计算机组成原理实验指导书

1、“计算机组成原理”实验指导书杨伟丰编写2014年12月实验一算术逻辑运算实验、实验目的1、掌握简单运算器的组成以及数据传送通路。2、验证运算功能发生器（74LS181）的组合功能。、实验内容运用算术逻辑运算器进行算术运算和逻辑运算。三、实验仪器1、ZY15Comp12B就算机组成原理教学实验箱一台2、排线若1四、实验原理实验中所用的运算器数据通路如图1-1所示。其中运算器由两片 74LS181以并/串形式构成8位字长的ALU运算器的两个数据输入端分别由两个锁存器（74LS273）锁存，锁存器的输入连至数据总线，数据输入开关（INPUT）用来给出参与运算的数据，并经过一三态门（74LS245）和

2、数据总线相连。运算器的输出经过一个三态门（74LS245）和数据总线相连。数据显示灯已和数据总线（“DATA BUS）相连，用来显示数据总线内容。户:r F f *MFA BUSD7DO图1-l运算器数据通路图图1-2中已将实验需要连接的控制信号用箭头标明（其他实验相同，不再说明）。其中除T4为脉冲信号，其它均为电平控制信号。实验电路中的控制时序信号均已内部连至相应时序信号引出端，进行实验时，还需将 S3、S2、S1、S0、CnK M LDDR1 LDDR2 ALU_G SW_G 电平控制信号与“ SWITCH单元中的二进制数据开关进行跳线连接 ，其中ALU_G SW_G低电 平有效，LDDR

3、1 LDDR功高电平有效。按动微动开关 PULSE即可获得实验所需的单脉冲。五、实验步骤l、按图1-2（图中箭头表示需要接线的地连接实验线路，仔细检查无误后，接通电源。方，接总线和控制信号时要注意高低位一一对应，可用彩排线的颜色来进行区分）图1-2算术逻辑运算实验接线图Word资料2、用INPUT UNIT的二进制数据开关向寄存器DR1和DR2置数，数据开关的内容可以用与开关对应的指示灯来观察，灯亮表示开关量为“1”，灯灭表示开关量为“ 0”。以向DR1中置入11000001 （C1H和向DR2中置入01000011 （43H）为例，具体操作步骤如下：首先使各个控制电平的初始状态为：CLR=1

4、, LDDR1=0 LDDR2=0 ALU_G=1 SW_G=1 S3 S2S1 S0 M CN=111111,并将CONTROL UNIT勺开关SP05打在“ NORM状态，然后按下图所示步骤进行。SW_G=0LDDR1=0 LDDR2=1 T4= n其中T4的正脉冲是通过按LDDR1=1LDDR2=)T4=L _上面方括号中的控制电平变化要按照从上到下的顺序来进行, 动一次CONTROL UNIT勺触动开关PULS既产生的。置数完成以后，检验 DR1和DR2中存的数是否正确，具体操作为：关闭数据输入三态门（SW_G= 1,打开ALU输出三态门（ALU_G=0,使ALU单元的输出结果进入总线

5、。当设置S3、S2、S1、S0、M CN的状态为111111时，DATABUS单元的指示灯显示 DR1中的数；而设置成 101011时，DATABUS元的指示灯显示 DR2中的数，然后将指示灯的显示值与输入的数据进 行对比。3、验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能（采用正逻辑）74LS181的功能见表1-1 ,可以通过改变 S3 S2 S1 S0 M CN的组合来实现不同的功能， 表中“ A”和“ B”分别表示参与运算的两个数，“+”表示逻辑或，“加”表示算术求和。表1-1 74LS181 功能表S3S2S1S0M=0 （算术运算）M=1CN=1无进位cn=qW进位（逻辑运算）0000F

