《计算机组成原理》实验教学教案

1、实验一 运算器实验一、实验目的：（1）结合学过的有关运算器的基本知识，掌握运算器的基本组成、工作原 理。特别是了解算术逻辑运算单元 ALU 的工作原理；（2）验证多功能算术单元 74181、74182 的运算功能；（3）熟悉掌握本实验中运算器的数据传输通路。二、实验要求（1）预习 74181、74182 的工作原理及逻辑关系；（2）测量数据要求准确；（3）写出实验报告。三、实验内容1、实验原理实验中的运算器由两片 74LS181 以并 /串形成 8 位字长的 ALU 构成。运算 器的输出经过一个三态门74LS245到ALU01插座，实验时用8芯排线和内部 数据总线 BUSD0D7 插座 BUS

2、16 中的任一个相连，内部数据总线通过 LZD0LZD7 显示灯显示；运算器的两个数据输入端分别由二个锁存器 74LS273 锁存，两个锁存器的输入并联后连至插座 ALUBUS ，实验时通过 8 芯排线连至 外部数据总线 EXD0D7 插座 EXJ1EXJ3 中的任一个；参与运算的数据来自于 8 位数据开关 KD0KD7 ，并经过一三态门 74LS245 直接连至外部数据总线 EXD0EXD7 ，通过数据开关输入的数据由 LD0LD7 显示。算术逻辑运算功能发生器 74LS181 的功能控制信号 S3、S2、S1、S0、 CN、M 并行相连后连至 SJ2 插座，实验时通过 6 芯排线连至 6

3、位功能开关插座 UJ2,以手动方式用二进制开关 S3、S2、SO、CN、M来模拟74LS181的功能 控制信号S3、S2、S1、SO、CN、M ;其他电平控制信号也由二进制开关来模 拟。2、实验接线本实验主要用到 4 个主要模块：（1）低 8位运算器模块;（ 2） 数据输入并显示模块;（ 3） 数据总线显示模块;（4）功能开关模块。根据实验原理详细接线如下：(1) ALUBUS 连 EXJ3;(2) ALUO1 连 BUS1 ;(3) SJ2连 UJ2;(4) 跳线器J23上T4连SD;(5) LDDR1、LDDR2、ALUB、SWB四个跳线器拨在左边(手动方式);(6) AR跳线器拨在左边，

4、同时开关 AR拨在1电平。3、实验步骤(1) 连接线路，仔细查线无误后，接通电源。(2) 用二进制数码开关 KD0KD7向DR1和DR2寄存器置数。方法： 关闭ALU输出三态门(ALUB=1 ),开启输入三态门(SWB=O),输入脉冲T4 按手动脉冲发生按钮产生。lll.rll.-lr”(3) 检验DR1和DR2中存入的数据是否正确，利用算术逻辑运算功能发生器74LS181的逻辑功能，即M=1具体操作为：关闭数据输入三态门SW& 1,打开ALU输出三态门 ALUB= 0,当置S3 S2、S1、SO 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

5、显示DR2中的数。(4) 验证74LS181算术运算和逻辑运算功能的内容(采用正逻辑)。实验二半导体存储器实验、实验目的1）掌握静态随机存储器的工作原理与连接方法；2）掌握半导体存储器如何存储数据和读取数据。、实验要求（1）熟悉静态 RAM 芯片容量及位数；（2）掌握半导体存储器的组织方法；（3）测量数据要求准确；（4）写出实验报告。三、实验内容1、实验原理 主存储器单元电路主要用于存放实验机的机器指令，它的数据总线挂在外 部数据总线 EXDOEXD7上；它的地址总线由地址寄存器单元电路中的地址 寄存器74LS273给出，地址值由8个LED灯LADOLAD7显示，高电平亮， 低电平灭；在手动方

6、式下，输入数据由 8位数据开关KDOKD7提供，并经一 三态门74LS245连至外部数据总线 EXDOEXD7，实验时将外部数据总线 EXDOEXD7用8芯排线连到内部数据总线 BUSDOBUSD7，分时给出地址 和数据。它的读信号直接接地；它的写信号和片选信号由写入方式确定。该存 储器中机器指令的读写分手动和自动两种方式。手动方式下，写信号由W/R提供，片选信号由CE提供；自动方式下，写信号由控制 CPU的P1.2提供，片 选信号由控制CPU的P1.1提供。由于地址寄存器为8位，故接入6264的地址为AOA7,而高4位A8 A12接地，所以其实际使用容量为 256字节。6264有四个控制线：

