计算机组成原理实验报告

1、 实验报告书实验成绩平时成绩实验报告成绩实验总成绩 实验名称： 计算机组成原理实验 专业班级： 113030701 学 号： 113030701 姓 名： 联系电话： 指导老师： 张光建 实验时间： 2015.4.30-2015.6.25 实验二 基本运算器实验一、 实验内容1、 根据原理图连接实验电路2、 输入两个数，根据机器运算结果将其填入下表。（本实验用65H，A7H两个数）。运算类型A B S3 S2 S1 S0 CN 结果65 A7 0 0 0 0 X F=( 65 ) FC=( ) FZ=( ) 65 A7 0 0 0 1 X F=( A7 ) FC=( ) FZ=( ) 逻辑运算

2、 0 0 1 0 X F=( ) FC=( ) FZ=( ) 0 0 1 1 X F=( ) FC=( ) FZ=( ) 0 1 0 0 X F=( ) FC=( ) FZ=( ) 0 1 0 1 X F=( ) FC=( ) FZ=( ) 0 1 1 0 0 F=( ) FC=( ) FZ=( ) 移位运算 1 F=( ) FC=( ) FZ=( ) 0 1 1 1 0 F=( ) FC=( ) FZ=( ) 1 F=( ) FC=( ) FZ=( ) 1 0 0 0 X F=( ) FC=( ) FZ=( ) 1 0 0 1 X F=( ) FC=( ) FZ=( ) 1 0 1 0（FC

3、=0） X F=( ) FC=( ) FZ=( ) 算术运算 1 0 1 0（FC=1） X F=( ) FC=( ) FZ=( ) 1 0 1 1 X F=( ) FC=( ) FZ=( ) 1 1 0 0 X F=( ) FC=( ) FZ=( ) 1 1 0 1 X F=( ) FC=( ) FZ=( ) 3、比较实验结果与手工运算结果，如有错误，分析原因。二、实验原理运算器可以完成算术，逻辑，移位运算，数据来自暂存器A和B，运算方式由S3-S0以及CN来控制。运算器由一片CPLD来实现。ALU的输入和输出通过三态门74LS245连接到CPU内总线上。另外还有指示灯进位标志位FC和零标志

4、位FZ。运算器原理图：运算器原理图暂存器A和暂存器B的数据能在LED灯上实时显示。进位进位标志FC、零标志FZ 和数据总线D7D0 的显示原理也是如此。ALU和外围电路连接原理图：ALU和外围电路连接原理图运算器逻辑功能表：运算类型S3 S2 S1 S0 CN 功能0000 X F=A （直通）0001 X F=B （直通）逻辑运算0010 X F=AB （FZ）0011 X F=A+B （FZ）0100 X F=/A （FZ）0101 X F=A 不带进位循环右移B（取低3 位）位（FZ）0110 0 F=A 逻辑右移一位（FZ）移位运算1 F=A 带进位循环右移一位（FC，FZ）0111

5、0 F=A 逻辑左移一位（FZ）1 F=A 带进位循环左移一位（FC，FZ）1000 X 置FC=CN （FC）1001 X F=A 加B （FC，FZ）1010 X F=A 加B 加FC （FC，FZ）算术运算1011 X F=A 减B （FC，FZ）1100 X F=A 减1 （FC，FZ）1101 X F=A 加1 （FC，FZ）1110 X （保留）1111 X （保留）运算器逻辑功能表三、实验步骤1、 按照下图的接线图，连接电路。2、将时序与操作台单元的开关KK2 置为单拍档,开关KK1、KK3 置为运行档。3、打开电源开关，如果听到有嘀报警声，说明有总线竞争现象，应立即关闭电源，重

