计算机组成与系统结构实验报告1

1、乐山士尊计算机组成原理实验报告评语：课中检查完成的题号及题数: 课后完成的题号与题数:成绩:自评成绩:95实验报告实验名称:基于Verilog语言的运算器和存储器设计与实现日期： 2015.11.2班级： 10011303 学号： 2013302534 姓名： 杨添文 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、掌握静态随机存储器RAM工作特性及数据的读写方法。二、实验内容：1、基本运算器实验。2、静态随机存储器实验。三、项目要求及分析：1、基本运算器实验：要求：验证和实现运算器的数据运算功能。这些运算除了常规的加、 减、乘、除等基本的算术运算之外，还包括能进行“逻辑

2、判断”的逻辑处理 能力，即“与”、“或”、“非”这样的基本逻辑运算以及数据的比较、移 位等操作。分析：(1)运算器原理图如下图所示乐山士尊计算机组成原理实验报告3运算器内部含有三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，要处理的数据存于暂存器 A和暂存器B,三个部件同时接受来自A和 B的数据，各部件对操作数进行何种运算由控制信号 S3-60来决定，任何 时候，多路选择开关只选择三部件中一个部件的结果作为 ALU的输出。如 果是算术运算，还将置进位标志 FC,在运算结果输出前，置 ALU零标志。(2) ALU和外围电路的连接如下图所示：(图中的小方框代表排针座)*7二,1LilAlLDA

3、LDB Cn S3. -50ALU B(3)运算器的逻辑功能表如表所示.ins LTkR CT! Sts. Bfl'运算类型S3S2S1S0功能逻辑运算0 0 0 0F=A （直通）0 0 0 1F=B （直通）0 0 1 0F=AB(FZ)0 0 1 1F=A+B(FZ)0 1 0 0F=/A(FZ)移位运算0 1 0 1尸=谴辑右移B （取低3位）位（FZ）0 1 1 0F=磔辑左移B （取低3位）位（FZ）0 1 1 1F=A术右移B （取低3位）位 （FZ）1 0 0 0F=A1环右移B （取低3位）位（FZ）算术运算1 0 0 1F=AJ口 B( FC, FZ)1 0 1 0

4、F=AJ口劭口Cn(FC, FZ)1 0 1 1F=AM B( FC, FZ)1 1 0 0F=AM 1( FC, FZ)1 10 1F=AJ口 1( FC, FZ)1 1 1 0（保留）1 1 1 1（保留）2、静态随机存储器实验：要求：实现静态随机存储器的读写操作，通过软件中的数据通路图来 观测实验结果。分析：（1）实验原理图如下图所示：LLK12存储器数据线接至数据总线，数据总线上接有 8个LED灯显示D7 - D0 的内容。地址线接至地址总线，地址总线上接有8个LED灯显示A7-A0的内容，地址由地址锁存器(74LS273位于PC&A第元)给出。数据开关(位 于IN单元)经一个

5、三态门(74LS245连至数据总线，分时给出地址和数 据。地址寄存器为 8位，接入6116的地址A7-A0, 6116的高三位地址 A10HA8接地，所以其实际容量为 256字节。(2)实验中的读写控制逻辑如下图所示：荏0E功能1XX不选择010读001写000写IOM用来选择是对I/O 还是对MEM®行读写操作，RD=1时为读，WR=1 时为写。四、具体实现：1、基本运算器实验：(1)按下图连接实验电路，并检查无误。图中将用户需要连接的信号 用圆圈标明(其它实验相同)。c一 nC一 J T2MC单死(2)将时序单元的状态开关置为单步'档，MEM单元的编程开关置 为运行档。(

6、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，乐山士尊计算机组成原理实验报告应立即关闭电源，重新检查接线，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青零。(4)用输入开关向暂存器A置数。 拨动CON单元的SD27-SD20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按动时序单元的TS按钮，产生一个T2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A7-A0八位LED灯显示。(5)用输入开关向暂存器B置数。 拨动CON单元的SD27-

