计组成实验袁久艳

1、昆明理工大学信息工程与自动化学院学生实验报告（ 201 201 学年 第 二 学期 ）课程名称：计算机组成原理(含数字逻辑) 开课实验室：呈贡校区信自楼412 20 年 月 日年级、专业、班计科131学号 201310405134 姓名袁久艳成绩实验项目名称计算机组成原理各部件实验指导教师欧阳鑫教师评语该同学是否了解实验仪器原理：A.了解B.基本了解C.不了解该同学的实验能力： A.强 B.中等 C.差 该同学的实验是否达到要求 ： A.达到 B.基本达到C.未达到实验报告是否规范： A.规范 B.基本规范C.不规范实验过程是否详细记录： A.详细 B.一般 C.没有 注：5个A 为优 4个A

2、为良 3个A 为及格 其余为不及格。教师签名： 年 月 日目录实验一：输入输出实验 . 2 页实验二：运算器数据通路实验. 4页实验三：存储器实验 . 7 页实验四：总线传输实验. 11页实验五：硬布线控制器实验.14 页实验六：综合实验.17页实验一：输入输出实验一、 实验目的（1）了解可编程外围接口芯片8255（2）学会使用8255芯片二、 实验原理及基本技术路线图（方框原理图）三、所用仪器、材料（设备名称、型号、规格等）（1）TDN-CM+或TDN-CM+教学实验系统一台。（2）PC机一台。四、实验方法、步骤（1）按实验原理电路图连接好电路，确认无误后打开电源。（2）打开数据开关三态门（

3、SW-B=0），在input device 单元中输入对应的二进制数据，打开LED 片选（LED-B=0），拨动LED 的W/R 控制信号做101动作，产生一个上升沿将总线上的数据打入到LED中，这时在outputdevice单元中数码管上显示的数据即为相应的十六进制形式。五、实验过程原始记录(数据、图表、计算等)在输入单元输入二进制数据00110111，然后打开数据开关三态门（SWB=0），打开LED片选（LED-B=0），拨动LED的W/R控制信号做101动作，产生一个上升沿，这时数码管上会显示对应的十进制数，即37。六、实验结果、分析和结论引入总线，大大方便了各种设备进行数据传输，输入/

4、输出设备挂在总线上，能提高信息的交换量及CPU的运行速度，输入设备发出指令，得到总线使用权，输出设备发出读的请求，控制总线发出控制信号，将控制权交给输出设备，这样输出设备就能读取到总线上的数据，数码显示管就能显示输入的数据。实验二： 运算器数据通路实验一、实验目的（1）了解运算器的组成结构。（2）掌握运算器的工作原理。（3）学习运算器的设计方法。（4）掌握简单运算器的数据传输通路。（5）验证运算功能发生器74LS181的组合功能。二、实验原理及基本技术路线图（方框原理图）实验中所用到的运算器数据通路图如图，图中所示的是由两片74LS181新片以并串形式构成的8位字长的运算器。右方为低四位运算芯

5、片，左方为高4位运算芯片。低位芯片的进位输出端C（n+4)与高位芯片的进位输入端Cn相连，高位芯片的进位输出引至外部。两个芯片的控制端SOS3和M各自相连。为进行双操作数运算，运算器的两个数据输入端分别由两个数据暂存器DR1，DR2 来所存数据。要将内总线上的数据所存到DR1 或DR2 中，则锁存器74LS273的控制端LDDR1或LDDR2需为高电平。当T4脉冲到来时，总线上的数据就被锁存进DR1或DR2中了。为控制运算器向内总线上输出运算结果，在其输出端连接了一个三态门。若要将运算结果输出到总线上，则要将三态门74LS245的控制端ALUB置低电平。否则输出高阻态。数据输入单元用以给出参与

6、运算的数据，其中，输入开关经过一个三态门和内总线相连，该三态门的控制信号SW-B取低电平时，开关上的数据就通过三态门而送入总线上。总线数据显示灯与美总线相连，用来显示内总线上的数据。控制信号中除T4为脉冲信号外，其他均为电平信号。由于实验电路中的时序信号均已连至W/R NUIT单元中的相对应时序信号引出端，因此，需要将单元中的T4接至START NUIT 单元中的微动开关KK2的输出端。在进行实验时，按动微动开关，即可获得实验所需的单脉冲。对于单总线数据通路，做实验时就要分时控制总线，即当向DR1、DR2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