6、新检查接线，直到错误排除。然后按动CON 单元的CLR 按钮，将运算器的A、B 和FC、FZ 清零。4、用输入开关向暂存器A 置数。拨动CON 单元的SD27SD20 数据开关，形成二进制数01100101 （或其它数值），数据显示亮为1，灭为0。置LDA=1，LDB=0，连续按动时序单元的ST 按钮，产生一个T4 上沿，则将二进制数01100101 置入暂存器A 中，暂存器A 的值通过ALU 单元的A7A0 八位LED 灯显示。5、用输入开关向暂存器B 置数。拨动CON 单元的SD27SD20 数据开关，形成二进制数10100111 （或其它数值）。置LDA=0，LDB=1，连续按动时序单元

7、的ST 按钮，产生一个T4 上沿，则将二进制数10100111 置入暂存器B 中，暂存器B 的值通过ALU 单元的B7B0 八位LED 灯显示。6、改变运算器的功能设置，观察运算器的输出。置ALU_B=0 、LDA=0、LDB=0，然后按表2-2-1 置S3、S2、S1、S0 和Cn 的数值，并观察数据总线LED 显示灯显示的结果。如置S3、S2、S1、S0 为0010 ，运算器作逻辑与运算，置S3、S2、S1、S0 为1001 ，运算器作加法运算。四、实验结果通过以上步骤，即得到的数据填入表格的到最终实验结果：五、总结通过本次实验了解运算器的组成结构（即输入逻辑、输出逻辑、算术逻辑单元），掌

8、握运算器的工作原理（主要是加法器）。知道运算器的输出跟数据总线相连，同时两个输入端通过两个锁存器也与数据总线相连。 同时，数据显示灯连接上数据总线，用来显示数据总线的内容。暂存器的作用也体现了出来（暂存中间结果），教材上的数据通路结构在此更是体现到了，各部件之间的信息传送通过内总线来完成。三态门的功能以及工作原理也比较清晰了。将这些知识组织起来，并亲手实践，在实践过程中，连线比较枯燥，刚开始连错了，造成重大失误，后来纠正后，一次成功，这也说明了实验过程中的各个环节都是非常重要的。 最终，将结果记录下来，完成了本次实验。本次实验，提高了我对组成原理实验的积极性，更教育了我实验

9、要认真，要培养了我实验要认真，要严谨的态度，将课本知识运用到实践之中，也提高了对课程学习的热情。实验三 静态随机存储器实验一、 实验内容1、向存储器地址单元00H、01H 、02H、03H 、04H分别写入数据11H 、12H、13H 、14H、15H。2、从存储器地址单元00H、01H 、02H、03H 、04H读出数据，比较各个地址单元中读出的数据与存入的数据是否一致。二、实验原理本实验的所用的静态存储器是一片6166（2KX8bit）。6166有三个控制线：CS（片选线）、OE（读线）、WE（写线）。如图为6166的功能表：CSWEOE 功能1 ×× 不选择0 1 0

10、 读0 0 1 写0 0 0 写读写控制逻辑图 此读写控制逻辑是用来控制MEM的读写的，因为MEM最终是要挂在CPU上的，需要RD、T3、WR、IOM这四个输入，T3是由时序单元给出，当RD为1是为读，WR为1时是写。如图为实验原理图：存储器实验原理图原理解释：1、对于6116来说，OE、CS、A8-A10都接地。读写控制仅有RD、WE来控制，而RD、WE由读写译码逻辑来控制，实验时T3 由时序单元给出，其余信号由CON 单元的二进制开关模拟给出，其中IOM 应为低（即MEM 操作），RD、WR 高有效，MR 和MW 低有效，LDAR 高有效。2、CON单元中LDAR、IOR、WR、RD、IO

11、M控制读写，不同的输入控制读还是写，由前面的实验原理图可以看出，由于数据和地址由同一个数据开关给出，因此数据和地址要分时写入。写存储器时要先送地址，再送数据。三、实验步骤1、关闭试验系统电源、按照如图电路连接电路：2、连接好电路后，打开电源开关，将操作台开关KK1、KK3置为运行档、KK2为单步挡。3、送地址：使WR=0、RD=0、IOR=0、LDAR=1，按动ST 产生T3 脉冲，即将地址打入到AR 中。4、送数据：WR=1、RD=0、IOR=0、IOM=0，按动ST 产生T3 脉冲，即将数据打入到存储器中。5、按照上述步骤将数据11H、12H、13H、14H、15H 分别写入00H、01H