6、=AF=A 加 1F=A0001F=A +BF= ( A+B )力口 1F=A+B0010f=a+BF= ( A+B )力口 1F=AB0011F=0 减 1F=0F=00100F=A 加 ABF= A加AB加1F=AB0101F= ( A+B )力口 ABF= ( A+B )加 AB 加 1F=B0110:F=A减B减1F=A减BF=A B0111F=AB 减 1F= ABF= AB1000F=A 力口 ABF= A 力口 AB 力口 1F=A+B1001F=A 力口 BF= A 力口 B 力口 1F=A B1010F= ( A+B)加 ABF= ( A+B )力口 AB 力口 1F=B10

7、11PF=AB 减 1F= ABF= AB1100F=A 力口 AF= A 力口 A 力口 1F=11101F= ( A+B)力口 AF= ( A+B )力口 A 力口 1F=A+B1110F= ( A+B)加 AF= ( A+B)力口 A 力口 1F= A + B11111=人减1F= AF=A通过前面的操作，我们已经向寄存器 DR1写入C1H, DR2写入43H,即A=C1H B=43H然 后改变运算器的控制电平 S3 S2 S1 S0 M CN的组合，观察运算器的输出，填入表 1-2中，并 和理论值进行比较、验证 74LS181的功能。表1-2运算器功能实验表DR1DR2S3S2S1S0

8、M=0 （算术运算）M=1（逻辑运算）CN=1无进位CN=0有进位C1430000F=F=F=C1430001F=F=F=C1143二 0010F=F=F=C1430011F=F=F=C11430100F=F=F=C1430101F=F=F=C1430110F=F=F=C1 :43：0111F=F=F=C1431000F=F=F=C1431001F=F=F=C1431o1oF=F=F=C1431o11F=F=F=C1143r 11ooF=F=F=C1 ：4311o1F=F=F=C143111oF=F=F=C1143r 1111F=F=F=六、实验报告1、在显示结果后将指示灯显示的值与输入的数据

9、进行比较；2、完成表1-2,比较理论分析值与实验结果值 ,并对结果进行分析。七、实验思考题1、运算器的功能是什么？核心部分是什么?实验二进位控制实验一、实验目的验证带进位控制的算术运算功能发生器的功能。二、实验内容按给定的数据完成几种指定的算术运算。三、实验仪器1、ZY15Comp12B就算机组成原理教学实验箱一台2、排线若干四、实验原理进位控制运算器的实验原理如图1-3所示，在实验1.1的基础上增加进位控制部分，其中74LS181的进位进入一个锁存器，其写入是由 T4和AR信号控制，T4是脉冲信号，实验时 将T4连至“SIGNAL UNIT”的TS4上。AR是电平控制信号（低电平有效），可用

10、于实现带进位控制实验，而 T4脉冲是将本次运算的进位结果锁存到进位锁存器中。LIW融 DATA HUSD7-图l-3进位控制实验原理图五、实验步骤（图中箭头表示需要接线的地1、按图1-4连接实验线路，仔细检查无误后，接通电源。方，接总线和控制信号时要注意高低位一一对应，可用彩排线的颜色来进行区分）SIGNALT1/-TS1T4TS4图1-4进位控制实验接线图2、进位标志清零。具体操作方法如下：实验板中“ SWITCH单元中的CLR开关为标志位 CY ZI的清零开关，它为 0时（开关向 上为1,向下为0）是清零状态，所以将此开关做1一0一1操作，即可使标志位 CY ZI清零（清零后CY ZI指示

11、灯亮）。3、用INPUT UNIT的二进制数据开关向 DR1存入11000001,向DR2存入01000011。具体 操作步骤如下：首先使各个控制电平的初始状态为：CLR=1, LDDR1=0 LDDR2=0 ALU_G=1 AR=1, SW_G=1S3 S2 S1 S0 M CN=111111 ,并将 CONTROL UNIT勺开关 SP05 打在NOrM 状态，SP06 1丁在“RUN状态，SP03打在“ STEP状态，SP04打在“ RUN状态。然后按下图所示步骤进行。LDDR1=0 LDDR2=1 T4= JLLDDR1=1LDDR2=0T4=n _SW_G=0上面方括号中的控制电平变

