(整理)pcc实验系统使用手册及实验指导书0001

1、第一章 TWL-PC教学实验系统概述 一引言 TWL-PCC十算机组成原理教学实验系统是专为计算机组成原理实验课程的开展而研 发的高性能的教学实验系统。该系统结构清晰，操作方便、灵活多样，其功能部件丰富，且 具有很高的开放性能（硬件和软件） ，结合联机操作软件，具有极佳的示教效果。 本实验系统由下位机实验操作开发平台和上位机联机软件操作平台构成。上位机用来进 行代码的编辑、联机通讯等，它可以监控下位机的所有控制信号，监视其运行，实时地修改 下位机中的存储器中的指令及微控器中的微代码，进行动态调试，不管是部件实验还是模型 机实验都具有用数据流图动态实时的表示出其总线间的数据流动、显示相关单元中的

2、数据内 容，从而将传统的实验操作变的形象直观、丰富多彩，极大的增强了学生的实验兴趣。 二系统功能特点 1两种操作方式，可相互切换，实验操作及观察更容易。 系统提供两种操作方式：通过 RS-232串行口与PC微机联机，可在 PC机上对系统进行 编程、装载、调试等操作，以动态图形界面进行实时显示，使得实验系统的任何动作都能形 象直观的表达出来，从而获得极佳的教学效果，也可用于多媒体辅助教学；系统也可单独使 用，通过拨动开关、 LED 显示灯及数码块等输入输出操作，进行编程、调试运行及显示等。 两种方式可以自由切换。 2多种形式的动态图形调试界面，对系统进行全面实时监控调试。 系统具有从部件实验到模

3、型机等多种动态图形监控调试界面，在调试过程中实时显示系 统中的各个部件单元中的内容、各控制信号的状态及各部件之间数据的动态传送过程等所有 信息。所以本系统的所有实验项目都有各自的这种动态图形方式监控调试，增进学生的理解 及提高实验效率。 3结构清晰的单元式实验电路，可根据具体要求构造出不同结构及复杂程度的原理性 计算机。 系统采用单元式结构电路，各个部件单元相互独立，用户可根据自己所设计的模型机结 构方案，将不同的单元用排线连接起来，来构造不同结构及复杂程度的原理性计算机。 4实验系统结构规范，硬件设计合理、可靠，组件完备、简洁。 实验系统旨在体现计算机基本硬件系统的组成原理，尽量简化复杂指令

4、系统和复杂体系 结构。总线结构规范清晰，系统总线由数据总线、地址总线及控制总线构成，而数据总线被 分成内部数据总线和外部数据总线。 硬件组件完备， 单元电路包括运算器、 存储器、 控制器、 寄存器堆、移位寄存器、程序计数器、堆栈指针、指令寄存器、指令及寄存器译码单元、中 断控制器、输入输出设备、外设译码等单元，并通过将各单元之间有关的信号线在实验时加 以连接，使学生便于理解掌握各单元的工作原理和整个计算机系统组成原理。 5实验系统具有极高的开放性，增强学生的综合设计能力。 实验系统的微程序控制器中的微代码及微代码格式均可由用户自己定义，从而可以设计 不同功能及复杂程度的指令系统，系统总线（包括

5、数据总线、地址总线及控制总线）也都可 由用户来操作连接，通过这些设计学生可以对计算机的原理及系统设计有更深入的理解和认 识。 6具有中断响应、中断允许、中断禁止和中断向量的读入等中断处理控制功能。 7部件实验具有总线冲突检测功能。 在做部件实验时是由手动拨动开关控制各个信号的，所以通过上位机的实时监控检测， 提示实验操作中是否出现总线数据冲突，从而更有效地避免了单元电路在实验操作不当时造 成的损坏。 8实验连线在线检测功能及逻辑示波器测量平台。 系统联机软件具有一个标准模型机的实验连线及单元电路好坏的在线检测功能， 通过 PC 机操作可以提示有问题的实验连线及相关单元电路。 另外，系统软件还具

6、有一个示波器功能， 通过表笔测量可以在计算机屏幕上同时显示 4 路逻辑信号的测量波形，有助于实验中的时序 及控制信号的测量分析。 三技术指标 1该实验系统机器字长8 位，运算器、存储器、寄存器等组件和内部数据总线、外部 数据总线、地址总线均为 8 位。 2. 控制器采用微程序控制，由4片28C16EEPRO组成，所以具有32位微代码。微地址 为8位，所以控存空间为 256 X 32位。控存中的微指令可根据指令的功能及微指令的格式自 行设计。 3. 采用6116RAM芯片作为主存，使用低 8位地址，可寻址 256个字节单元，来存放用 户程序和数据。 4. 实验系统上的时钟产生电路产生 50300

7、 HZ的时钟信号，可由可调电位器进行调节。 系统的时序发生器单元根据信号源产生T1、T2、T3、T4 节拍信号，以提供整个实验系统电 路的时序所需。 5. 由二片74LS181芯片以串/并形式组成8位算术和逻辑运算器，再由74LS299及其进 位控制电路组成移位运算器。3片74LS374组成3个8位的通用寄存器。 6. 具有中断控制功能，有中断响应、中断允许、中断禁止和中断向量的读入等中断处 理控制功能。 7. 具有堆栈指针功能，可控制加一减一，在RAM中设置堆栈区，由堆栈指针SP指向。 8. 实验系统上具有微程序的编程、校验及运行功能，微地址为8位。可由 32位微代码 二进制开关进行编程校验