12、、02H、03H、04H。6、依次读出第00、01、02、03、04 号单元中的内容，观察上述各单元中的内容是否与前面写入的一致。同写操作类似，也要先给出地址，然后进行读，地址的给出和前面一样，而在进行读操作时，应先关闭 IN 单元的输出（IOR=1），然后使存储器处于读状态（WR=0，RD=1，IOM=0），此时数据总线上的数即为从存储器当前地址中读出的数据内容。四、实验结果向存储器指定的地址输入数据结果：输入地址地址显示灯变化00亮亮亮亮亮亮亮亮01亮亮亮亮亮亮亮灭02亮亮亮亮亮亮灭亮03亮亮亮亮亮亮灭灭04亮亮亮亮亮灭亮亮输入数据数据显示灯变化数码显示管11亮亮亮灭亮亮亮灭1112亮亮亮

13、亮灭灭亮亮0C13亮亮亮亮灭灭亮灭0D14亮亮亮亮灭灭灭亮0E15亮亮亮亮灭灭灭灭0F向MEM中读出数据的结果为：输入地址地址显示灯变化00亮亮亮亮亮亮亮亮01亮亮亮亮亮亮亮灭02亮亮亮亮亮亮灭亮03亮亮亮亮亮亮灭灭04亮亮亮亮亮灭亮亮读出数据数据显示灯变化数码显示管11亮亮亮灭亮亮亮灭1112亮亮亮亮灭灭亮亮0C13亮亮亮亮灭灭亮灭0D14亮亮亮亮灭灭灭亮0E15亮亮亮亮灭灭灭灭0F即实验成功，所写数据和所读数据一样。五、总结通过这次实验，较好的掌握了静态存储器的工作特性及使用方法。掌握了半导体随机存储器如何存储数据及读出数据。从此次实验中懂得了在实验接线时要细心。在操作过程中，若出现问题应

14、能在最短时间内检查出问题，从而使实验过程更顺利。1、在读出数据完成时,应先关闭RD按钮然后再关闭IOR按钮，否则就会产生“滴”的声音。 2、在插线的过程中注意不要把两头的线插错位或插反了，否则会影响试验结果。 3、可以不依次输出存储单元的内容，如在依次输入第 00、01、02、03、04 号存储单元内容后，可以不按顺序随机输出存储单元的内容，如，先输出00号存储单元，然后输出04号存储单元。 4、数据通路图会有数据的流动，反映当前存储器所做的操作，即使是对存储器进行读，也应按动一次ST按钮，数据通路图才会有数据流动。 5、将 

15、;CON 单元的 IOR 开关置为 1后，再打开电源开关，如果听到有嘀 报警声，应立即关闭电源，重新检查接线，直到错误排除。实验四 系统总线和具有基本输入输出功能的总线接口实验一、 实验内容1、用输入设备将一个数打入R0寄存器。2、用输入设备将另一个数（存储器地址）打入地址寄存器。3、将R0寄存器中的数写入到地址寄存器指定的存储器地址单元中。4、将存储器指定地址单元中的数读出用LED数码管显示。二、实验原理由于存储器和输入、输出设备最终是要挂接到外部总线上，需要外部总线提供数据信号、地址信号以及控制信号。在该实验平台中，外部总线分为数据总线、地

16、址总线、和控制总线，分别为外设提供上述信号。外部总线和 CPU 内总线之间通过三态门连接，同时实现了内外总线的分离和对于数据流向的控制。地址总线可以为外部设备提供地址信号和片选信号。IOM 用来选择是对 I/O 设备还是对 MEM 进行读写操作， IOM=1 时对 I/O 设备进行读写操作， IOM=0 时对 MEM 进行读写操作。在理解读写控制逻辑的基础上我们设计一个总线传输的实验。实验所用总线传输实验框图如图 4-1-3 所示，它将几种不同的设备挂至总线上，有存储器、输入设备、输出设备、寄存器。这些设备都需要有三态输出控制，按照传输要求恰当有序的控制它们，就可实现总线信息传输三、实验步骤1