7、出结果至总线时也应保证数据输入三态门是关闭状态。三、所用仪器、材料（设备名称、型号、规格等）TDN-CM+或TDN-CM+教学实验系统一套四、实验方法、步骤（1）按图所示连接实验电路并检查无误。（2）打开电源开关。（3）用输入开关项暂存器DR1置数。1）拨动输入开关形成二进制数01100101。（数据显示：灯亮为0，灭为1）2）使SWITCH NUIT 单元中的开关SW-B=0、ALU-B=1、LDDR1=1、LDDR2=0。3）按动微动开关KK2，则将二进制数01100101置入DR1中。（4）用输入开关向暂存器DR2置数。1）拨动数输入开关形成二进制数101001112）SW-B=0、AL

8、U-B=1保持不变，改变LDDR1、LDDR2、使LDDR1=0、LDDR2=1。3）拨动微动开关KK2，则将二进制数10100111置入DR2中。（5）检验DR1和DR2中的数是否正确。1 ） 关闭数据输入三态门， 打开ALU 输出三态门， 并使LDDR1=0、LDDR2=0，关闭寄存器。2）置S3、S2、S1、S0、M为1、1、1、1、1，总线显示灯显示DR1 中的数。3）置S3、S2、S1、S0、M 为1、0、1、0、1，总线显示灯显示DR2中的数。（6）改变运算器的功能设置，观察运算器的输出。1）SW-B=1、ALU-B=0保持不变。2）按表置S3、S2、S1、S0、M、CN的数，并观

9、察总线显示灯显示的结果。例如：置S3、S2、S1、S0、M、CN为1、0、0、1、0、1，运算器进行加法运算。置S3、S2、S1、S0、M、CN为0、1、1、0、0、0，运算器进行减法运算。（7）验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能。五、实验过程原始记录(数据、图表、计算等)六、实验结果、分析和结论运算器可以实现加、减、乘、除四则运算，还可以实现与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、求补等操作，运算器处理的数据来自存储器，处理后的结果数据通常送回存储器，或暂时寄存在运算器中。从输入单元输入数据，分别寄存在暂存器中，然后输入到74LS181发生器中，实现各种运算功能。本次实验使用的是二进制

10、运算器， 可进行二进制代码的16 种逻辑运算， 通过将S3、S2、S1、S0、M、CN置不同的值，我们验证了它的16种逻辑功能，对运算器的实现原理有了一定的认识，理解书本中的原理最好的方法便是动手实践，通过这次实验，我不仅仅明白了运算器的原理，而且知道了如何设计运算器。实验三： 存储器实验一、实验目的掌握静态随机存储器RAM工作特性及数据的读/写方法。二 实验原理及基本技术路线图（方框原理图）实验所用的半导体静态存储电路原理如图3.6-1所示，实验中的静态存储器由一片6116（2k×8）芯片构成，其数据线接之数据总线，地址线由地质锁存器（74LS273）给出。地址灯AD0AD7与地址

11、线相接，显示地址线状况。数据开关经一个三态门（74LS273）连至数据总线，分时给出地址和数据。因为地址寄存器为8 位，所以接入6116 芯片的地址为A7A0，而高3 位A8A10接地，所以其实际容量只有256字节。6116芯片有三个控制线：CE(片选线)、OE(读线)、WE(写线)。当片选有效（CE=0）、OE=0时进行读写操作，WE=0时进行写操作，CE=0、WE=1时进行写操作，其写时间与T3脉冲的宽度一致。实验时将T3脉冲接至实验板上时序电路模块的TS3相应插孔中，其脉冲宽度可调，其他电平控制信号由“SWITCH UNIT”单元的二进制开关模拟，其中SW-B为低电平有效，LDAR为高电