8、。有 32 位微代码显示灯、 8 位微地址显示灯、 8 位总线显示灯， 8 位地址总线显示灯，分别独立的二进制开关组，每个开关有其状态显示灯。 9. 指令系统指令字长 8位，操作码 4位或 6位。模型机可以设计多种寻址方式。 10. 联机软件有从部件到模型机多种动态图形界面，模型机的图形调试界面可控制实验 系统单步微指令、单步机器指令、连续运行、设置断点、读写机器指令及微指令、文件的保 存及装载等功能。 11. 部件实验联机软件具有总线冲突报警功能。 12 实验连线在线检测功能及 4路逻辑信号示波器的逻辑信号测量平台。 13实验系统采用高效开关稳压电源，输出5 V、最大电流2A的直流模块电源，

9、具有短 路保护、过载保护、过压保护等功能。 四.主要实验项目 1. 运算器组成实验 2. 进位控制实验 3移位运算实验 4.静态存储器实验 5时序发生器及启停电路实验 6总线及数据通路组成实验 7.控制器实验 由一片GAL16V8和一个D锁存器（74LS74） 组成进位及移位控制电路，锁存器中锁存的为进位标志，有一个LED发光二极管指示其状态， 亮为高电平，灭为低电平，锁存器的清零端已接至“开关组单元”中的总清开关CLR上 ;移 位寄存器电路原理图如图 2.3所示，移位寄存器由一片 74LS299构成，它的输出使能由B_SR 控制，状态控制信号S1、SO、M和ALU的对应的状态控制信号共用，C

10、Y为进位锁存器的输出， 移位寄存器是在T4时刻发生装载或移位操作，移位寄存器的数据输入/输出端引至排针AJ5 上，其移位控制电路功能表如表2.1所示。 表2.1 移位控制电路功能表 B_SR S1 S0 M 功能 0 0 0 任意 保持 0 0 1 0 循环右移 0 0 1 1 带进位循环右移 0 1 0 0 循环左移 0 1 0 1 带进位循环左移 任意 1 1 任意 装载 cnQi B_AL出 S3 S2 S1 S0 T4 clR CN+4 ALU(181) B3 - B0 74L S74 D d CN CN+4 ALU(181) CP D7 AJ1 D0 . r+5/ NAND 鼻4 1

11、 CY Q B7B0 三态门(245) A7 A0 QA S1 QH S0 B SR NOT F3 - F0 F3-F0 MA3 - A0 B3 - B0 M A3 - A0 Q7- -Q4Q3- -Q0 TR1(273) CP Q7 - Q4 Q3 - Q0 TR2(273) CP D7D0小 C_TR11 T4 3 D7D0 C_TR2 T4 D7 D0 总线单元 图2.2运算器原理图 2 寄存器堆单元 寄存器堆单元电路原理图如图2.4所示。由三个寄存器 R0 R1、R2组成，分别由三个 带输出使能的寄存器 74LS374来实现。三个寄存器的输入已经接到了“总线单元”的内部总 线上，而三片

12、的输出共同连接至排针RJ1引出，它们输出分别由各自的输出使能信号B_R0 B_R1、B_R2控制，低电平有效。它们的打入时钟信号由各自门控信号C_R0 C_R1 C_R2和 T4脉冲相与得到。 B_R0B_R1 D7 DOB_R2 图2.4寄存器堆单元电路原理图 3 存储器单元 存储器单元电路原理图如图2.5所示。存储器部件由一片 6116 （2KX 8位）静态RAM芯 片组成。电路中将其地址线的高三位接地，所以实际用到的地址为 8位，共256个地址单元。 CS OE WE A7 A0 4 地址寄存器单元 地址寄存器单元电路原理图如图2.6所示。地址寄存器由一片74LS273组成，它的数据 输

13、入已经接到“总线单元”的内部数据总线上，输出数据线引至“系统总线单元”中的地址 总线上。地址寄存器的输出经一片74LS240反向后驱动8位的地址总线指示灯。地址寄存器 的打入脉冲由门控信号 C_AR和T3脉冲相与得到。 总线单元 5 程序计数器单元 程序计数器单元电路原理图如图2.7所示。程序计数器由两片 4位的计数器74LS161构 成，计数器的数据输入线已经接至“总线单元”的内部数据总线上，输出经过三台门（74LS245） 引至排针PJ1上，输出使能信号由 B_PC控制。计数器的打入时钟由门控信号C_PC和T4脉 冲相与得到，LD为装载有效信号。程序计数器的清零端已经接至“开关组单元”中的

14、总清开 关CLR上。 D7 D0 图2.7程序计数器单元电路原理图 6 .指令寄存器单兀 图2.8指令寄存器单元电路原理图 指令寄存器电路原理图如图2.8所示。其在构成模型计算机时作为指令译码电路的输入， 实现指令微程序入口地址及微程序的跳转控制。它由一片74LS273构成，数据输入已经接到 了“总线单元”的内部数据线上，输出由排针IJ1引出。打入时钟由门控信号C_IR和T3脉 冲相与得到。 7 时序发生器单元 时序发生器单元根据信号源及启停电路产生模型计算机所需的节拍脉冲信号0T1、0T2、 0T3 0T4,其电路原理图如图 2.9所示。 图2.9时序发生器单元电路原理图 它的基本原理是根据

15、方波信号源经过消抖电路产生四个等间隔的时序信号0T1、0T2、 0T3、0T4,并且受微动开关“ START和“连续/单步”开关的控制。当“连续 /单步”开关 置为“连续”时，按动微动开关“START启动时序，则产生连续的时序信号0T10T4;当 “连续/单步”开关置为“单步”时，每按动一次微动开关“START，则产生一组时序信号 0T1 0T4 另外，为提供单元实验时的各个时序信号，本单元还有一个独立的单脉冲产生及消抖电 路KK2,每按动一下微动开关KK2就产生一个稳定的单脉冲（包括一正一负），并通过排针 形式引出。见图 2.10所示。时序信号 OTH0T4和信号源的关系图如图2.11所示。