17、读写控制逻辑设计实验。（1）按照图 4-1-4 实验接线图进行连线。（2）具体操作步骤图示如下：首先将时序与操作台单元的开关 KK1、 KK3 置为运行档，开关 KK2 置单拍档，按动 CON 单元的总清按钮 CLR，并执行下述操作。 对 MEM 进行读操作（WR=0， RD=1， IOM=0）。 对 MEM 进行写操作（WR=1， RD=0， IOM=0），连续按动开关 ST。 对 I/O 进行读操作（WR=0， RD=1， IOM=1）。 对 I/O 进行写操作（WR=1， RD=0， OM=1），连续按动开关 ST。2基本输入输出功能的总线接口实验。（1）根据挂在总线上的几个基本部件，设

18、计一个简单的流程： 输入设备将一个数打入 R0 寄存器。 输入设备将另一个数打入地址寄存器。 将 R0 寄存器中的数写入到当前地址的存储器中。 将当前地址的存储器中的数用 LED 数码管显示。 输入设备将 11H 打入 R0 寄存器。将 IN 单元置0010001， K7 置为 1，关闭 R0 寄存器的输出； K6 置为 1，打开 R0 寄存器的输入； WR、 RD、 IOM 分别置为 0、 1、 1，对 IN 单元进行读操作； 将 R0 中的数据 11H 打入存储器 01H 单元。 将当前地址的存储器中的数写入到 R0 寄存器中。 将 R0 寄存器中的数用 LED 数码管显示。四、实验结果五

19、、总结1、存储器和输入、输出设备最终是要挂接到外部总线上，因此需要外部总线提供数据信 号、地址信号以及控制信号。 2、外部总线和 CPU 内总线之间通过三态门连接，同时实现了内外总线的分离和对于数据流向的控制。而地址总线可以为外部设备提供地址信号和片选信号。 3.为了实现对于 MEM 和外设的读写操作，还需要一个读写控制逻辑，使得 CPU 能控制 MEM和 I/O 设备的读写 4、WR=0，RD=1，IOM=0时 E0 灭，表示存储器读功能信号有

20、效。 WR=1，RD=0，IOM=0） 连续按动开关ST，当指示灯显示为 T3 时刻时，E1 灭，表示存储器写功能信号有效。 WR=0，RD=1，IOM=1时，E2 灭，表示 I/O 读功能信号有效。 WR=1，RD=0，IOM=1）时，观察扩展单元数据指示灯，指示灯显示为 T3 时刻时，E3 灭，表示 I/O 写功能信号有效。 5、在接线时为了方便，可将管脚接到 CON 单元闲置的开关上，若开关打到 1，

21、等效于接到VCC；若开关打到0，等效于接到GND。 实验五 微程序控制器实验一、 实验内容1、设计以下机器指令的微程序：助记符机器指令码指令功能IN00100000输入单元数据->R0ADD00000000(R0) + (R0) ->R0OUT00110000(R0)->数码显示管2、将微程序下载到控制器存储器中。二、实验原理1、以下为微程序控制器实验原理图：此图的原理解释为：该控制存储器采用3 片2816 的E2PROM，具有掉电保护功能，微命令寄存器18 位，用两片8D 触发器（273）和一片4D（175 ）触发器组成。微地址寄存器6 位，用三片正沿触发的双D

22、触发器（74）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。2、微指令格式：微指令的字长为24位，控制顺序表如图：232221201918-1514-1211-98-65-0M23M22M21RDIOMS3-S0A字段B字段C字段MA5-MA0对24位字长的解释：23、22都是没有被用到的，固定为00,21-19三位是读写控制信号，S3-S0是运算器部分的控制信号，用于控制如何执行运算。在试验二中已经用过。ABC字段是由上