7、CS1第一片 选线、CS2第二片选线、0E读线、WE写线。CS1片选线由CE控制（对应开 关CE）、OE读线直接接地、WE写线由 W/R控制（对应开关 WE）、CS2直接 接 +5V 。信号线 LDAR 由开关 LDAR 提供，手动方式实验时，跳线器 LDAR 拨在 左边，脉冲信号T3由实验机上时序电路模块 TS3提供，实验时只需将J22跳 线器连上即可， T3 的脉冲宽度可调。2、实验接线（ 1 ） MBUS 连 BUS2；（ 2） EXJ1 连 BUS3；（ 3）跳线器 J22 的 T3 连 TS3；（ 4）跳线器 J16 的 SP 连 H23；（5）跳线器 SWB、 CE、 WE、 LD

8、AR 拨在左边（手动位置） 。2、实验步骤(1) 连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。(2) 形成时钟脉冲信号 T3,方法如下：在时序电路模块中有两个二进制 开关运行控制和运行方式。将运行控制开关置为运行状态、运行方式 开关置为连续状态时，按动运行启动开关，则T3有连续的方波信号输出， 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；本实验 中运行方式开关置为单步状态，每按动一次启动运行开关，则T3输出一 个正单脉冲，其脉冲宽度与连续方式相同。(3) 设置存储器单元地址，向该单元写入数据。Z-i-t- ! - -ir. I W! I if I R. I iin IF： WI

9、N n 亡良一 IHWIJiUyihTjmwh IHWB-O UWB Il.i -m, i- .： HFi画逝.KI 申I .时 iMkGT ,1fl 7* 兀才/h.內*.*3 Ffc mi JL -s JS. fll药 flfi 和E 不冋.ti牛待lSJllLL*甲 JiL一兀内裤” T*rJJrjr(l h._ 丹曄输舄.站1”11111口円=|10=不冋亠nji 1誘ttiPflu寸Ni入crHii4Jifc*#c晌門存. 秋冇円n片Fr.h晌 一k- 啊I1#!Ffl E吃弗构口卞! ,n AK -nEJSrdM日童*垃y几扎命W:KA1：|Ucj m VP.T K Ub Jd-

10、M -K *Wi-M W i -斗 FJL R9 上 日 +A 九 * Lit illI TT 齐向w JK TEJtftiJLrt w.- P-JF r 丙4*冋丄F 用 it WlW 3= Hl -I93 I* idjnuJi.fi*: Fh=ifr h 喚祐 rtf*# 丄 r 吗-入曲sk. +! .口十口毎亠心匚话GIL.a唸克;科旺耳肝曲 、(4) 从该单元读取数据，观察内容是否与写入的一致(5) 测试存储器的读出时间实验三数据通路实验一、实验目的了解如何将运算器和存储器相连接，实现运算结果在存储器的存放。在前 述实验的基础上，进一步掌握计算机的数据通路概念及相关特性。二、实验要求

11、（1）熟悉有关器件及其对应线路的作用；（2）了解各个控制信号的意义；（3）准确记录实验数据；（4）完成实验报告。三、实验内容1、实验原理运算器由两片74LS181以并/串形成8位字长的ALU构成。运算器的输出 经过一个三态门 74LS245 到 ALUO1 插座，实验时用 8 芯排线和内部数据总线 BUSD0D7 插座 BUS16 中的任一个相连，内部数据总线通过 LZD0LZD7 显 示灯显示；运算器的两个数据输入端分别由二个锁存器 74LS273 锁存，两个锁 存器的输入并联后连至插座 ALUBUS ，实验时通过 8 芯排线连至外部数据总线 EXD0D7 插座 EXJ1EXJ3 中的任一个

12、；参与运算的数据来自于 8 位数据开关 KD0KD7，并经过一三态门 74LS245直接连至外部数据总线 EXD0EXD7 ,通 过数据开关输入的数据由 LD0LD7 显示。主存储器单元电路主要用于存放实验机的机器指令，它的数据总线挂在外 部数据总线 EXD0EXD7上；它的地址总线由地址寄存器单元电路中的地址 寄存器74LS273给出，地址值由8个LED灯LAD0LAD7显示，高电平亮， 低电平灭；在手动方式下，输入数据由 8位数据开关KD0KD7提供，并经一 三态门 74LS245 连至外部数据总线 EXD0 EXD7 ，实验时将外部数据总线 EXD0EXD7用8芯排线连到内部数据总线 B