16、时序 电路也受总清开关 CLR的控制，当拨动 CLR开关1宀0 t 1时，会使时序发生器电路停止运行 并0T10T4输出全为0。 START KK2-二 KK2+| 0T1 0T2 0T3 0T4 CPU周期 CPU周期 图2.11时序信号0T10T4和信号源的关系图 8 信号源单元 信号源单元用来产生机器所需要的时钟信号，其电路原理图如图2.12所示。其电路由 一个555震荡电路组成，SY端输出一个可调频率的方波信号，由可调电阻进行调节，信号的 频率范围在50HZ300HZ之间。此电路用来给时序发生器产生信号源。 vcc 470 S- 10K 47K 224 lB 7 8 4 6 555 3

17、 2 1 5 104 SY 方波信号输出 信号源单元 图2.12信号源电路原理图 9 微程序控制器单元 本系统的微程序控制器单元主要由编程电路部分和核心微控器部分组成，其电路构成如 图2.13所示。 控制存储器由4片EEPROM芯片28C16并联组成，具有可重复编程及掉电保护功能，每 个28C16只使用A7A0地址，高三位 A10、A9、A8被接地，它们的地址 A7A0分别并到一 起，每片的数据位为 8位，所以，控存的容量为256X 32位。控存的数据线输出至微指令寄 存器，微指令寄存器由3片锁存器74LS273和4片2D触发器74LS74组成，它们的时钟脉冲 为T2脉冲信号。3片273输出2

18、4位微命令信号，可以部分信号译码译出更多位，4片74LS74 构成8位的后续微地址，经过一个三态门74LS245又输出到控存的地址线上。这样在时序信 号的控制下，可以连续的读出控存中的微代码去完成相应的微操作，从而解释每一条机器指 令的执行。控存的32位数据端有32位微代码指示灯，8位微地址有8位的微地址指示灯。 为了在本地状态下手动为控存编程及校验，本单元设置有一个编程开关及其控制电路， 在该单元的右上脚。该编程开关有三种状态：编程、校验及运行。 开关拨在“编程”状态下，即可以手动给控存写微代码。此时8位微地址寄存器的输出 三态门关上，控存的地址由手动编程微地址锁存器74LS374给出，它的

19、使能打开，时钟脉冲 为T1脉冲信号。锁存器的输入可由8位数据开关给出；而 32位的微代码由32位微代码输 入开关给出，此时 32位微代码经过的三态门打开，数据输入到控存的数据线上，这样用开 关置上微代码和微地址后，启动时序，由产生的T1脉冲在其上升沿将微地址打入到手动微 地址锁存器，在其高电平状态控存为写状态，会将32位微代码开关上置的数据写入到相应 的微地址中。 开关拨在“校验”状态下，即手动读出某微地址中的微代码。同样此时8位微地址寄存 器的输出三态门关上，控存的地址由手动编程微地址锁存器74LS374给出，它的使能打开， 时钟脉冲为T1脉冲信号。锁存器的输入可由8位数据开关给出；而 32

20、位微代码输入开关的 三态门关闭；启动时序，由产生T1脉冲在其上升沿将微地址打入到手动微地址锁存器，此 DL丄 0VT( 1VT匸 2VT r 3VT i 74LS24 5 g .a_ Qc 1U 20 码译831 Y ,4_ 1Y Y J Y 0 TN_C r RA_C i R_C r i R_C l 2RT_C r 1RT_C r 6 5 码0 译B 8b B 6冬 4- 6_Y 2 6 S 1 / Y- 6 CN Rm kk RR TN_B t CP_B i DR_B( 3R_B c PS_B c RS_B t ULA_B t 7 OA 1A 2a 码译 831 Y 6 Y 5 4 4 3

21、 6 2 Y 6一 3ZZSL4Z FC _： 、. D/U e PS_C c CP_C DR t EV 0 0 0 0 陆 i 0 ni rsr 0 d 0 0 Oi 0 0 L n Q 0 n I 0 o D d a 0 0 i 1 0 D D n a D D D 1 打 ! D D 0 a a D 1 1 O 3 D3HZZBDC U Q Q Q Q 1. 1 J Q Q Q 0 0 3 Q P 0 1 Q 1 Q Q Q Q a Q Q i 1 J Q QWZZW a 0 0 0 Ci 0 1 1 1 0 0 0 0 0 j 0 0 D 1 D 3 0 a 0 0 0 0 0 Oi 1

22、 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 j 0 0 a Q 0 0 Cl 0 Q a J 口 D 1. 1 口 D Q a 口 D Q D 0 1 97czsaa Qi 0 0 0 1 0 1. 1 1 1 0 a 0 0 I 0 0 L 0 1 I 0 0 D 0 0 0 0 Q! 0 0 a OKsaoa Oi 0 0 0 u 0 1 1 J 0 0 a Q 0 u 0 1 0 1 0 a 0 0 0 Li 0 L D D382280B 0 0 0 0 0 也 i 1 a 1 0 a 0 d I D D 0 c 0 0 D Q d 0 0 0 0 fl 0 曲畑 D D a D D i