23、表给出的字段来决定的。而MA5-MA0为下一条微指令的地址。3、相关硬件单元：图2-5-2 指令译码原理图图2-5-3 读写控制逻辑图 2-5-4 IR 单元原理图图2-5-5 OUT 单元原理图 图2-5-6 R0 原理图4、数据通路模型图如图：5、下图为微指令流程图：此图的作用是，根据此图的微指令来设计微指令程序，并且装入实验系统。三、实验步骤1、将微程序流程图中的微指令代码化：地址十六进制高五位S3-S0A字段B字段C字段MA5-MA00000000100000000000000000000000101006D420000000001101101010000100210707000010

24、00001110000011100000400240500000000001001000000001010504B20100000100101100100000000106100141000100000000000101000001300014040000000000010100000001003218300100011000001100000000000133280401001010000000010000000001350000350000000000000000001101013E006D460000000001101101010001102、按照下图连接电路：3、将如下微程序写入文件：

25、$P0020$P0100$P0230$P03E0$P0401$P0550$M00000001$M01006D42$M02107070$M04002405$M0504B201$M06100141$M30001404$M32183001$M33280401$M35000035$M3E006D464、写入微程序：用用联机软件的“【转储】【装载】”功能将该格式（*.TXT ）文件装载入实验系统。装入过程中，在软件的输出区的结果栏会显示装载信息，如当前正在装载的是机器指令还是微指令，还剩多少条指令等。5、进入调试，观察运行结果是否与自己所设计的微程序相同。四、实验结果五、总结本实验跟实验六几乎是一起做的

26、，因为该实验的设计方法和实验六基本一致。在实验中遇到的问题以及解决办法如下：1、刚开始根本不懂实验是做什么的，原理以及方法都是一无所知，在之后的进一步了解中，从实验原理图、数据通路图中慢慢看，向同学请教，才略微懂了实验的方法和步骤，但是更深层次的原理还不是很懂。2、画微指令流程图与实验结果不符，主要表现在PC没有加1，以至于无法执行下一条指令。解决办法：PC->AR MEM->IR两条微指令出错，及时纠正之后，得以改变。3、JMP指令出错，没有跳转到指定的地址。原因：PC没有得到所要跳转的指令。解决办法：PC->AR这条微指令出错，及时纠正之后，得以成功。4、实验里在执行AD

27、D指令时，在分支处强置修改分支地址，并且以后每次都强置修改，运行完以后，发现结果是错误的，检查步骤，与同学讨论，分析原因，原来是当微程序不产生分支时，后继微地址直接由微指令的顺序控制字段给出。当微程序出现分支时，意味着微程序出现条件转移，这时，可通过强制端去修改微地址寄存器的内容，并按改好的内容读出下一条微指令，然后继续往下执行。心得体会：通过该实验让我较好地掌握了微程序控制器的功能，组成知识，微指令格式和各字段功能，微程序的编制，写入，观察微程序的运行，学习基本指令的执行流程，遇到问题，可以通过实验，分析，讨论，请教老师解决问题，基本达到学习的目的。 问题分析：在实验过程中遇到问题

28、时，首先检查线路是否连接准确，然后再查看步骤，有无漏做或做错的步骤，分析可能出错的原因，与同学讨论，若仍无法解决，就请教老师，请指导老师查看指正。实验六 CPU与简单模型机设计实验一、 实验内容1、设计共有五条指令的微控制器：IN（输入）、ADD（二进制加法）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），HLT （停机），其指令格式如下（高位为操作码）：助记符机器指令码指令功能IN ADD OUT JMP addr HLT 0010 00000000 00000011 00001110 00000101 0000 *IN-> R0R0+ R0->R0R0->OUTAddr->