12、化要按照从上到下的顺序来进行，其中T4的正脉冲是通过按动一次CONTROL UNIT勺触动开关STAR怵产生的。4、验证带进位运算及进位锁存功能。进行带进位算术运算：前面的操作已经向DR1、DR2置数，然后关闭数据输入三态门（SW_G= 1并使LDDR2=0打开 ALU输出三态门（ALU_G=0 ,使ALU单元的输出结果进入总 线，当S3 S2 S1 S0 M CN的状态为100101时，DATA BUS旨示灯显示的数据为 DR1力口 DR2力口当前进位标志得到的结果。这个结果是否产生进位，则要使 AR=0然后按动触动开关 START 若进位标志灯 CY仍然亮，表示无进位；若进位标志灯CYK,

13、表示有进位。在本仞中 DR1为11000001 , DR2为01000011,结果为00000100;当AR=0时，按动开关START CYK,表示有进位。六、实验报告记录实验数据，总结收获。七、实验思考题1、74LS181能提高运算速度的原因是什么？2、在定点二进制运算器中，减法运算一般通过什么方式实现?实验三移位运算实验、实验目的验证移位控制的功能。、实验内容使用一片74LS299来实现移位控制。三、实验仪器1、ZY15Comp12B就算机组成原理教学实验箱一台2、排线若干四、实验原理移位运算实验中使用了一片 74LS299作为移位发生器，其八位输入/输出端以排针方式和 总线单元连接。29

14、9_G信号控制其使能端，T4时序为其时钟脉冲，由 S1 S0 M控制信号控制 其功能状态，列表如：表1-3 74LS299 功能表299_GS1S0M功能000一任意保持0P 10P 0循环后移0101带进位循环后移0010循环左移0一 011带进位循环左移任意11任意装数五、实验步骤1、按图1-5连接实验线路，仔细检查无误后接通电源。（图中箭头表示需要接线的地方，接总线和控制信号时要注意高低位一一对应，可用彩排线的颜色来进行区分）。图1-5移位运算实验接线图2、按照如下步骤用INPUT UNIT的二进制数据开关把数据写入74LS299:首先使各个控制电平的初始状态为： 299_G=1, SW

15、_G=1 S1 S0 M =111 , CLR= l 一0一 1, 并将控制台单元的开关 SP05打在“ NORM状态，SP06打在“ RUN状态，SP03打在“ STEP 状态，SP04打在“ RUN状态。然后按下图所示步骤进行。(00000011 ) 一 打开二态门一 (00000011)SW_G=0SW_G=1S0=1 一S1=1L T4=_TL上面方括号中的控制电平变化要按照从上到下的顺序来进行，其中T4的正脉冲是通过按动一次CONTROL UNIT勺触动开关STAR怵产生的。3、参照前面的表格 1-3,改变S0 S1 M 299_G的状态，按动触动开关 START观察移位 结果。六、

16、实验报告对照表1-3,列表记录移位结果。七、实验思考题1、本实验用到的移位发生器是什么？其功能表是什么?实验四存储器实验、实验目的1、掌握静态随机存储器 RAMC作特性；2、掌握静态随机存储器 RAM勺数据读写方法。、实验内容运用静态随机存储器 RAMS行单步读、写和连续写数据。三、实验仪器1、ZY15Comp12B就算机组成原理教学实验箱一台2、排线若干四、实验原理实验所用的半导体静态存储器电路原理如图1-6所示，实验中的静态存储器由一片6116（2Kx8）构成，其数据线接至数据总线，地址由地址锁存器（74LS273）给出。地址灯 LI01LI08与地址总线相连，显示地址内容。INPUT单元