23、E D D a 3 D D D 打 II D 1 a D D D a 3 DZAZCEaS 0 fl Q Q Q I i Q D Q g Q Q Q Q Q 1 1 Q Q Q Q Q Q 0 0 0 Q 3 欣他J 0 0 0 0 u 0 I 1 0 0 0 0 1 K 0 0 0 0 0 U 0 L 1 j 1 0 a 0 0 0 0 Di D 0 0 0 a 0 0 0 0 0 Oi D 0 OK 3XO L 1 j j 1! D L 1 a 1 a a Q 0 0 D L 0 a 0 0 a 0 d 0 0 L 0 0 0 0 D D a a 0 D 1 D D D a 3 D D D

24、 0 I D D 0 a 口 L 1 0 naazaaiE 1 二讲 十立讲屯第岛IE向1 ooccixnki ECCCCCDD QOLHMWO OCOLW 1X010000 OOCCCUDL ooLiccon OLtM-WO WOLOOOL DlOIGNM CCCCCCDD OOLOLMI29 图3.4代码编辑器 在十六进制代码列项中填上十六进制数，会同步转化为前边的二进制数据显示。在32位微 代码表示符中，有三个字段译码A字段（A2、A1、AO）、B字段（B2、B1、BO）、C字段（C2、 C1、C0）,将鼠标放到这些字符上，可以提示出这些字段对应的译码控制信号。机器指令编 辑区同样在相应

25、的地址单元填写二进制或十六进制机器指令及数据。 用鼠标右键单击微指令或机器指令的任意地址单元，可弹出三个选择项：对该地址单元 中的内容“用1填充”、“用0填充”及“清空这一行”。 在菜单【文件】中，有【新建】、【打开】、【保存】、【另存为】、【退出】等选项。选择 【保存】或【另存为】会将编辑的代码保存成后缀为“.TWL的文件，可以用于打开编辑 或向下位机装载。 2、模型机通路图 在【视图】中选择【模型机通路图】，就进入模型机通路图调试界面，如图3.5所示。 -IffljJ 文件（E） VIEW BiKz）画S调边E帮輒也 :口酹口 忑1 f盯寻比區円乔r 11 0? 图3.5 模型机通路图 该

26、调试界面主要分三个区域：图形动态调试区，指令区及输出区。 图形动态调试区用做模型机实验的通路图显示、数据流动态传输、各个部件的控制信 号状态及各个部件中的内容等。 在实验实时调试时，通路图中的所有控制信号颜色为高亮（红色）显示时表示此信号此 时为高电平；相反，为低亮（黑色）时表示为低电平。 指令区包括机器指令窗口和微指令窗口，机器指令窗口用来实时显示下位机中的存储 器中的指令和数据，而微指令窗口用来实时显示下位机中控存中的微代码。它们的地址单元 数都为256条（00HFFH,地址和数据都为十六进制显示。微代码32位，所以微代码的数 据内容为8个十六进制数，而机器指令为8位，所以机器指令数据为

27、2个十六进制数。 联机实验时，可以双击任意地址中的数据进行实时修改，在机器指令窗口中任意地址上 单击鼠标右键可以设置 /取消机器指令断点，以方便模型机调试。同时，在微指令窗口用箭 头显示出当前正在执行微指令对应的地址（黄色箭头）和下条将要执行的微程序的地址（红 色箭头），而在机器指令窗口，用黄色箭头显示当前正在执行的机器指令的地址。 输出区为微指令的 32位详细微指令解释，鼠标放到A、B、C字段译码位上会提示相 应的译码逻辑。地址单元共 256条，可拉动窗口滑动块查看。做模型机实验调试运行时，每 单步一条微指令，会将当前的微代码自动滑动显示到该窗口的第一行。 在模型机通路图调试中，有单步微指令

28、、单步机器指令、连续运行、停止运行、强制停 止及设置/取消机器指令断点等操作，如图3.6所示。 调试（0帮助 单步锻指令（邺 F10 乔 单歩机黑指令（ FB El 连续运行帖 F5 團 停止运行 Ctrt+F5 STOP 强制停止 讲行部件调试 Ctrl + F9 设置r取消机器指令断点 F9 图3.6 调试菜单 其中，【连续运行】时，点【停止运行】是正常停止机器指令运行，即在一条机器指令 结束后才停止继续运行，而【强制停止】是不管单步机器指令还是连续运行，在点击【强制 停止】后，会在当前的微指令处停止，而不管当前执行的机器指令是否执行完成。设置/取消 机器指令断点先将鼠标选择需要设置断点的

29、机器代码地址，然后选择【调试】一【设置/取消 机器指令断点】或直接点击其快捷按钮。 在【转储菜单】中，有代码窗口刷新、装载代码及保存代码等操作。如图3.7所示。 转储通信调试世 代码窗刷新Q 昌装载代码 缶保存代码 图3.7 转储菜单 其中，【代码窗口刷新】的操作功能为将微指令窗口和机器指令窗口对应的下位机中控 存和存储器的所有代码读出来进行窗口刷新。 【装载代码】为将 PC机中所保存的代码文件（包括微代码和机器代码，文件后缀名为 *.TWL）装载到下位机对应地址单元的控存或存储器中。选择该命令会弹出一个打开文件对 话框，如图3.7所示。 打开文件窗口提示打开文件类型为*.TWL文件，这类文件

30、为在“代码编辑器”编辑并保 存的文件或选择【保存代码】功能保存的文件。 图3.7 装载代码 【保存代码】是将下位机中控存或存储器中的内容保存成*.TWL文件，以备下次可以直 接装载或由“代码编辑器”打开编辑。选择该命令会弹出一个对话框，如图3.8所示。 图3.8 保存代码 通过取消对勾可以选择只保存微指令或机器指令，默认的为都保存。可以自己定义保存 的起始地址和结束地址，默认的为00H20H。点确定后，弹出另一个对话框，输入要保存成 的文件名即开始保存，保存成一个.TWL文件。 3）部件实验视图 如图3.3所示，点击【部件实验视图】会弹出扩展菜单，有6个部件实验通路图：运算 器通路图、进位控制