13、USD0BUSD7，分时给出地址 和数据。它的读信号直接接地；它的写信号和片选信号由写入方式确定。该存 储器中机器指令的读写分手动和自动两种方式。手动方式下，写信号由W/R提供，片选信号由CE提供；自动方式下，写信号由控制 CPU的P1.2提供，片 选信号由控制CPU的P1.1提供。由于地址寄存器为8位，故接入6264的地址为A0A7,而高5位A8 A12接地，所以其实际使用容量为 256字节。6264有四个控制线：CS1第一片 选线、CS2第二片选线、0E读线、WE写线。CS1片选线由CE控制（对应开 关CE）、0E读线直接接地、WE写线由 W/R控制（对应开关 WE）、CS2直接 接 +5

14、V 。2、实验接线（ 1） ALUBUS 连 EXJ3；（ 2） ALU01 连 BUS1 ；（3）SJ2连 UJ2;(4) 跳线器J23上T4连SD;(5) AR跳线器拨在左边，同时开关 AR拨在1电平。(6) MBUS 连 BUS2;(7) EXJ1 连 BUS3;(8) 跳线器J22的T3连TS3;(9) 跳线器J16的SP连H23;(10) 跳线器 LDDR1、LDDR2、ALUB、SWB、CE、WE、LDAR 拨在左 边(手动位置)。(11) “运行方式”开关置为“单步”3、实验步骤(1) 连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。(2) 形成时钟脉冲信号T3(3) 用二进制数码开关KD

15、0KD7向DR1和DR2寄存器置数。(4) 检验DR1和DR2中存入的数据是否正确(利用算术逻辑运算功能发生 器74LS181的逻辑功能，即 M=1, F=A或F=B实现)，之后完成求和运算(即 M=0,F=A+B。(5) 设置存储器单元地址，向该单元写入结果。(6) 将存储器中该单元的内容输出到数据输出LED上显示。1.将35H通过开关KD7KD0置入。cKD7KD0ALUB=1LDDR1=1SWB=0LDDR2=0T42.将、48H通过开关丿KD7KD0置入)具体操作如下图所示:KD7KD0DR1(ALUB=13.实现求和运算SWB=1MS3S0=01001ALUB=0cn=1kJIJLD

16、DR1=0LDDR2=1 T44.结果存入存储器 00H单元。ALUB=1 SWB=1KD7KD0=00HCE=1SWB=0DR2LZD7LZD0 =01111101LDAR=1T3SWB=1 ALUB=0 CE=0 WE=1LDAR=0T35.验证存放结果。ALUB=1 SWB=1 KD7KD0=00HCE=1SWB=0LDAR=1T3LZD7LZD0= 01111101 (7DH)SWB=1 CE=OWE=O LDAR=0实验四微程序控制器实验一、实验目的（1）掌握时序信号发生电路组成原理；（2）掌握微程序控制器的设计思想和组成原理；（3）深入掌握微指令、微命令、微程序的概念；（4）掌握微

17、程序的编制、写入，观察微程序的运行。二、实验要求（1）熟悉机器指令、程序、存储器、微指令、微程序、控制存储器的概念；（2）波形正确、测量数据要求准确；（3）写出实验报告。三、实验内容1、实验原理实验所用的时序电路由可产生 4个等间隔的时序信号TS1TS4，其中SP 为时钟信号，由实验机上时钟源提供，可产生频率及脉宽可调的方波信号。为 了便于控制程序的运行，时序电路发生器设计了一个启停控制触发器UN1B ,使TS1TS4信号输出可控。运行方式、运行控制、启动运行三个信号分 别是来自实验机上三个开关。当运行控制开关置为运行，运行方式开关置为连续时，一旦按下启动运行开关，运行触发器UN1B的输出QT

18、 一直处于 1状态，因此时序信号 TS1TS4将周而复始地发送出去；当运行控制开关 置为运行,运行方式开关置为单步时，一旦按下启动运行开关，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，每次只运行一条微指令，停机后可以观察微指令的代码和当前微指令的 执行结果。另外，当实验机连续运行时，如果运行方式开关置单步位置，也会使实验机停机。2、微程序控制电路微程序控制器的组成，其中控制存储器采用 3片E2PROM2816芯片，具有 掉电保护功能，微命令寄存器18位，用两片8D触发器74LS273和一片4D触 发器74LS175组成。微地址寄存器6位，用三片正沿触

19、发的双D触发器74LS74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，它具有三种状态：写入、读出、运 行。当处于写状态时，学生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。当处于读时，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