17、的数据开关经一三态门（74LS245）连至数据总线，分时给出地址和数据。D0D7A7A0图1-6存储器实验原理图74LS273(AR)D7D0地址总线为8位，接入6116的地址A7-A0,将6116的高三位A8A10接地，所以其实 际容量为256字节。6116有三个控制线：CE （片选线）、OE （读线）、/WE （写线）。本实验中 将OE常接地，在此情况，当 CE=R WE=0寸进行写操作，CE=Q WE=1 寸进行读操作，其写时 间与T3脉冲宽度一致。实验时，将T3脉冲接至实验板上时序电路模块的TS3相应插针中，其它电平控制信号由“SWITCH单元的二进制开关给出，其中SW_低电平有效，L

18、DAR为高电平有效。五、实验步骤1、形成时钟脉冲信号 T3,具体接线方法和操作步骤如下：（1） 将SIGNAL UNIT中的CLOCKS CK TS3和T3用排线相连。（2）将SIGNALUNIT中的两个二进制开关“SP03设置为 RUN状态、“SP04设置为“RUN状态（当 SP03开关设置为“ RUN状态、“SP04开关设置为“ RUN状态时， 每按动一次触动开关 START则T3的输出为连续的方波信号。当 SP03开关设置为 STEP状态、“SP04开关设置为“ RUN状态时，每按动一次触动开关START则T3输出一个单脉冲，其脉冲宽度与连续方式相同。）（图中箭头表示需要接线的地方,2、

19、按图1-7连接实验线路，仔细检查无误后接通电源。接总线和控制信号时要注意高低位一一对应，可用彩排线的颜色来进行区分）CLOCKS口 CKSIGNALTS3 04口 T3CE SWITCHD0 CE.* WE.D7A0MEM.A7接到DATA BUS接到ADDR BUSSW_G-DATA BUS_PCG i-Lj-_ _ _JkJ1WEL J_9 1ce ru*_l vv匚D7outputdofci-Ice卜接到DATA BUS_)接到ADDR BUSCE l_l*weF CEhJ-iwev v匚SWITCHSWG rL-D7A0MEM .A71 SWGINPUTSLDAR |_fTADDRES

20、图19总线控制实验接线图 具体操作步骤图示如下：3、首先使各个控制电平的初始状态为：SW_G=1 CE=1, WE=1 LDAR=0 299_G (LED_G =1,下图所示步骤进行。图中方括号中的控制电平变化要按照从上到下的顺序来进行，其中LDAR的正脉冲是通过让 SWITCH11元的LDARFF关做0一 1一0变化来产生的，而 W讶口 PC_G(WE 的负脉冲则是通过让 SWITCH1元的 W丽PC_GFF关做1 一0一 1变化来产生的。SW_G=0SW_G=1SW_G=0LDAR=CE=0WE=-CE=1SW_G=1CE=0 299_G(LED_G)=0 PC_G(WE)= -完成上述操

21、作后，在output UNIT勺数码管上观察结果。PC G(WE =1, CLR= 1-0-1,并将 CONTROL UNIT勺开关 SP05打在NOrM状态，理后按六、实验报告改变寄存器的地址值，列表记录存储器的RAM直。七、实验思考题1、什么叫总线？总线控制的方式有哪些?2、画出单总线结构示意图。实验六时序实验、实验目的1、掌握时序产生器的组成原理和设计思想，提高对基本逻辑部件的分析和设计能力;2、观察、分析和测量实验箱的控制时序，提高实际动手能力；3、增加对系统时序的理解，进一步深化理解计算机的工作原理。、实验内容通过联机软件的示波器观察控制时序。三、预备知识1、复习有关时序电路的内容；