31、通路图、 移位运算通路图、 存储器通路图、总线通路图和微控器通路图。 它们为做部件实验时对应的调试数据通路图。只要选择一个数据通路图，就可以进行实时显 示调试对应的部件实验，可以选择菜单【调试】一【停止运行】停止部件调试，停止后可以 选择【进行部件调试】重新开始监控显示。各部件实验时下位机各相关信号状态发生变化， 通路图中的对应信号会以不同的亮度表示其电平状态，高亮（红色）表示高电平，低亮（黑 色）表示低电平。当有总线数据流动时，通路图也会有动态数据流流程显示。部件及总线的 数据值也直接显示出来。在各部件数据通路图如下: 图3.9运算器数据通路图 图3.10进位控制数据通路图 图3.11移位运

32、算数据通路图 图3.12存储器数据通路图 Q 區EQ昵 缶斋回円邵即 哲茁srif塾蟹 图3.13总线数据通路图 图3.14微控器通路图 4）示波器视图 0S3 示波器视图如图3.15所示。在实验系统的“单片机管理单元”中有4个表笔插孔： 0S2 OS1 OS0可以同时测量 4路逻辑信号。打开【视图】一【示波器视图】后，点“启 动”按钮，即可以同时显示此 4路波形，同时可以进行波形的放大与缩小。当点击“暂停” 图3.15示波器视图 按钮后，可以暂停示波器的信号采集，此时用鼠标拖动两竖向的标尺线，即可以在“时间” 框中直接显示出两标尺线之间的时间长度。 实验 运算器组成实验 一、实验目的 1、学

33、习数据信息的表示方法，熟练掌握几种四则运算方法。 2、掌握运算器的工作原理及其组成结构，学习运算器的设计方法。 3、熟悉简单运算的数据传送通路。 4、验证运算器功能发生器 （74LS181） 的组合功能。 5、按给定数据，完成几种指定的算术和逻辑运算。 二、实验设备 1、TWL-PCC十算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。 2、PC微机一台（选配）。 三、实验原理 运算器是数据的加工部件，是中央处理器的重要组成部件，也是学习十算机整机运行原 理与设十能力最基础的一个环节。它是用二进制进行算术和逻辑运算的部件。最基本的结构 是由算术逻辑部件（ALU）、若干数据寄存器、累加器和数据总线等逻辑构

34、件组成。它的主要 功能是进行加、减、乘、除等算术运算和其他的逻辑运算。 本实验中所用的运算器数据通路图如图 1.1 所示。 完成本实验需要“输入设备单元”给出不同的数据来使“运算器单元”进行运算。 本通路图中运算器单元由算术逻辑运算单元（ALU）、两个字长的工作暂存器 TR1和TR2 及一个 8 位的输出三态门组成。 其中ALU是由两片74LS181以并-串型构成的8位字长的算术逻辑运算单元。 右方为低4 位运算芯片，左方为高 4位运算芯片。低位芯片的进位输出端CN+4与高位芯片的进位输入 端CN相连，使并行的低 4位运算产生的进位串行的送进并行高4位运算中。从而产生 8位 字长的运算结果。低

35、位芯片的进位输入端 CN 可与外来进位相连，高位芯片的进位输出引至 外部。两个芯片的控制端 S3、S2、S1、S0 M相应的控制信号相互并到一起由排针引出至外 部。 74LS181 的功能表见表 1-1 。 参与运算的两数据暂存器 TR1和TR2由锁存器74LS273来实现，要实现两个操作数的运 算，必须先将两数据分别打入到暂存器TR1及TR2中，这两个暂存器 TR1和TR2的打入时钟 由C_TR1和C_TR2分别与T4脉冲相与得到。当 C_TR1或C_TR2为高电平时，此时来一个 T4 脉冲，内总线上的数据即被打入到相应的暂存器中。 运算器的运算结果数据输出经过一个三态门（74LS245）连

36、接到内总线上，此三态门输 D7DO AJ1 运算器单元 B_ALU CNC- 7 G CN+4 F3- F3-FO FO C ALU(181) M A3 - AO B3 - BO M A3 - AO M Q7- -Q4 Q3 - QO C_TR1$ T4仆 C_TR2G. B7 - - - bO 三态门(245) A7 AO CP TR2(273) D7DO 0 CN+4 S3 S2 S1丄 SO CN B3 - BO CN+4 ALU(181) Q3- -QO Q7 - Q4 CP TR1(273) 斗 D7DO 数据总线 D7 DO 图1.1运算器数据通路图 出由一个B_ALU控制信号控制

37、，当 B_ALU为低电平（0）时，运算器的运算结果输出至内总 线上，而为高电平（1）时，则输出高阻态，不影响内总线上的其他数据。 同时，“输入设备单元”的8位数据开关也经过一个三态门（74LS245）连接到内总线上， 它用来给出参与运算的数据。该三态门的输出由B_SW和RD控制信号相或得出，当或的结果 为低电平（0）时，数据开关所置的数据输出至内总线上，而当相或的结果为高电平（1）时, 则输出高阻态。 “数据总线”单元上的总线数据显示灯已与内总线相连，用来显示内总线上的数据。运 表1.1 74LS181 的逻辑功能表 输入为A和B,输出为F,为正逻辑。 S3 S2 S1 S0 M=0（算术运算