7、SD20数据开关，形成二进制数10100111 (或其它数值)。 置LDA=0 LDB=1按动时序单元的TS按钮，产生一个T2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B7-B0八位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1-1-1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。如果实验箱和PC联机操作，则可通过软件中的数据通路图来观测 实验

8、结果，方法是：打开软件，选择联机软件的“【实验】一【运 算器实验】"，打开运算器实验的数据通路图，如下图所示。进行 上面的手动操作，每按动一次TS按钮，数据通路图会有数据的流 动，反映当前运算器所做的操作，或在软件中选择“【调试】一【单 周期】”，其作用相当于将时序单元的状态开关置为单步档后 按动了一次TS按钮，数据通路图也会反映当前运算器所做的操作。2、静态随机存储器实验：(1)关闭实验系统电源，按下图连接实验电路，并检查无误，图中将 用户需要连接的信号用圆圈标明。TS15皇声序单加M京藏曷工，.加胪刑单元MK WF t IUE trt理制曲线 1H KD I0UA7J. AO&#

9、39;犷展单元GXDwc3元IN.T7T(2)将时序单元的状态开关置为单步档(时序单元的介绍见附录 二)，MEM单元的编程开关置为运行档。(3)将CON单元的IOR开关置为1 (使IN单元无输出)，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，重新检查接线，直到错误排除。(4)给存储器的00H 01H 02H 03H 04H地址单元中分别写入数据 11H 12H 13H 14H 15Ho由前面的存储器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，先写地址，具体操作步骤为：先关掉存储器的读写( WR=0 RD=0 ,然后利用数据开

10、关设定地址，输出地址到数据总线(IOR=0),最后打开地址寄存器门控信号(LDAR=1 ,按动TS产 生T2脉冲，即将地址打入到AR中。再写数据，具体操作步骤为： 先关掉存储器的读写(WR=0 RD=0和地址寄存器门控信号(LDAR=0 ,然后利用数据开关给出要写入的数据，输出数据到 数据总线(IOR=。，最后使存储器处于写状态(WR=1RD=Q IOM=。， 按动TS产生T2脉冲，即将数据打入到存储器中。写存储器的流 程如下图所示(以向00地址单元写入11H为例)：地址打AAF(00000000)TN中心置亚域 (00000000)IN中几置数据 t(XK)Q001)教据打入加M (0001

11、0001)(5)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=。，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。读存储器的流程如下图 所示(以从00地址单元读出11H为例)：7乐山；尊计算机组成原理实验报告/而/ IR = 0 'RD 二 0 I皿二0 I0R = 0 UMR = 1 T2 -n；狙 =0 RD = I 10U = 0 tOR - 1

12、 小皿=0WK - 0阳 -0DM = 0IDft = 1LDAH = 0JOR = 0LDAR - 0/(6)如果实验箱和PC联机操作，则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果，方法是：打开软件，选择联机软件的“【实验】一进行上面的手动操作，每按动一次TS按钮，数据通路图会有数据【存储器实验】"，打开存储器实验的数据通路图，如下图所示。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TS按钮，数据通路图才会有数据流动)，或在软件中 选择“【调试】一【单周期】"，其作用相当于将时序单元的状态 开关置为单步档后按动了一次TS按钮，数据通路图也会反映 当

13、前存储器所做的操作。3、用Verilog语言在Modelsim上实现:源代码：module logic_operation#(paramete门SA_WIDTH = 4, DATA_WIDTH = 8)(input sys_clock,input sys_reset,input ISA_WIDTH - 1 : 0 control,input DATA_WIDTH - 1 : 0 data_a,input DATA_WIDTH - 1 : 0 data_b,output regDATA_WIDTH - 1 : 0 result);integer i;always (posedge sys_clo

14、ck or posedge sys_reset) begin if (sys_reset = 1'b0) beginresult <= 4'b0;endelse begincase (control)4'b0000: beginfor (i = 0; i < DATA_WIDTH; i = i + 1) resulti = data_ai;end4'b0001: beginfor (i = 0; i < DATA_WIDTH; i = i + 1) resulti = data_bi;end4'b0010: beginfor (i =

