 置如下 1 J1 跳线位置应在右右侧连接 2 实验在系统机上进行时 应将 UP 信号设置成低电平 3 SWE 微程序控制器的微地址修改信号 微地址修改为 10000 使机器 处于写 RAM 状态 4 SRD 微程序控制器的微地址修改信号 微地址修改为 01000 使机器 处于读 RAM 状态 1 观察时序信号 将 TJ DP 置 00 按单次脉冲按钮 P0 使时序信号输出连续波形 2 观察微程序控制器工作原理 将 TJ DP 置 11 微程序控制器处于单步状态 按一次单步按钮产生一拍 时序信号 T1 T2 T3 T4 将 UP 置 0 使微程序控制器输出微地址 SWE SRD 置 11 将 IR7 置 0 IR6 置 0 IR5 值 0 表示无指令输入 实验步 骤如下 1 按一次 P2 CLR 清零按钮 使 UA4 UA0 为 00000 2 按一次 P0 执行微指令地址为 00000 的启动程序 给出一条微指令地址 UA4 UA0 为 00001 计算机组成原理实验 自编讲义 20 3 将 IR7 IR6 IR5 置为 001 按一次 P0 执行微指令地址 00001 的微指 令 同时给出下一条微指令地址 00010 以后再按 P0 一直执行到一条指令的 全部微指令结束给出下一条微指令地址 00001 输入指令的微指令流程请参阅 附录 3 微指令的微命令输出显示应同附录 3 的微指令代码对应 微地址的输 出显示也应相同 4 在执行至微地址 UA4 UA0 显示为 00001 时 置 IR7 IR6 IR5 010 为加法指令的若干条微指令 直至执行到微地址 UA4 UA0 显示 00001 结束 5 重复 4 执行 IR7 IR6 IR5 为 011 存贮器存数指令 的指令 6 重复 4 执行为执行 IR7 IR6 IR5 为 100 输出指令 的指令 7 重复 4 执行 IR7 IR6 IR5 为 101 无条件转移指令 的指令 8 在执行到微地址 UA4 UA0 显示为 00001 时 或在开机时 按清零键 P2 使 UA4 UA0 显示为 00000 置 IR7 0 IR6 0 IR5 0 SWE 置 1 SRD 置 1 把 SWE 开关从 1 0 1 使微地址 UA4 UA0 显示 10000 强迫处于 RAM 写 执行微指令地址为 10000 10001 10010 的三条微 指令 电平指示灯显示微指令的微命令及微地址 执行时为循环重复执行微指 令 以便不断对 RAM 写入数据 直到有 CLR 清零信号作用时才停止 9 按清零键 P2 使 UA4 UA0 显示为 00000 置 IR7 IR6 IR5 000 SWE 1 SWD 1 把 SRD 开关从 1 0 1 使微地址 UA4 UA0 显示 01000 强迫机器处于 RAM 读 执行微指 令地址为 01000 01110 01111 的三条微指令 电平指示显示微指令的微命令 及微地址 执行时为循环重复执行微指令 不断读 RAM 内容 3 连续方式读出微指令 将时序发生器处于连续时序循环状态 就可连续读出微指令 将 TJ DP 置 00 按 P0 时序发生器连续输出时序信号 此时 微程序控制器按某一序列 的微指令地址固定的重复地读出微指令序列 实验五实验五 模型机模型机 CPUCPU 组成与指令周期实验组成与指令周期实验 一 实验目的一 实验目的 将运算器模块 存贮器模块 微程序控制器模块组合在一起 联成一台简 单的计算机 用微程序控制器控制模型机的数据通路 二 实验内容二 实验内容 执行由 5 条指令组成的简单程序 掌握指令与微指令的关系 建立计算机 的整机概念 三 实验原理三 实验原理 前面几个实验中 控制信号是由实验者用逻辑开关来模拟 以完成对数据 通路的控制 而这次实验 数据通路的控制信号全部由微程序控制器自动完成 CPU 从内存取出一条机器指令到执行指令的一个指令周期 是由微指令组 成的序列来完成 取一条机器指令对应一个微程序 我们将 5 条机器指令及有 关数据写入 RAM 中 通过 CPU 运行 5 条机器指令组成的简单程序 掌握机器 指令与微指令的关系 四 实验步骤四 实验步骤 一 实验设置 一 实验设置 实验时实验时 在完成一个实验后 应将所有的信号状态置成 