22、2、弄清实验电路中各部分之间的关系以及信号之间的逻辑关系;3、掌握联机软件的使用方法，参见附录2。四、实验仪器1、ZY15Comp12B就算机组成原理教学实验箱一台2、排线若干3、8芯鳄鱼夹线一根4、PC机一台五、实验原理实验所用的时序电路原理如图1-10所示，可产生4个相位等间隔的时序信号 TS1-TS4,其中CK为时钟信号，由实验台右上方的方波信号源提供，可产生频率可调的方波信号。实验 者可自行选择方波信号的频率（通过调节电位器RW1。为了便于控制程序的运行，时序电路发生器设置了一个启停控制触发器，使TS1-TS4信号输出可控。图中 STEP（单步）、STOP（停机）分别是来自实验板 SI

23、GNAL UNIT二进制开关SP00 SP04的状态。START言号来自实 验板CONTROU NIT的一个微动开关 START勺按键信号。当 SP00 SP04开关状态都为 RUN寸， 一旦按下启动键，运行触发器一直处于“1”状态，即原理图中 P17一直为“1”，因此时序信号TS1TS4将周而复始地发送出去。当 SP03为1 （STEP时，一旦接下启动键，机器便处 于单步运行状态。此时只发送一个微指令周期的时序信号就停机。N0P14 9 N0P2 KielCLCSTOP图1-10时序电路原理图TS4STEP1TS3TS2CLRTS1CK六、实验步骤1、首先按照图1-11进行接线，用8芯鳄鱼夹

24、线将输出信号引入示波器的输入通道。将 SP03和SP04开关的状态均设为“ RUN状态，按动 START触动开关，日序信号 TS1- TS4将 周而复始地发送出去。2、联机并用联机软件的示波器功能来观察输出波形，这时用联机软件的示波器功能就可以观察到时序信号，将该信号与图112所示波形对比（软件的具体使用方法见附录2中的软件操作说明）。通过调节RW1可以使输出波形的频率在100Hz到300Hz之间变化。（注意：开关单元的拨位开关 CLK置为高电平，若采样有失真时请把采样频率调高一些。）SIGNALCK CLOCK TS1 TS2 TS3 TS4 o n n n AAA_MCH1 CH2 CH3

25、 CH4 CH5 CH6 CH7 CH8MCS_51图i-ii 时序实验接线图图1-12 时序波形参考图七、实验报告1、绘出实验中观察到的波形图；2、给出CK的频率，说明：CK与TS1、TS2、TS& TS4之间的关系。八、实验思考题1、在示波器上如何确定工作脉冲的先后关系?实验七微程序控制器的组成与微程序设计实验、实验目的1、掌握微程序控制器的组成原理；2、掌握微程序的编制、写入，观察微程序的运行;3、为整机实验打好基础。、实验内容编制微程序并观察其运行过程。三、实验仪器1、ZY15Comp12B就算机组成原理教学实验系统一台2、排线若干四、实验原理实验所用的时序电路原理可以参考时序实验。由

26、于时序电路的内部线路已经连好（时序 电路的CLR已接到实验板中下方的 CLR清零开关上），所以只需将时序电路与方波信号源连接 即可。1、微程序控制电路微程序控制器的组成见图1-13。其中控制存储器采用3片2816 E2PR0M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 （74LS175）触发器组成。 微地址寄存器6位，用三片上升沿触发的双D触发器（74LS74）组成，它们带有清“ 0”端和置“1”端。在不进行判别测试的情况下，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时刻进行判别测试时，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

27、设置为“ 1”状态，完成地址修改。在该实验电路中，在 CONTROL UNITT一个编程开关 SP06,它具有三种状态： WRITE （编 程）、READ（校验）、RUN （运行）。当处于“编程状态”时，实验者可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“校验状态”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组三态门74LS245,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。2、微

28、指令格式微指令字长24位，其控制位顺序如下：表1-4微指令结构图微程序242322212019181716151413121110987654321控制信号S3S2S1S0MCNRDM17M16ABPuA5uA4uA3uA2uA1uA0A字段B字段P字段151413控制信号121110控制信号987控制信号00000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPCM17M16|控制信号00Y001Y