15、0; i < DATA_WIDTH; i = i + 1) resulti = data_ai & data_bi;end4'b0011: beginfor (i = 0; i < DATA_WIDTH; i = i + 1) resulti = data_ai | data_bi;end4'b0100: beginfor (i = 0; i < DATA_WIDTH; i = i + 1)resulti=data_ai;enddefault:;endcaseendendendmodule五、调试运行结果：运算类型群运算于继运算算数运算R 股股A7僵股

16、ATAf实验结果以表格方式呈现：结果*(65咫=9FC=CGF二 CAT？片 S) FC二 5； 和-："-(：F-CED fZ- (0) FC=W) F-CAJ yz-(ti) FC-E ?(CA) F(0) FC=(0) P=(3S)<Zz(U)50=(1) R=(B2FZ(O) FOCI)10 0 0X(D)2(CA巾(0)心1001X叫冲FC=(1)101 OgG)X10 1 O(FC=1JXF=(OD) kFC=, U _1X七出H F2=(U)FC=(1)-.100X"rz=而：101XF=(6&) F3=(0) FC=(O)11：0X保留1111

17、X保留A7A7黯"A7股A7F=EAJ 7% FO 六、思考题的解答与分析：1、基本运算器实验：(1)利用上述运算器能否实现大于 8位二进制数的算术运算？如果能, 需要采取什么样的措施？答：可以利用上述运算器实现大于 8位的二进制算数运算，前提是， 将上述两个寄存器连接起来实现一个 16位的寄存器，输入与输出都可以 利用这个寄存器。(2)给出一组数据，验证桶形移位器的功能。答：设计了一个8位桶形移位器，能左右进行循环移位，移位的数量可以在07进行变化。以下是源代码，3位选择移位数，还有一位是方向选择:module shifteU(IN,S,d,out);input 7:0 IN;in

18、put 2:0 S;input d;output7:0 out;reg7:0 out;always (IN or S or d) begin if(d)case(S)3'b000:beginout<=IN; end3'b001:beginout7<=IN0;out6:0<=IN7:1;end3'b010:beginout7:6<=IN1:0;out5:0<=IN7:2; end3'b011:beginout7:5<=IN2:0;out4:0<=IN7:3; end3'b100:beginout7:4<=IN

19、3:0;out3:0<=IN7:4; end11乐山；尊计算机组成原理实验报告3'b101: begin out7:3<=IN4:0; out2:0<=IN7:5; end 3'b110: beginout7:2<=IN5:0; out1:0<=IN7:6; end 3'b111: beginout7:1<=IN6:0; out0<=IN7; end endcase else if(d) case(S) 3'b000: begin out<=IN;end 3'b001: begin out0<=IN7

20、; out7:1<=IN6:0; end 3'b010: beginout1:0<=IN7:6; out7:2<=IN5:0; end 3'b011: beginout2:0<=IN7:5; out7:3<=IN4:0; end 3'b100: beginout3:0<=IN7:4; out7:4<=IN3:0; end3'b101: begin out4:0<=IN7:3; out7:5<=IN2:0;end3'b110: begin out5:0<=IN7:2; out7:6<=IN1

21、:0;end3'b111: begin out6:0<=IN7:1; out7<=IN0; end endcase end endmodule2 、静态随机存储器：(1)随机存储器和只读存储器的区别是什么，能否通过外加电路实 现用随机存储器代替只读存储器？答：只读存储器就是ROM而随机存储器就是RAM只读存储器是只能读出事先所存数据的固态半导体存储器，ROMf存数据，一般是装入整机前事先写好的，整机工作过程中只能读出，而不 像随机存储器那样能快速地、方便地加以改写。RO网存数据稳定，断电后所存数据也不会改变；具结构较简单，读出较方便，因而常用于存 储各种固定程序和数据，就像电脑硬盘一样。随即存储器是以相同速度高速地、随机地写入和读出数据(写入速 度和读出速度可以不同)的一种半导体存储器，RAM勺优点是存取速度快、 读写方便，缺点是数据不能长久保持，断电后自行消失，因此主要用于 计算机主存储器等要求快速存储的系统，比