20、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。3、实验步骤(1) 根据机器指令画出对应的微程序流程图；同式立忡(E) tA1H即书羟即 LfcilqiJ 粘Rhqp日豪|席引?T*PCE)|观I U”与、卫lUr . =壮 JSJ Fcs-f *3X FPVTS- ! T* a -J WJ 1 P=J7iE l JkLL .艸削屮 T W1聊 T#%口即KI 間 i 吕卩弓.崔也 丄戶矚亠当处于iS行狀态时，只罢维岀诫程弊的入l_l牺地:LL.则可根据嵌程序航程图自功执行卿W呈呼.S3中繼地址奇存絆删出靖增加了一组三 洁:门CU I2) - 旳是將周丈辭的樹出，増

21、抑抗干虢力”幷用末他功懈地址TL示灯*幵中LIASUAO側&铉的启维撇地址，A. B,匸三作册宇股.M刖由三鲍详啊羟加电暗详码产生各寸空制荷号“ U字段中的PP C曰雄曰t测试字位.其马弟是抿裁叩器4目令灵相竝慟节：阳送订译吗，開脚鈕俘转入相極的诫地址扎I-,以而非现冊俚序的忙胖、令査、僅 环运行一其晚理如图彳一胡ff示囹中I7U沟托寺奇再話餉羽了2隹锚出.吕巨却已1拘櫥拉蛊申元脚地址锁沖扁餉趙弼(J出* AR为輯木 辽对是舌膨响逍位.脸刿尊和危控制位，低电平転民 &字阀:1闔F?2一 RDE-尺旧帶別曲縛寄右靄选谨佶号，的击存第选逼世号及变址寄 存閒训ifl伯号“苕功祚干根拥机器描吟亲进疔三

22、4丄作奇徉閒尺0、FS1及的诜询坪阴，XJftjUlBH3-F9,阳中10- 14为抬會寄徉容的卑Q 4位，LDRll打入工件霍存壽佰号的译稠器便桃羟制位.uwrOtii.iF.jfi（2）根据微程序流程图设计微指令，并按微指令格式转换成二进制代码。（3）实验接线 跳线器 J20、J21 连上短路片； 跳线器J16上SP连H23; UJ1 连 UJ2。（4）仔细查线无误后接通电源（5）观测时序信号 用双踪示波器观察方波信号源的输出。方法如下：将 运行控制 开关置为运行、运行方式 开关置为连续。按动启动运行 开关，从示波器上可观察 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

23、宽 度。（6）进一步了解微程序控制器的工作原理 写微程序A “编程开关”置为“写入”状态。B “运行控制”开关置为“运行”，“运行方式”开关置为“单步”状 态。C用二进制模拟开关 UA0UA5置6位微地址，UA0UA5的电平由 LKOLK5显示，高电平亮，低电平灭。D 用二进制模拟开关 MK1 MK24 置 24 位微代码， 24 位微代码由 LMD1 LMD24 显示灯显示，高电平亮，低电平灭。E.按动启动运行开关，启动时序电路，即可将微代码写入到E2PR0M2816的相应地址单元中。F重复C E步骤，将微代码全部写入 E2PR0M 2816中。 读微程序A. 将“编程开关”设置为“读”状态

24、。B. “运行控制”开关置为“运行”，“运行方式”开关置为“单步”状 态。C. 用二进制模拟开关UAOUA5置6位微地址。D. 按动“启动运行”开关，启动时序电路，读出微代码，观察显示灯 LMD1 LMD24 的状态，检查读出的微代码是否与写入的相同，如果不同，则 将“编程开关”置为“写”状态。重新执行即可。 单步运行A. “编程开关”置于“运行”状态。B. “运行控制”开关置为“运行”，“运行方式”开关置为“单步”状态。C. 系统总清，即“总清”开关拨0-1,使微地址寄存器 U14U16清 零，从而明确本机的运行入口微地址为 000000（二进制）。D. 按动“启动运行”开关，启动时序电路，

25、则每按动一次，读出一条微 指令后停机，此时实验机上的微地址显示灯和微程序显示灯将显示所读出的一 条指令。 连续运行A. 将“编程开关”置为“运行”状态。B. “运行控制”开关置为“运行”，“运行方式”开关置为“连续”状 态。C. 系统总清，即“总清”开关拨 0-1。使微地址寄存器 U14U16清 零，从而明确本机的运行入口微地址为 000000（二进制）。D. 按动“启动运行”开关，启动时序电路，则可连续读出微指令。实验五 基本模型机设计与实现一、实验目的（1）学习将运算器、微程序控制器和存储器三部件连机，从而形成一个简 单的模型机；（2）掌握微程序控制器如何控制数据通路实验中所用的数据通路；