在完成一个实验后 应将所有的信号状态置成 1 1 高电平状态 高电平状态 将将 J1 设置成设置成左侧左侧连接连接 将将 UP 信号置成低电平信号置成低电平 0 在做模型机实验时应在做模型机实验时应 将将 UPC OUT 和和 UBIN 用用 26 芯电缆连接起来 芯电缆连接起来 1 对 31 个开关设置应按下面方式设置 单板方式位置 开关位置处于单板方式的位置有如下几个 S3 S2 S1 S0 M CN LDAR CE WE LDDR1 LDDR2 SW BUS ALU BUS LDPC LOAD PC BUS R0 BUS LDIR LDR0 LDR1 LDR2 IR7 IR6 IR5 R1 BUS R2 BUS P 1 系统方式位置 开关位置处于系统方式的位置有如下几个 计算机组成原理实验 自编讲义 22 UP KSW7 KSW6 KSW5 KSW4 KSW3 KSW2 KSW1 KSW0 DP TJ SWE SRD 1 J1 跳线位置应在左左侧连接 2 实验在系统机上进行时 应将 UP 信号设置成低电平 通过逻辑开关 AN30 即 SWE 将 SWE 从 1 0 1 使微程序 控制器的微指令地址为 10000 强迫机器处于 RAM 写 重复执行微指令地址为 10000 10001 10100 微指令 把所写的程序写入 RAM 再通过逻辑开关 AN31 即 SRD 将 SRD 从 1 0 1 使微程序控制器的指令地址 为 01000 强迫机器处于 RAM 读 执行微指令地址 01000 01110 01111 的微 指令 读出所写的程序 以校对写入的程序和数据是否正确 然后再运行程序 二 指令系统 二 指令系统 1 IN A DATA 指令码 20 A 指 R0 DATA 指 SW7 SW0 上的数据 输入到 R0 寄存器 是输入指令 2 ADD A ADD 指令码 40 ADD A 指 R0 ADD 为存贮器地址 将 R0 寄存器的内容与内存中以 ADD 为地址单元内数相加 结果送 R0 是加 法指令 3 STA ADD A 指令码 60 ADD A 指 R0 ADD 为存贮器地址 将 R0 寄存器的内容存到以 ADD 为地址的内存单元中 4 OUT BUS ADD 指令码 80 ADD BUS 为数据总线 ADD 为存贮器地址 将内存中以 ADD 为地址的数据读到总线上 5 JMP ADD 指令码 A0 ADD ADD 指存贮器地址 程序无条件地转 移到 ADD 所指定的内存单元地址 6 WE 存贮器写命令 7 RD 存贮器读命令 三三 存贮器写操作存贮器写操作 1 所写程序 IN R0 DATA 输入指令 计算机组成原理实验 自编讲义 23 ADD R0 ADD 加法指令 STA ADD R0 存贮器存数指令 OUT BUS ADD 输出指令 JMP ADD 无条件转换指令 2 起始地址从 00 开始 地址指令码注释 0020 add 09 0140 add add 0B 0360 add add 0A 0580 add add 00 07A0 add 0955 0AAA 3 操作过程 AN26 AN23 AN24 AN30 AN31 设置为 01111 即 UP 0 DP TJ 11 为单步状态 SWE 1 SRD 1 SW7 SW0 设置 00000000 按清零键 P2 AN30 从 1 0 1 即 这时 UA4 UA0 显示为 10000 然后按表 5 进行存贮操作 存贮器写是在单步状态下进行 其控制信号全部由微程序控制器提供 因此只 需操作 SW7 SW0 置数据 及按 P0 单步操作 以上为存贮器写入全过程 起始地址是 00H 如果从 30H 开始 只要在开 始用 SWE 开关置 UA4 为 1 UA4 UA0 显示为 10000 SW7 SW0 开关置 30H 写过程相同 不同之处在于显示地址为 30 3AH 总线显示为 30 3AH 写过程结束后 按清零键 P2 计算机组成原理实验 自编讲义 24 四四 存贮器读操作存贮器读操作 在完成一个实验后 应将所有的信号状态置成 在完成一个实验后 应将所有的信号状态置成 1 1 高电平状态 高电平状态 状态设置为 01111 即 UP 0 DP TJ 11 SWE 1 SRD 1 