29、PC 停机其中JMP 为双字节指令，其余均为单字节指令，* 为addr 对应的二进制地址码。要求CPU 自动从存储器读取指令并执行。2、用上述5条指令设计一个汇编语言程序（下面成工作程序），实现的功能不限。要求该汇编语言程序须包含6条以上的指令（有些指令要使用多次）。3、将所工作程序手动汇编成目标代码并输入到内存中。4、运行工作程序，验证程序的功能。二、实验原理1、本次试验和试验五有相似之处，在此CPU的基础上，继续构建一个简单的模型计算机。CPU的CPU 由运算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0），指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）组成如图：2、以下

30、是模型机的数据通路图：解释：本实验在前一个实验的基础上增加了三个部件，一是PC（程序计数器），另一个是AR（地址寄存器），还有就是MEM （主存）。3、微指令格式：232221201918-1514-1211-98-65-0M23M22M21RDIOMS3-S0A字段B字段C字段MA5-MA0A字段B字段C字段14 13 12 选择11 10 9 选择87 6 选择0 00 NOP 00 1 ALU_B 0 00 NOP 00 1 LDA 0 1 0 R0_B 00 1 P<1> 0 1 0 LDB 01 1 保留01 0 保留0 1 1 LDR0 10 0 保留01 1 保留10

31、 0 保留10 1 保留10 0 保留10 1 LOAD 11 0 PC_B 10 1 LDPC 11 0 LDAR 11 1 保留11 0 保留11 1 LDIR 00 1 ALU_B 11 1 保留三、实验步骤1、分析每条机器指令的微操作执行步骤、每个步骤所需要的微操作命令信号及节拍信号（1）、取指：PC->BUSPC_BPC->ARBUS->ARLDAR ;T3MEM->BUSMRMEM->IRBUS->IRLDIR;T3;P<1>(PC) + 1->PCLDPC（2）、执行：ININ->BUSIORIN->R0BUS-&

32、gt;R0LDR0;T4ADDR0->BUSR0_BR0->ABUS->ALDA；T4R0->BUSR0_BR0->BBUS->BLDB;T4A+B->BUSA+B->R0BUS->R0LDR0;T4OUTR0->BUSR0_BR0->OUTBUS->OUTIOY1;IOWJMP ADDRPC->BUSPC_BPC->ARBUS->ARLDAR;T3MEM->BUSMRMEM->PCBUS->PCLDAD;LDPC;T32、安排微指令包含的未操作命令信号：PC->ARPC_B;LD

33、ART3MEM->IRMR;LDIR;P<1>T3PC+1->PCLDPCIN->R0IOR;LDR0T4R0->AR0_B;LDAT4R0->BR0_b;LDBT4A+B->R0LDR0T4R0->OUTR0_B;IOY1;IOWPC->ARPC_B;LDART3MEM->PCMR;LOAD;LDPCT33、画微指令流程图：00NOPPC->AR0102MEM->IRP1 30ADDINOUTJMP addrHLT30323335停机PC->ARR0->OUTR0->AIN-R0MEM->P

34、CR0->B04A+B->R0054、代码化微指令：地址十六进制高五位S3-S0A字段B字段C字段MA5-MA00000000100000000000000000000000101006D42000000000110110101000010021070700001000001110000011100000400240500000000001001000000001010504B20100000100101100100000000106100141000100000000000101000001300014040000000000010100000001003218300100011

35、000001100000000000133280401001010000000010000000001350000350000000000000000001101013E006D460000000001101101010001106、设计工作程序并进行16进制编码：ININ->R0ADDR0+R0->OUTOUTR0->OUTJMP ADDR指令跳转HLT停机7、手动汇编工作程序：$P0020$P0100$P0230$P03E0$P0401$P0550$M00000001$M01006D42$M02107070$M04002405$M0504B201$M06100141$M30001404$M32183001$M33280401$M35000035$M3E006D468、建立联机炒作文件联机写入和校验联机软件提供了微程序和机器程序下载功能，以代替手动读写微程序和