26、（3）通过让 CPU 运行由若干条机器指令组成的简单程序，更进一步了解 机器指令和微指令的关系，了解微程序是如何解释机器指令的。二、实验要求（1）熟悉计算机指令的执行过程；（2）运行结果准确；（3）写出实验报告。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人为模拟产生的，而本次实验将能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，实验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。（1）有关微控制器部分在前一实验中已详细介绍（2）

27、主存储器的读、写和运行为了向主存储器 RAM 中装入程序或数据，并且检查写入是否正确以及能 运行主存储器中的程序，必须设计三个控制操作微程序。存储器读操作：拨动总清开关后，置控制开关 SWC、SWA 为0 0时，按 要求连线后，连续按 启动运行 开关，可对主存储器 RAM 连续手动读操作。存储器写操作：拨动总清开关后，置控制开关 SWC、SWA 为0 1时，按 要求连线后，再按 启动运行 开关，可对主存储器 RAM 进行连续手动写入。运行程序：拨动总清开关后，置控制开关 SWC、SWA 为1 1时，按要求 连线后，再按 启动运行 开关，即可转入到第 01 号取址 微指令，启动程序运 行。（3）

28、指令寄存器介绍 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，然后再传送到指令寄存器。指令划分为操作码和 地址码字段，由二进制构成，为了执行任何一条给定的指令，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。指令译码器根 据指令中的操作码进行译码，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。（4）输入 /输出设备本系统有两种外部I/O设备，一种是二进制代码开关 KDOKD7,它作为 输入设备INPUT ;另一种是数码显示块，它作为输出设备 OUTPUT。例如：输 入时，二进制开关数据直接经过三态门送到

29、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，驱动数码块显示。（ 5）设计指令根据基本模型机的硬件设计五条机器指令：外设输入指令 IN、二进制加法 指令ADD、存数指令STA、输出到外设指令 OUT、无条件转移指令JMP。指 令格式如下：助记符机器指令码说明IN0000 0000； 外部开关量输入KD0KD7的开关状态R0ADDaddr00010000XXXXXXXX ；R0+addrR0STAaddr00100000XXXXXXXX；R0 addrOUTaddr00110000XXXXXXXX；ad

30、drBU；JMP addr0100 0000 xxxx xxxx； addrPC说明：指令IN为单字节指令，其余均为双字节指令，xxxxxxxx为addr对应的主存储器二进制地址码。（6）基本模型机监控软件的设计 本模型机监控软件主要完成从输入设备读入数据，进行简单算术运算后， 将结果存入内存的某个单元，最后通过输出设备输出结果。监控软件详细如下：地址内容助记符说明0000 00000000 0000IN ；INPUTDEVICE R00000 00010001 0000ADD 0AH；R00AHR00000 00100000 10100000 00110010 0000STA 0BH；R00

31、BH0000 01000000 10110000 01010011 0000OUT 0BH；0BH BUS0000 01100000 10110000 01110100 0000JMP00H；00HPC0000 10000000 00000000 10010000 10100000 0001?自定义参加运算的数0000 1011?求和结果存放单元2、实验步骤（ 1 ）根据实验原理设计数据通路框图。（2）根据机器指令画出对应的微程序流程图 本实验的微程序流程，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

32、果出现多路分支。本机用指令寄存器的前4位1714作为测试条件，出现 5 路分支，占用 5个固定微地址单元。实验机控制操作为 P（ 4）测试，它以控制开关 SWC、SWA 作为测试条 件，出现了 3 路分支，占用 3 个固定微地址单元。当分支微地址单元固定后， 剩下的其它地方就可以一条微指令占用控存一个微地址单元随意填写。（3）根据微程序流程图设计微指令并转换成 16 进制代码文件。 当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，即按微指令格式将微程序流程图转化成二进制微代码表，再转换成 1 6进制代码文件。（ 4）实验接线a跳线器J1J12全部拨在右边（自动工作方式）；b、跳线器J16、J18、J23、J24全部拨在左边；c、跳线器J13J15、J19、J25拨在右边；d、跳线器J20J22、J26、J27连上短路片；e UJ1 连 UJ2, JSE1 连 JSE2, SJ1 连 SJ2;f、MBUS 连 BUS2；g、REGBUS 连 BUS5;h、PCBUS 连 EXJ2;i、ALUBUS 连 EXJ3;j、ALUO1 连 BUS1;k、EXJ1 连 BUS3;（5）读写程序手动方法写微程序参看实验六。 手动方法写代码程序（机器指令