为单步操 作 SRD 从 1 0 1 即 此时 UA4 UA0 显示为 01000 存贮器读操作是在单步状态下进行 同样只需按表 6 操作 SW0 SW7 及按 P0 单步操作 表 5 存贮器操作过程及显示结果表 P0SW7 SW 0 A7 A0D7 D0UA4 UA 0 PC7 PC0 00H10000 00H1000100H 20H00H01H1001001H 00H20H1000101H 40H01H02H1001002H 01H40H1000102H 09H02H03H1001003H 02H09H1000103H 60H03H04H1001004H 03H60H1000104H 0BH04H05H1001005H 04H0BH1000105H 80H05H06H1001006H 05H80H1000106H 0AH06H07H1001007H 06H0AH1000107H 计算机组成原理实验 自编讲义 25 A0H07H08H1001008H 07HA0H1000108H 00H08H09H1001009H 08H00H1000109H 55H09H0AH100100AH 09H55H100010AH AAH0AH0BH100100BH 0AHAAH100010BH 表 6 存贮器读操作过程及显示结果表 P0SW7 SW 0 A7 A0D7 D0UA4 UA 0 PC7 PC0 00H01000 00H0111000H 00H01H0111101H 00H20H0111001H 01H02H0111102H 01H40H0111002H 02H03H0111103H 02H09H0111003H 03H04H0111104H 03H60H0111004H 04H05H0111105H 04H0BH0111005H 05H06H0111106H 05H80H0111006H 计算机组成原理实验 自编讲义 26 06H07H0111107H 06H0AH0111007H 07H08H0111108H 07HA0H0111008H 08H09H0111109H 08H00H0111009H 09H0AH011110AH 09H55H011100AH 0AH0BH011110BH 0AHAAH011100BH 0BH0CH011110CH 0BHXXH011100CH 0CH0DH011110DH 在 XX 处 程序未读出时是随机数 当执行后读方法读出时 XX 处显示 指 SW7 SW0 09H 即 8A 55 DFH 如果程序写在 30H 单元内 只需在开始时将 SW7 SW0 开关置 30H A7 A0 显示则从 30H 开始 其它不变 五五 执行过程执行过程 执行过程可以用单步或连续执行 当单步执行时 状态设置为 01111 即 UP 0 DP TJ 11 SWE 1 SRD 1 按清零键 P2 然后按表 7 进行操作 操作只需对 SW0 SW7 及 P0 操作 此时 J1 插座短路块接向左方 表 7 执行过程操作及显示结果表 P0SW7 SW 0 A7 A0D7 D0UA4 UA 0 PC7 PC0 0000000 00H0000100H 00H01H0001001H Data 8A 00H20H0100101H 计算机组成原理实验 自编讲义 27 00H8AH0000101H 01H02H0001002H 01H40H0101002H 02H03H0001103H 09H55H0010003H 09H55H0010103H 09H8AH0011003H 09HDFH0000103H 03H04H0001004H 03H60H0101104H 04H05H0011105H 0BHXXH1011005H 0BHDFH0000105H 05H06H0001006H 05H80H0110006H 06H07H1001107H 0AHAAH1010007H 0AHAAH0000107H 07H08H0001008H 07HA0H0110108H 08H09H1010109H 08H00H0000109H 六六 运行情况 运行情况 1 先执行 IN R0 DATA 输入指令 将开关 8A 送入 R0 寄存器 2 执行 ADD R0 ADD 加法指令 