12、平有效。三、所用仪器、材料（设备名称、型号、规格等）（1）TND-CM+或TND-CM+教学实验系统一台。（2） PC机（或示波器）一台。四实验方法、步骤（1）形成时钟脉冲信号T3。具体接线方法和操作步骤如下：接通电源，用示波器接到方波信号源的输出插孔H23调节电位器W1及W2，使H23端输出实验所期望的频率和占空比的方波。将时序电路模块（STATE UNIT）单元中的F 和信号单元（SIGNALUNIT）中的H23排针相连。在时序电路模块中有两个二进制开关“STOP”和“STEP”,将“STOP”开关置为“RUN”状态，“STEP”开关置为“EXEC”状态时，按动微开关START,则TS3端

13、输出连续的方波信号，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。当“STOP”开关置为“RUN”状态时，每按动一次微开关START,则T3输出一个单脉冲，其脉冲宽度与连续方式相同。用PC联机软件中的示波器功能也能看到波形。这样可以代替真实示波器。（2）按图3.6-2连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。（3）写存储器。给存储器的00、01、02、03、04地址单元中分别写入数据11H、12H、13H、14H、15H。由上面的存储实验原理图（图3.6-2）看出，由于数据和地址全由一个数据开关给出，因此要分时的给出。下面的写存储器要分两个步骤：第一步写入地址，先关掉存储器的片选

14、（CE=1）,打开地址锁存器门控信号（LDAR=0）,打开数据开关三态门（SW-B=0）,由开关给出要写入的存储单元地址，按动START产生T3脉冲将地址打入到地址锁存器；第二步写数据，关掉地址锁存器门控信号（LDAR=0）,打开存储器片选，使之处于写状态（CE=0,WE=1）,由开关给出此单元要写入的数据，按动START产生T3脉冲将数据写入到当前的地址单元中，写其他单元依次循环上述步骤。写存储器流程如图3.6-3所示（以向00号单元写入11H为例）。（4）读存储器。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，读每个单元也需

15、要两步：第一步写地址先关掉存储器的片选（CE=1）,打开地址锁存器门控制信号（LDAR=1）,打开数据开关三态门（SW-B=0）,由开关给出要写存储单元的地址，按动START产生T3脉冲将地址打入到地址锁存器；第二步读存储器，关掉地址锁存器门控信号（LDAR=0）,关掉数据开关三态门（SW-B=1）,片选存储器，使它处于读状态（CE=0、WE=0）,此时数据总线上显示的数据即为从存储器当前地址中读出的数据内容。读其他单元依次循环上述步骤。读存储器操作流程如下图3.6-4所示（以从00号单元读出11H数据为例）。五实验过程原始记录(数据、图表、计算等)写入第一个地址时，在输入单元给出二进制地址0

16、0000000，打开地址锁存器，便可把地址打入地址锁存器，地址灯显示为00000000，然后输入该单元存入的数据00010001（11H），总线数据显示灯应显示为00010001，打开存储器片选，使之处于写操作，这样11H 便存入00 号单元，依此类推，可将12H、13H、14H、15H分别存入01、02、03、04地址单元，地址灯和总线数据显示灯都分别显示出结果。读存储器时，当用开关给出存储单元地址时，地址灯会显示，这时，打开存储器片选，使之处于读状态，此时数据总线上显示的数据即为从存储器当前地址中读出的数据内容。六实验结果、分析和结论储器中最小的存储单位就是一个双稳态半导体电路或一个CMO

17、S 晶体管或磁性材料的存储元，它可存储一个二进制代码。由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器。 一个存储器包含许多存储单元，每个存储单元可存放一个字节，每个存储单元的位置都有一个编号，即地址，一般用十六进制表示。一个存储器中所有存储单元可存放数据的总和称为它的存储容量，给出地址指令，就可以将数据存入指定的地址单元。实验四：总线传输实验一、实验目的（1）理解总线的概念及其特性（2）掌握总线传输控制特性二、实验原理及基本技术路线图（方框原理图）总线传输框如图5.4-1所示，他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。这些设备都需要三态输出控制，按