29、110Y211Y3五、实验步骤1、图1-15为几条机器指令对应的参考微程序流程图，将全部微程序按微指令格式变成 二进制代码，可得到表1-5的二进制代码表。表1-5微程序时序控制实验二进制代码表微地 址S3 S2 S1 S0 M CNRDM17M16ABPuA5 uA4 uA3 uA2 uA1uA00 00 0 0 0 0 00110 0 00 0 01 0 00 1 0 0 0 00 10 0 0 0 0 0011p 1 01 1 0 1 1 00000100 20 0 0 0 0 00011 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 00 30 0 0 0 0 00011 1 00 0

30、00 0 00001000 40 0 0 0 0 0001：0 1 10 0 0:0 0 00001010 50 0 0 0 0 00110 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 00 610 0 10 10110 0 11 0 d0 0 00000010 70 0 0 0 0 00011100 0 00 0 00011011 00 0 0 0 0 00000 0 10 0 00 0 00 0 0 0 0 11 10 0 0 0 0 0011p 1 01 1 0 1 1 000001 11 20 0 0 0 0 00111 1 01 1 01 1 00 0 0 1 1 11 30 0

31、0 0 0 00111 1 01 1 01 1 00 0 11101 40 0 0 0 0 00111 1 01 1 0 1 1 00101101 50 0 0 0 0 01010 0 00010 0 00 0 0 0 0 11 60 0 0 0 0 00011 1 00 0 00 0 00 0 11111 70 0 0 0 0 00010 1 00 0 00 0 00101012 00 0 0 0 0 00111 1 01 1 0 11 1 00 1 0 0 1 02 10 0 0 0 0 00111 1 01 1 01 1 00 10 10 02 20 0 0 0 0 00010 1 00

32、 0 00 0 00101112 30 0 0 0 0 00110 0 00 0 010 0 00 0 0 0 0 12 40 0 0 0 0 00000 1 00 0 00 0 00 1 10 0 02 50 0 0 0 0 11100 0 01 0 d0 0 010 0 0 0 0 12 60 0 0 0 0 00011 0 10 0 01 1 00 0 0 0 0 12 70 0 0 0 0 111010 0 01 010 0 010 1 0 0 0 03 00 0 0 0 0 11010 0 01 0 1：0 0 00 1 0 0 0 1其中uA5 uA0为6位的后续微地址， A B

33、P为三个译码字段，分别由三个控制位译 码出多位。P字段中的Pl P4是四个测试字位。其功能是根据机器指令及相应微代码进行 译码，使微程序转入相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行。AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位，其为零有效。B字段中的RS_G RD_G RI_G分别为源寄存器选通信号、目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号，其功能是根耳机器指令来 进行三个工彳佞寄存器 R0 R1及R2的选通译码。LDRIDAR_GDM2 M2M2M2 M：M1M IM1 M1P(1P(2P(3)(4) ARINTALDPC74LS13874LS245(A)Ir74LS74LM24L

34、M17LM16LM9LM8LM1CLRCLR74LS273CLKSE6力? 寸CLRCLRSE1mdatamdatamdata28C1628C1628C16OECE WECE WE74LS24574LS245OE74LS374addr ledladd门ed6CLRMA5MK8MK174LS138 (P)74LS138 (B)74LS175 CLKCLK kMA074LS74CLK74LS273CLROECE WEmicro address74LS245Icontrol and mcs51Word资料MS5MS0图1-13微控制器实验原理图2、按图1-14连接实验线路，仔细检查无误后接通电源。（图中箭头表示需要接线的地方， 接控制信号时要注意各信号一一对应，可用彩排线的颜色来进行区方:3、观察微程序控制器的工作原理：（1）编程A、将CONTROL UNIT勺编程开关 SP06设置为 WRITE（编程）状态。B、将实验板上“ SIGNALUNIT中的 SP03设置为 STEP, SP04设置为 RUN状 态。S