清华版计算机组成原理及系统结构

TOC\o"1-5"\h\z目录 I\o"CurrentDocument"第一部分基本单元实验 -1-\o"CurrentDocument"1.1算术逻辑运算实验 -1-一、实验目的 二、实验原理 \o"CurrentDocument"三、实验步骤及注意事项 -1-\o"CurrentDocument"四、实验结果 -3-\o"CurrentDocument"五、思考题答案 -4-\o"CurrentDocument"六、提问及解答 -4-\o"CurrentDocument"1.2进位控制实验 -5-\o"CurrentDocument"一、实验目的 -5-\o"CurrentDocument"二、实验原理 -5-\o"CurrentDocument"三、实验步骤及注意事项 -5-\o"CurrentDocument"四、实验结果 -6-\o"CurrentDocument"五、思考题答案 -6-\o"CurrentDocument"六、提问及解答 -7\o"CurrentDocument"1.3移位运算实验 -8-\o"CurrentDocument"一、实验目的 -8-\o"CurrentDocument"二、实验原理 -8-\o"CurrentDocument"三、实验步骤及注意事项 -8-\o"CurrentDocument"四、实验结果 -9-\o"CurrentDocument"五、思考题答案 -9\o"CurrentDocument"4乘法器设计实验 -10-\o"CurrentDocument"•、实验目的 -10-\o"CurrentDocument"二、实验原理 -10-\o"CurrentDocument"三、实验步骤及注意事项 -10-\o"CurrentDocument"四、实验结果 -11-\o"CurrentDocument"五、思考题答案 -111.5内存实验 -12-\o"CurrentDocument"一、实验目的 -12-\o"CurrentDocument"二、实验原理 -12-\o"CurrentDocument"二、实验步骤及注意事项 -12-\o"CurrentDocument"四、实验结果 ・14-\o"CurrentDocument"五、思考题答案 -14-\o"CurrentDocument"六、提问及解答 -14\o"CurrentDocument"1.6总线控制实验 -15 -\o"CurrentDocument"一、实验目的 -15-\o"CurrentDocument"二、实验原理 -15-\o"CurrentDocument"二、实验步骤及注意事项 -15-\o"CurrentDocument"四、思考题答案 -16-\o"CurrentDocument"五、提问及解答 -16-\o"CurrentDocument"1.7时序实验 -17-\o"CurrentDocument"一、实验目的 -17-\o"CurrentDocument"二、实验原理 -17-\o"CurrentDocument"三、实验步骤及注意事项 -17-\o"CurrentDocument"四、实验结果 -18-\o"CurrentDocument"五、思考题答案 -18-\o"CurrentDocument"六、提问及解答 -18-\o"CurrentDocument"1.8微程控器的组成与微程序设计实验 -19-\o"CurrentDocument"一、实验目的 -19-\o"CurrentDocument"二、实验原理 -19-三、实验步骤及注意事项 -21-\o"CurrentDocument"四、实验结果 -23-\o"CurrentDocument"五、思考题答案 -24-\o"CurrentDocument"六、提问及解答 -24\o"CurrentDocument"1.9硬布线控制器设计实验 -25-\o"CurrentDocument"一、实验目的 -25-\o"CurrentDocument"二、实验原理 -25-\o"CurrentDocument"三、实验步骤及注意事项 -26-\o"CurrentDocument"四、实验结果 -27-\o"CurrentDocument"五、思考题答案 -27-第二部分综合实验 -28-2.1基本模型机实验 -28-\o"CurrentDocument"一、实验目的 -28-\o"CurrentDocument"二、实验原理 -28-\o"CurrentDocument"三、实验步骤及注意事项 -31-\o"CurrentDocument"四、实验结果 -35-\o"CurrentDocument"五、思考题答案 -35\o"CurrentDocument"2移位运算模型机实验 -36-\o"CurrentDocument"一、实验目的 -36-\o"CurrentDocument"二、实验原理 -36-\o"CurrentDocument"三、实验步骤及注意事项 -36-\o"CurrentDocument"四、实验结果 -40-\o"CurrentDocument"五、思考题答案 -40-\o"CurrentDocument"2.3复杂模型机实验 -41-一、实验目的 -41 -二、实验原理 -41 -\o"CurrentDocument"三、实验步骤及注意事项 -41-\o"CurrentDocument"四、实验结果 -45-\o"CurrentDocument"思考题答案 -46-\o"CurrentDocument"4可重构原理计算机的组成实验 -47-\o"CurrentDocument"一、实验目的 -47-\o"CurrentDocument"二、实验原理 -47-\o"CurrentDocument"三、实验步骤及注意事项 -49-\o"CurrentDocument"四、实验结果 -49-\o"CurrentDocument"五、思考题及答案 -50-第三部分扩展板实验 -51-1扩展8255并行口实验 -51-\o"CurrentDocument"♦、实验目的 -51-二、实验原理 -51 -二、头验步骤及汪意事项 "52-\o"CurrentDocument"四、实验结果 -56-\o"CurrentDocument"五、思考题答案 -56-\o"CurrentDocument"六、提问及解答 -56-\o"CurrentDocument"3.2扩展8253定时器/计数器实验 -57-\o"CurrentDocument"一、实验目的 -57-\o"CurrentDocument"二、实验原理 -57-\o"CurrentDocument"三、实验步骤及注意事项 -57-\o"CurrentDocument"四、实验结果 -59-\o"CurrentDocument"五、思考题答案 -59-\o"CurrentDocument"3.38259中断控制器实验 -60-\o"CurrentDocument"一、实验目的 -60-\o"CurrentDocument"二、实验原理 -60-三、实验步骤及注意事项 -62-\o"CurrentDocument"四、实验结果 -65-\o"CurrentDocument"五、思考题答案 -65-\o"CurrentDocument"第四部分系统结构实验 -66-\o"CurrentDocument"4.1基于硬布线控制器的基本模型机设计实验 -66-\o"CurrentDocument"一、实验目的 -66-\o"CurrentDocument"二、实验原理 -66-\o"CurrentDocument"三、实验步骤及注意事项 -67-\o"CurrentDocument"四、实验结果 -69-\o"CurrentDocument"五、思考题答案 -69-\o"CurrentDocument"2基于RISC处理器构成的模型机的设计与实现 -70-\o"CurrentDocument"一、实验目的 -70-\o"CurrentDocument"二、实验原理 -70-三、实验步骤及注意事项 -72-\o"CurrentDocument"四、实验结果 -73-\o"CurrentDocument"五、思考题答案 -74\o"CurrentDocument"4.3流水微程序模型机设计实验 -75-\o"CurrentDocument"一、实验目的 -75-\o"CurrentDocument"二、实验原理 -75-三、实验步骤及注意事项 -77-\o"CurrentDocument"四、实验结果 -80-\o"CurrentDocument"五、思考题答案 -80\o"CurrentDocument"4.4流水硬布线控制器设计实验 -81-\o"CurrentDocument"一、实验目的 -81-\o"CurrentDocument"二、实验原理 -81-二、实验步骤及汪意事项 -83-\o"CurrentDocument"四、实验结果 -84-\o"CurrentDocument"五、思考题答案 -84-\o"CurrentDocument"附录1实验用芯片介绍 -85-\o"CurrentDocument"附录2联机软件操作说明 -92-\o"CurrentDocument"附录3模块布局图 -96-\o"CurrentDocument"附录4参考文献 -97-第一部分基本单元实验1.1算术逻辑运算实验一、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。二、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,数据输入开关用来给出参与运算的数据，并经过一三态门（74LS245）和数据总线相连。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相连，用来显示数据总线内容。D7DOI-“一I