38、） M=1（逻辑运算） Cn=1（无进位） Cn=0（有进位） 0 0 0 0 F=A F=A 加 1 F=A 0 0 0 1 F=A+B F=(A+B)加 1 F=A+B 0 0 1 0 F=A+B F=(A+B)加 1 F=AB 0 0 1 1 F=0 减 1 F=0 F=0 0 1 0 0 F=A 加 AB F=A加AB加1 F=AB 0 1 0 1 F=AB加(A+B) F=AB 加(A+B)加 1 F=B 0 1 1 0 F=A减B减1 F=A减 B F=A B 0 1 1 1 f=Ab 减 1 f=Ab f=Ab 1 0 0 0 F=A 力口 AB F=A 力口 AB 力口 1 F

39、=A+B 1 0 0 1 F=A 加 B F=A加B加1 F=A B 1 0 1 0 F=AB 加(A+B) F=AB 加(A+B)加 1 F=B 1 0 1 1 F=AB 减 1 F=AB F=AB 1 1 0 0 F=A 加 A F=A加A加1 F=1 1 1 0 1 F=A 加(A+B) F=A加(A+B)加 1 F=A+B 1 1 1 0 F=A 加(A+B) F=A加(A+B)加 1 F=A+B 1 1 1 1 F=A 减 1 F=A F=A 算器单元所须的T4脉冲信号连接至该单元的T4排针端。实验时，将“时序发生器单元”的 微动开关KK2的输出KK2琏接到该单元的T4排针端，按动一

40、下微动开关，即可获得一个单 脉冲信号。此实验中的其他S3 S2、S1、SO、M CN C_TR1 C_TR2 B_ALU B_SW RD等 都为电平信号，将他们连接到“开关组单元”中的二进制数据开关上来模拟不同的电平状态。 “开关组单元”的 SW1-SW17为相互独立的二进制数据开关，开关向上时为0，开关向下时 为1,每个开关无固定用途，可根据实验具体情况选用，为方便实验，实验板丝印上将若干 开关又重定义了一些控制信号的名称，以方便实验连线和查找。 对于单总线数据通路，做实验时就要分时控制总线，即在一个时间不能有两个或两个以 上的数据输出至总线上，这样会造成总线数据冲突。在此实验时，当向TR1

41、或TR2工作暂存 器打入数据时，数据开关三态门打开，这时应保证运算器输出三态门关闭；同样，当运算器 输出结果至总线时也应保证数据输入三态门是在关闭状态。 本TWL-PCC计算机组成原理实验系统中的所有LED指示灯均为亮时所示状态为高电平 （1），灯不亮时所示其状态为低电平（0）。 在做本实验时，结合本实验系统配套的上位机联机操作软件，将实验系统和PC微机用 配套的串行电缆相连，打开实验系统电源，在软件中选择正确的串口并保证通讯成功后，选 择【视图】一【部件通路图】一【算术逻辑运算】，即可实时观测该实验各个控制信号的状 态、显示动态数据流及总线数据是否冲突等各种情况，以使实验效果更形象直观。 四

42、、实验步骤 1连接实验线路。参考实验连线图见图1.2。图中将用户需要连接的信号线用小圆圈标 明（以后其它实验相同，不再说明）。仔细检查无误后，接通电源。 图1.2运算器组成实验接线图 2、 先置相关的控制信号为初始态， 即使运算器和输入设备的输出都为高阻态（B_ALU=1 B_SW=1 , “输入设备单元”中的 RD信号可以一直为低电平（RD=0 ,暂存器TR1和TR2的 门控信号都为低电平（C_TR1=0 C_TR2=0。 3、 通过“输入设备单元”的数据开关向暂存器TR1中置数。 拨动8位数据开关形成一个 8位二进制数。（如01100010）。 数据开关上的数据输出至总线（B_SW=0 ,

43、打开暂存器TR1的门控信号（C_TR仁D。 按动微动开关 KK2,产生一个T4脉冲，将数据开关上的数据 （01100010）打入到TR1 中。然后关掉暂存器 TR1的门控信号（C_TR仁0。 4、 通过“输入设备单元”的数据开关向暂存器TR2中置数。 拨动8位数据开关形成一个 8位二进制数。（如10101101）。 数据开关上的数据输出至总线（B_SW=0 ,打开暂存器TR2的门控信号（C_TR2=D。 按动微动开关 KK2,产生一个T4脉冲，将数据开关上的数据 （10101101）打入到TR2 中。然后关掉暂存器 TR2的门控信号（C_TR2=0。 5、关掉数据开关的输出三态门（B_SW=1

44、，打开运算器的数据输出三态门（ B_ALU=0 , 使运算器输出至总线上。此时，改变运算器的控制信号S3、S2、S1、S0 M及CN的状态， 就可获得不同的运算结果。参照表 1.1其逻辑功能表。 女口：先检验TR1和TR2中打入的数是否正确，可将 S3、S2、S1、S0及M分别置为1、1、 1、1、1时总线上显示的为 TR1中的数；而置成1、0、1、0、1时则显示的为 TR2中的数。 五、实验要求 1、 做好实验预习，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 用的控制开关的作用和使用方法。 2、置数TR1=62H TR2=ADH改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，记录到

45、下表 1.2中，并进行理论分析，得出结论。 表1.2 DR1 DR2 S3 S2 S1 S0 M=0 （算术运算） M=1 （逻辑运算） Cn=1 无进位 Cn=0 有进位 62 AD 0 0 0 0 F=() F= ( ) F=( ) 0 0 0 1 F=() F= ( ) F=( ) 0 0 1 0 F=() F= ( ) F=( ) 0 0 1 1 F=() F= ( ) F=( ) 0 1 0 0 F=() F= ( ) F=( ) 0 1 0 1 F=() F= ( ) F=( ) 0 1 1 0 F=() F= ( ) F=( ) 0 1 1 1 F=() F= ( ) F=( )