将存贮器地址 09 中的内容 55 同 R0 中的数据 8A 相加 结果为 DF 送 R0 寄存器 计算机组成原理实验 自编讲义 28 3 执行 STA ADD R0 指令 将 R0 的内容 DFH 送以 ADD 为地址的内存 ADD 为 0B DF 送 R0 存储器 0B 中 4 执行 OUT BUS ADD 指令 将 ADD 为地址的内容送总线 ADD 为 0A 中存 AA AA 送总线 5 执行 JMP ADD 指令 无条件转换到以 ADD 为地址的内存中执行指令 转移到 00 地址 再执行 IN R0 DATA 输入指令 计算机组成原理实验 自编讲义 29 扩展实验扩展实验 该篇章是设计性实验共有两个实验组成 分别为 该篇章是设计性实验共有两个实验组成 分别为 实验六实验六 时序与启停实验时序与启停实验 实验七实验七 基本模型机设计与实现基本模型机设计与实现 实验八实验八 带移位运算的模型机设计与实现带移位运算的模型机设计与实现 实验九实验九 复杂模型机的设计与实现复杂模型机的设计与实现 计算机组成原理实验 自编讲义 30 实验六实验六 时序与启停实验时序与启停实验 一 实验目的 1 掌握时序电路的原理 2 熟悉启停电路的原理 二 实验要求 通过时序电路的启动了解以单步 连续方式运行时序电路的过程 观察 T1 T2 T3 T4 各点的时序波形 三 实验原理 实验所用的时序与启停电路原理如图所示 图 4 6 时序发生器及启停电路 其中时序电路由 1 2 片 74LS74 1 片 74LS175 及 6 个二输入与门 2 个二输 入与非门和 3 个反向器构成 可产生 4 个等间隔的时序信号 T1 T2 T3 T4 计算机组成原理实验 自编讲义 31 其中 MF 为时钟输入端 时钟频率可从 F0 F1 F2 F3 中选择一个 由位于实 验装置左下方的方波信号源提供 学生可根据实验自行选择方波信号的频率 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 T1 T4 信号输出可控 上图中启停电路由 1 2 片 74LS74 74LS00 及 1 个二输入与门构成 TJ DP 为单步停机控制信号 当其中 1 个或 2 个都为高电平 1 时 此时 时序发生器处于停机或单步状态 即每按一次启动按钮 P0 P0 和 P0 实验时 需用导线将 MF OUT 与 MF 连接起来 产生一拍时序信号 T1 T2 T3 T4 当 TJ DP 都为低电平时 按一次启动按钮 P0 产生连续时序信号 CLR 接 P2 作 清除按钮 连续输出时序波形如图所示 图 4 7 连续输出时序波形图 T1 T2 T3 T4 有两组输出信号 以提高负载能力 因此时序信号 T1 T4 将周而复始地发送出去 如果实验系统处于系统方式下 当进入 单步 方式命令键时管理 CPU 令 TJ DP 处于单步控制方式 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 如果按动 停机方式 命令键管理 CPU 令工作方式处于停机状态 也会使机器停机 计算机组成原理实验 自编讲义 32 实验七实验七 基本模型机设计与实现基本模型机设计与实现 一 实验目的 1 在掌握部件单元电路实验的基础上 进一步将其系统地组成一台基本模 型计算机 2 为其定义五条机器指令 并编写相应的微程序 上机调试掌握整机概念 二 实验设备 计算机组成原理教学实验系统一台 排线若干 三 实验内容 1 实验原理 部件实验过程中 各部件单元的控制信号是以人为模拟产生为主 而本次实 验将能在微程序控制下自动产生各部件单元的控制信号 实验特定指令的功能 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个微程序 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 前四位为操作码 助记符 机器指令码 说明 IN 0010 0000 INPUT DEVICE 中的开关状态 R0 ADD addr 0100 0000 R0 addr R0 STA addr 0110 0000 R0 addr OUT addr 1000 