18、照传输要求恰当有序的控制它们，就可实现总线信息传输。基本实验要求如下：根据挂起在总线上的几个基本条件，设计一个简单的流程；1） 输入设备将一个数打入R0寄存器。2） 输入设备将另一个数打入地址寄存器。3） 将R0寄存器中的数写入带当前的地址的寄存器中。4） 将当前地址的寄存器中的数用LE数码管显示。三、所用仪器、材料（设备名称、型号、规格等）TDN-CM+或TDN-CM+教学实验系统一台四、实验方法、步骤1) 按照图5.4-2试验接线图进行连线。（2）实验的具体操作步骤图如图5.4-3所示。首先应关闭所有三态门（SW-B=1，R0-B=1，LED-B=1）,并将关联的信号置为LDAR=0，LD

19、R0=0，W/R(LED)=1，W/R(LED)=1.然后参照如下操作流程，先将数据开关打入到R0中；然后继续给开关置数，拨动LDR0控制信号做010动作，产生一个上升沿将数据打入到R0中；然后继续给数据开关置数，拨动LDAR控制信号做010动作产生一个上升沿将数据打入到AR中；关闭数据开关三态门，打开R0 寄存器输出控制，使寄存器输出，使寄存器处于写状态（W/R=0，CS=0），将R0中的数写到存储器中；关闭存储器片选，关闭R0寄存器输出，使存储器处于读状态（W/R=1，CS=0），打开LED片选，拨动LED的W/R控制信号101动作，产生一个上升沿将数据打入到LED中。五、实验过程原始记录

20、(数据、图表、计算等)打开输出三态门， 在输入单元由开关给出要保存的数据00110111（37H），拨动控制信号LDR0，可将数据打入到寄存器R0中，继续给数据开关置数，这时给出地址00000010（02H），拨动LDAR控制信号，变将数据打入了地址寄存器AR中，之后打开R0的输出开关，将寄存器中的数据写入到02单元的存储器中，使存储器处于读状态，已读出该存储器中的数据，打开LED片选，拨动W/R信号，这时数码显示管上会显示出37，即输入到存储器02单元保持的数据，六、实验结果、分析和结论总线是CPU、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口

21、电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统，总线包含三个基本结构：地址总线、数据总线、控制总线。传递数据的过程是先寻址，再传递数据。即先送一个地址信息，由寄存器根据这个地址把微处理器要读取的数据写到总线上，微处理器再读取这个数据。整个过程由控制总线控制。所以每次读的数据是针对那个地址对应的寄存器操作的，写数据时一样，先寻址，再写数据，数据就写入刚才寻址时的地址对应的那个寄存器里去了。当总线空闲（其他器件都以高阻态形式连接在总线上）且一个器件要与目的器件通信时，发起通信的器件驱动总线，发出地址和数据。其他以高阻态形式连接在总线上的器件如果收到（或能够收到）与自己相符的地址信息后，即接收总线上的

22、数据。发送器件完成通信，将总线让出（输出变为高阻态）。采用总线结构不仅简化了硬件的设计、简化了系统结构，还使系统扩充性、更新性能更好。实验五：硬布线控制器实验一、实验目的（1）掌握硬联控制器的组成原理和设计方法。（2）了解硬联控制器和微程序控制器的优点。二、实验原理及基本技术路线图（方框原理图）本实验设计一个简单的硬联控制器，用开关置不同的指令，触发时序，就可以实现不同的指令造作。下面介绍硬联控制器的设计。用CPLD 设计此控制逻辑的功能描述，各控制信号在ispSI1032中对应的引脚见图。现在有三个部件需要控制：ALU、INPUT DEVICE和OUTPUT DEVICE。它们的控制信号由指

23、令码I1、I0和时序信号T4、T3、T2、T1组合产生。三、所用仪器、材料（设备名称、型号、规格等）（1）TDN-CM+或TDN-CM+教学实验系统一台。（2）PC机一台。四、实验方法、步骤（1）编译上述设计文件，并将生成的JEDEC 文件下载至CPLD 芯片ispSI1032中。（2）按图接线。1）START-NUIT，KK2-W/R-NUIT，T42）ALU-UNIT，S3-CN-SWITCH-UNIT，S3-CN3）ALU-UNIT，ALU-B-SWITCH-UNIT，ALU-B4）ALU-UNIT，LDDR1-LOG-UNIT，LDR05）ALU-UNIT，LDDR2-LOG-UNIT