46、 1 0 0 0 F=() F= ( ) F=( ) 1 0 0 1 F=() F= ( ) F=( ) 1 0 1 0 F=() F= ( ) F=( ) 1 0 1 1 F=() F= ( ) F=( ) 1 1 0 0 F=() F= ( ) F=( ) 1 1 0 1 F=() F= ( ) F=( ) 1 1 1 0 F=() F= ( ) F=( ) 1 1 1 1 F=() F= ( ) F=( ) 实验二 进位控制实验 、实验目的 1 、了解带进位控制的运算器中的进位控制电路的组成结构。 2 、验证带进位控制的算术运算器功能发生器的功能。 、实验设备 1、TWL-PCC十算机组

47、成原理教学实验系统一台，排线若干。 2、PC微机一台（选配）。 三、实验原理 运算器的首要功能是完成对数据的算术和逻辑运算，它在给出运算结果的同时，还给出 结果的某些特征，如有无进位，结果是否为零，溢出否等，这些结果特征信息通常保存在几 个特定的触发器中及一些功能电路来控制。 本实验的进位控制运算器的实验通路图如图 2.1 所示。 本实验在实验一的基础上，增加进位控制部分。运算器的最高位进位输出CN+4连接到 一个锁存器（74LS74）的D输入端，锁存器的打入时钟由进位允许信号CP逻辑取反后和T4 脉冲进行逻辑与产生，即当 CP控制信号为低电平（0）时，此时再当有一个 T4脉冲到来时， 则会使

48、D触发器产生一个有效的打入时钟，会将当前的运算器的最高位进位CN+4取反打入 到进位锁存器中。由于我们实验中的74LS181用的是正逻辑，所以当产生进位时CN+4为低 电平，反之为高电平，同样，运算器的最低位CN也是低电平时为有进位输入。当进位允许 信号CP低电平时，锁存器中的进位位取反后进入运算器的最低进位输入位CN 进位锁存器的清零端 CLR以连接到了 “开关组单元”的总清开关CLR上，所以拨动 CLR 开关1宀0t 1，可以使进位锁存器清零。进位位为1时进位指示灯亮，为 0时灭。 由于进位锁存器是在 T4 时刻打入的，所以当改变运算器的控制状态，若运算器的最高 位CN+4产生进位，只有在

49、按动 KK2产生一个T4脉冲时才将进位打入到进位锁存器中，而此 时总线上显示的运算器的运算结果也会发生改变，为最低位CN为0的运算状态。 四、实验步骤 1 、连接实验线路。参考实验连线图见图 2.2 。仔细检查无误后，接通电源。 2、将进位标志清零，方法为拨 CLR开关从1t 0t 1。 3、用二进制数据开关向 TR1和TR2置数。具体操作步骤同实验一。 4、 关闭数据开关输出三态门（ B_SW=）1 , 打开运算器输出三态门（ B_ALU=0） ,此时若做 加法功能，则置 据为 TR1+TR2 开关组单元 CN NAND CY4 CP T4 B_ALUA. CLR 74 LS74 D DO

50、AJ1 NOT CN+4 F3-F0 CN M B7 B0 三态门(245) A7 A0 ALU(181) MA3 - A0 B3 - B0 S3 c S2 S1 c S0 CN+4 ALU(181) M A3 - A0 B3 - B0 Q7- -Q4Q3- -Q0 Q7 - Q4Q3 - Q0 CP TR1(273) CP TR2(273) A D7D0 扎 D7D0 C_TR1t T4 0 C_TR2( S3、 运算器单元 口 G B_SW； RD O 输入设备单元 D7 数据总线 D0 B7 B0 三态门(245) A7 A0 数据开关 图2.1带进位运算器通路图 S2、S1、SO、M

51、CN状态为1、0、0、1、0、1,此时总线显示灯上的数 5、置进位允许信号（CP=O），按动微动开关 KK2产生T4脉冲，若前边的 TR1+TR2有进 位产生，则进位标志灯亮，进位锁存器中打入进位位 CY=1,此时总线上的数据为 TR1+TR2+CY 若没产生进位则进位标志灯灭，进位锁存器中打入的进位位CY=0 五、实验要求 1、实验并记录 63H+A7H+CY勺结杲和标志。 2、实验并记录 63HA A7H的结杲和标志。 3、实验并记录 D6H+34H+CY勺结杲和标志。 4、实验并记录25D6H+8334H的结杲和标志，写出你操作的流程。 时序信号 发生器单元 KK2+ O T4 总线单元

52、 O-L D7 . D0 AJ 1 运算器单元 CP S3 CN q Q 6 C_TR1 C_TR2 B_ALU D7 . D0 输入设备单元 RD B_SW 占 1 o o o o SW17 SW16. .SW11 SW10 SW9 SW7 SW4 SW3 (CP) (S3 CN) (C_TR1) (C_TR2) (B_ALU) (CS) (B_SW) 开关组单元 图2.2进位运算实验接线图 实验二移位运算实验 一、实验目的 1、了解移位寄存器 74LS299的功能。 2、验证移位控制电路的组合功能。 二、实验设备 1、TWL-PCC十算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。 2、PC微机一