0000 addr BUS JMP addr 1010 0000 addr PC 其中 IN 为单字节 8 位 其余为双字节指令 为 addr 对应的二进制地址码 根据以上要求设计数据通路框图 如附录 2 图所示 系统涉及到的微程序流程图如下图所示 计算机组成原理实验 自编讲义 33 当拟定 取指 微指令时 该微指令的判别测试字段为 P 1 测试 由于 取指 微指令是所有微程序都使用的公用微指令 因此 P 1 的测试结果出 现多路分支 本机用指令寄存器的前三位 IR7 IR5 作为测试条件 出现 5 路分支 占用 5 个固定微地址单元 当全部微程序设计完毕后 应将每条微指令代码化 表 8 即为将微程序流 程图按微指令格式转化而成的 二进制微代码表 指令寄存器 IR 指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令 当执行 一条指令时 先把它从内存取到缓冲寄存器中 然后再传送至指令寄存器 指 令划分为操作码和地址码字段 由二进制数构成 为了执行任何给定的指令 必须对操作码进行测试 P 1 通过节拍脉冲 T4 的控制以便识别所要求的操作 指令译码器 实验板上标有 INS UNIT 的芯片 根据指令中的操作码译 码强置微控器单元的微地址 使下一条微指令指向相应的微程序首地址 本系统有两种外部 I O 设备 一种是二进制代码开关 它作为输入设备 计算机组成原理实验 自编讲义 34 INPUT DEVICE 另一种是 LED 块 它作为输出设备 OUTPUT DEVICE 例如 输入时 二进制开关数据直接经过三态门送到外部数据总线上 只要开关状态 不变 输入的信息也不变 输出时 将输出数据送到外部数据总线上 当写信 号 W R 有效时 将数据打入输出锁存器 驱动 LED 显示 本实验设计机器指令程序如下 地址 二进制 内容 二进制 助记符号 说明 0000 0010 0000 IN INPUT DEVICE R0 0001 0100 0000 ADD 09H R0 09H R0 0010 0000 1001 0011 0110 0000 STA 0BH R0 0BH 0100 0000 1011 0101 1000 0000 OUT OAH 0AH BUS 0110 0000 1010 0111 1100 0000 JMP 00H 00H PC 1000 0000 0000 1001 0101 0101 自定 1010 1010 1010 自定 1011 求和结果 四 实验要求 1 利用系统实验提供的实验环境用 EDA 软件设计模型机内核 2 通过实验仪提供的状态指示相信和系统操作平台观察实验结果 表 8 模型机 一 微指令表 微 地 址 CBAA R L D R 2 L D R 1 A 9 A 8 代 码 C E L D A D C N MS 0 S 1 S 2 S 3 代 码 P 2 L D A R L D P C L D I R L D D R 2 L D D R 1 L D R 0 W E 代 码 U A 0 U A 1 U A 2 U A 3 U A 4 U A 5 P 1 S W B 代 码 说明 76543210765 432107654321076543210 000000000000000000000000000000001000000080 SW PC 010010000020000000000001100000600100000040 PC AR PC 020000000000100000008000010000100001001012 RAM IR 030000000000100000008001000000400010000020 RAM AR 0400000000001000000080000010000810100000A0 RAM AR 051000000080000000000000000100040110000060 RAM DR2 060100000040001010012900000010021000000080 R0 DR1 070000000000100000008001000000400110100068 ALU R0 080000000000000