24、，LDR16）LOG-UNIT，10-SWITCH-UNIT，LDDR27）LOG-UNIT，11-SWITCH-UNIT，LDDR18）INPUT-UNIT，SWJ3-BUS-UNIT，B7B09）INPUT-UNIT，W/R-SWITCH-UNIT，LDPC10）OUTPUT-UNIT，LED-B-SWITCH-UNIT，PC-B11）OUTPUT-UNIT，D7D0-BUS-UNIT，B7-B0（3）实验操作步骤：1、显示第一次输入开关置数结果并把输入开关置数结果保存到DR1中（1）开关置数 （2）SW-B=0 （3）PC-B=0 （4） LDPC（）（5）LDDR1=0 （6）LDDR

25、2=0 （7）KK2（）2、显示第二次输入开关置数结果并把输入开关置数结果保存到DR2中。（1）开关置数 （2）SW-B=0 （3）LDPC（）（4）LDDR1=0 （5）LDDR2=1 （6）KK2（）3、DR1+DR2OUTPUTDEVICE 显示（1）SW-B=1 （2）ALU-B=0 （3）LDPC（）（4）LDDR1=1 （5）LDDR2=04、SWITCH-UNIT，S3、S2、S1、S0、M、CN显示DR1：1 1 1 1 1 D显示DR2：1 0 1 0 1 D显示DR1+DR2：1 0 0 1 0 1五、实验过程原始记录(数据、图表、计算等)由开关给出二进制数00110011

26、（33H），置LDDR1=0，LDDR2=0，拨动LDPC和KK2，可将33打入暂存器DR1，再给出第二个二进制数00110111（37H），置LDDR1=0 ， LDDR2=1 ， 拨动LDPC 和KK2 ， 可将37 打入暂存器DR2 ， 置LDDR1=1，LDDR2=0，能将DR1和DR2中的数进行加法运算，并在输出设备中显示出来，置S3、S2、S1、S0、M、CN1 为1、1、1、1、1、D便可显示出DR1中保存的数据33，置S3、S2、S1、S0、M、CN 为1、0、1、0、1、D便可显示出DR2中保存的数据37，置S3、S2、S1、S0、M、CN为1、0、0、1、0、1可显示出DR

27、1+DR2的结果6A。六、实验结果、分析和结论硬联控制器是一个组合电路，它将输入逻辑信号转换成一组输出逻辑信号即控制信号，它是根据指令系统的操作时间表用组合逻辑线路形成的微命令序列，在硬联控制器中，操作控制器发出的各种控制信号是时间因素和空间因素的函数，各个操作定时的控制构成了操作控制信号的时间特征，而各种不同部件的操作所需要的不同操作信号则构成了操作控制信号的空间特征，硬联控制器把时间信号和操作信号组合而产生具有定时特点的控制信号。本次实验与运算器实验相似，但可置不同的指令，触发时序，便可实现不同的操作。实验六：综合实验一、实验目的（1）掌握运算器和存储器的工作原理（2）学习设计运算器和存储

28、器的综合电路图（3）掌握简单运算器的数据传输及静态随机存储器的数据的读/写方法（4）将运算器和存储器的功能结合起来，以实现数据的存储及运算二、实验原理及基本技术路线图（方框原理图）实验中所用的运算器数据通路及半导体静态存储器电路原理如图6.4-1所示，静态存储器数据线接至数据总线，地址线由地址锁存器给出，地址灯显示地址线状况，数据开关经一个三态门连至数据总线，分时给出地址和数据。寄存器、输 出设备挂至总线上，需要有三态输出控制，当总线上有数据时，就可以将总线上的数据打入R0寄存器或是用LED数码管显示。用两片74LS181芯片来实现运算功能，右方为低4位运算芯片，左方为高4位运算芯片，低位芯片