53、台（选配）。 三、实验原理 运算方法的基本思想是：各种复杂的运算处理最终可分解为四则运算和基本的逻辑运 算，而四则运算的核心是加法运算。通过补码运算可以化减为加，加减法运算与移位运算配 合可以实现乘除运算，阶码运算与尾数的运算组合可以实现浮点运算。所以，为了用硬件线 路完成乘除指令运算，运算器内一般有一个能自行左右移位的专用寄存器。 本实验移位运算通路图见图3.1所示。 其中使用一片74LS299作为移位寄存器，逻辑功能见附录 A。其8位输入/输出端以排针 形式留出可与总线单元相连。使能控制为 B_SR,低电平有效。时钟为 T4脉冲。此移位控制电 路的控制信号由 S1、S0 M来组合产生不同的

54、状态，他们和运算逻辑单元74LS181的控制位 S1、S0 M共用相同的输入端排针。此移位控制逻辑电路的功能如表3.1所示。 表3.1 移位控制电路功能表 B_SR S1 S0 M 功能 0 0 0 任意 保持 0 0 1 0 循环右移 0 0 1 1 带进位循环右移 0 1 0 0 循环左移 0 1 0 1 带进位循环左移 任意 1 1 任意 装载 四、实验步骤 1、 连接实验线路。参考实验连线图见图3.2。仔细检查无误后，接通电源。 2、向移位寄存器置数。 CY SO 拨动数据输入开关形成一个二进制数。 打开数据开关的输出三态门（B_SW=0,RD=0 置S0=1、S仁1,并按动微动开关

55、KK2产生T4脉冲信号，则将数据开关输出到总线 上的二进制数置入了移位寄存器。 关闭数据开关输出三态门（B_SW=1 。 3、移位运算操作。打开移位寄存器的输出使能（B_SR=O）,将S1、S0置为0、0,检查移 位寄存器装入的数据是否正确，然后参照表3.1改变不同的状态，并按动微动开关 KK2观 察总线指示灯，记录移位结果。 五、实验要求 1、设置几组数据（如 B2H、67H等）进行各种移位并记录移位结果和标志，分析是否 正确。 2、思考设计一个实验流程，根据移位相加的原理，设计一个简单的两个数的乘法运算。 图3.2移位运算实验接线图 实验四静态存储器实验 一、实验目的 1 、掌握静态随机存

56、储器 RAM的工作特性及使用方法。 2、了解半导体存储器存储和读出数据的方法。 二、实验设备 1、TWL-PCC十算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。 2、PC微机一台（选配）。 三、实验原理 主存储器是传统计算机硬件系统的五大功能部件之一，用于存储程序和相关数据。其容 量和读写速度等指标，对计算机总体性能有重大影响。 本实验静态随机存储器通路图见图4.1所示。 本实验所用半导体静态存储器由一片 6116构成，其容量为 2048X 8位。从原理图中可 以看出它的A10-A8脚接地，只有 A7-A0地址使用，所以实际使用存储容量为 256字节。存 储器的地址线 A7-A0、数据线D7-D0、

57、控制线片选线 CS写线 WE及输出使能线 0E均由排针 引出，供用户接线。6116功能表见表4.1所示。 表4.16116功能表 状态 CS OE WE D7D0 未选中 1 X X 高阻抗 禁止 0 1 1 高阻抗 读岀 0 0 1 数据读岀 写入 0 1 0 数据写入 写入 0 0 0 数据写入 实验时，存储器的地址由“地址寄存器单元”给出。地址寄存器的输入和存储器的数据 都接到内总线上，他们是由“输入设备单元”的数据开关经三态门连接到总线上分时给出地 址和数据。 地址寄存器的打入时钟是由C_AR和 T3脉冲相与得到。所以在电平控制信号C_AR为高 电平时，此时来一个 T3脉冲，即会产生一

58、个有效的打入时钟，将当前总线上的数据打入到 地址寄存器中，同时，地址指示灯实时显示地址寄存器中的内容。实验中T3脉冲可以由按 动微动开关KK2产生，只要将“时序发生器单元”中的KK2+排针端接到“总线单元”的T3 端上即可。 图4.1静态存储器通路图 四、实验步骤 1 、连接实验线路。参考实验连线图如图4.2所示。仔细检查无误后，接通电源。 2、连续写存储器。给存储器的OOH、01H 02H、03H 04H地址单元分别写入数据 AAH BBH CCH DDH EEH 写地址。关存储器的片选线（CS=1），同时WE=1 0E=1,打开数据开关的输出三态门 （B_SW=O RD=O ,此时数据开关

59、中的数输出占领总线，将数据开关的数置为00H （00000000 ），打开地址寄存器打入门控信号（C_AR=）然后按动微动开关KK2产 生T3脉冲，即将00H打入到地址寄存器中，同时地址总线指示灯显示。 写数据。关掉地址寄存器的门控信号 （C_AR=0 ,将数据开关的数置为 AAH 10101010）, 打开存储器的片选线（CS=0，将写线 WE进行10-1操作，此时数据开关中的数 AAH以被写到存储器的 00H地址单元中。 重复，分别在 01HH 02H O3H 04H地址单元中写入数据 BBH CCH DDH EEH 3、连续读存储器。将存储器 OOH、01H 02H 03H 04H地址单

60、元中的数分别读出，观 察读出的结果与写入结果是否一致。 写地址。关存储器的片选线（CS=1），同时WE=1 0E=1,打开数据开关的输出三态门 （B_SW=O RD=O ,此时数据开关中的数输出占领总线，将数据开关的数置为00H （00000000 ），打开地址寄存器打入门控信号（C_AR=）然后按动微动开关KK2产 生T3脉冲，即将00H打入到地址寄存器中，同时地址总线指示灯显示。 读数据。关数据开关的输出三态门（ B_SW=1 ,打开存储器的片选线（CS=0），置读 线有效（RD=0,此时总线上显示的即为从存储器00H地址单元读出的数据 AAH 重复，分别读出 01H 02H O3H O4