29、的进位输出端C（n+4）与高位芯片的进位输入端Cn相连，使低4位产生的进位送进搞4位运算中，两个芯片的控制端S0S3和M各自相连。6116芯片有三个控制线：CE（片选线）、OE（读线）、WE（写线），实验中将OE常接地，当CE=0、WE=0时进行读操作，CE=0、WE=1时进行写操作，其写时间与T3脉冲宽度一致，将T3脉冲接至时序电路模块的TS3，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。R0-B和LDR0控制R0寄存器，LED-B和W/R控制LED数码管的显示。利用地址取出存储器中的两个数据，分别用两个数据暂存器DR1、DR2来锁存，要将内总线上的数据锁存到DR1 或DR2 中，

30、则锁存器的控制端LDDR1 或LDDR2须为高电平，当T4脉冲到来时，总线上的数据就被锁存进DR1或DR2中了，要获得所需单脉冲，要将“W/R UNIT”单元中的T4接至“STATE UNIT”开关KK2的输出端，单元中的输出端连接一个三态门，控制运算器将结果输出到总线上，此时要使控制端ALU-B置低电平，否则输出高阻。对于单总线数据通路，要分时控制总线，即当向DR1、DR2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关闭状态。SW-B、LDAR、CE、WE、R0-B、LDR0、LED-B、W/R、S3、S2、

31、S1、S0、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU-B各电平控制信号使用“SWITCH UNIT”单元中的二进制数据开关来模拟，其中SW-B、R0-B、LED-B、Cn、ALU-B为低电平有效， LDAR、LDDR1、LDDR2为高电平有效。三、所用仪器、材料（设备名称、型号、规格等）TDN-CM+或TDN-CM+教学实验系统一套四、实验方法、步骤（1）按图6.4-2连接实验线路，因“SWITCH UNIT”中的二进制数据开关有限，因此用CLR控制LED的W/R，仔细查线无误后接通电源。（2）写存储器。给存储器的00、04、08地址单元中分别写入数据33、37、41。首先应关闭所有三态门（S

32、W-B=1，CE=1，RO-B=1，LED-B=1），并将关联的信号置为LDAR=0，LDR0=0，WE=1，W/R=1。由于数据和地址全由一个数据开关给出，因此要分时地给出。第一步写地址，先关掉存储器的片选（CE=1），打开地址锁存器门控信号（LDAR=1），打开数据开关三态门（SW-B=0），由开关给出要写入的存储单元的地址，按动STATE产生T3脉冲将地址打入到地址锁存器；第二步写数据，关掉地址锁存器门控信号（LDAR=0），打开存储器片选，使之处于写状态（CE=0，WE=1），由开关给出此单元要写入的数据，按动STATE产生T3脉冲将数据写入到当前的地址单元中。打开LED片选（LED-

33、B=0），拨动LED的W/R控制信号做101动作，产生一个上升沿将总线上的数据打入到LED中，这是数码管上显示的数据即为当前送入到第00单元的指令。写其他单元依次循环上述步骤。（2）读存储器，将第00号单元中的数据送入寄存器R0先读出第00 号单元中的内容，第一步写地址，先关掉存储器的片选（CE=1），打开地址锁存器门控信号（LDAR=1），打开数据开关三态门（SWB=0），由开关给出要写入的存储单元的地址，按动STATE产生T3脉冲将地址打入到地址锁存器；第二步读存储器，关掉地址锁存器门控信号（LDAR=0），关掉数据开关三态门（ SW-B=1 ） , 片选存储器， 使它处于读状态（CE=0，WE=0），此时数据总线上显示的数据即为从存储器当前地址中读出的数据内容。然后拨动LDR0控制信号做010动作，产生一个上升沿将总线上的数据打入到R0中，关闭存储器片选，打开R0寄存器输出控制（P0-B=0），打开LED片选（LED-B=0），拨动LED的W/R控制信号做101动作，产生一个上升沿将R0中的数打入到LED中，用数码管显示出第00号地址单元中的数据。（3）将第00号单元内容打入暂存器DR1,04号单元的内容打入暂存器DR2紧跟着步骤（2），关闭LED片选（LED-B=1），使ALU-B=1（关闭ALU输出三态门）、LDDR1=1、LDDR2