11111111

刈■■、74LS245DATABUSD7-DO图1-1 运算器数据通路图图『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、Sl、SO、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU_G、SW_G各电平控制信号与开关单元中的二进制数据开关进行跳线连接，其中ALU_G、SW_G为低电平有效，LDDR1、LDDR2为高电平有效。按动微动开关START,即可获得实验所需的单脉冲。三、实验步骤及注意事项1、按图卜2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）

信号单元T4□<*□信号单元T4□<*□TS42、用输入单元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,LDDR1=O,LDDR2=0,ALU_G=1,SW_G=1,S3S2SISOMCN-111111,并将控制台单元的开关SP05打在“NORM”状态，然后按下图示示步骤进行。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控制台单元的触动开关START来产生的。LDDR1=O

LDDR2=1T4=n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=O）,使ALU单元的输出结果进入总线。当设置S3、S2,SI、SO、M、CN的状态为1111H时，数据电元的指示灯显示DR1中的数；而设置成101011时，数据单元的指示灯显示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S3S2SISOMCN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S3S2S1soM=0（算术运算）M=1（逻辑运算）CN=1无进位CN=O有进位0000F=AF=A加1F二A0001F=(A+B)力口1F=A+B0010F=A+BF=(A+B)力口1F=AB0011F=0减1F=0F=0

0100F=A力UABF=4力口A)力U1F二而0101F=(A+B)力UF=(A+B)力口AH力「1F=B0110F=A减8减1F二A减8F=A㊉80111F=A)减1F=A'BF=A'B1000F=A加JABF=A力口48力「1F=A+B1001F=A力n8F=4力口8力n1F二A㊉81010F=(A+B)力「48F=(A+B)力UAB力口1F=B1011F二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+81110F=(A+B)力口AF=(A+B)力口4力口1F=A+B1111F二A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,即人=。山B=43H。然后改变运算器的控制电平S3s2SISOMCN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DR1DR2S3S2SIsoM=0（算术运算）M=1（逻辑运算）CN=1无进位CN=O有进位Cl430000F=C1F=C2F=3ECl430001F=C3F=C4F=3CCl430010F=FDF=FEF=02Cl430011F=FFF=0F=0Cl430100F=41F=42F=BECl430101F=43F=44F=BCCl430110F=7DF=7EF=82Cl430111F=7FF=80F=80Cl431000F=02F=03F=7FCl431001F=04F=05F=7DCl431010F=3EF=3FF=43Cl431011F=40F=41F=41Cl431100F=82F=83F=FFCl431101F=84F=85F=FDCl431110F=BEF=BFF=C3Cl431111F=C0F=C1F=C1注：连线时应注意耳口表示两个引脚是导通的，指同•个信号；麦小两个明脚没有导通，指两个不同的信号（以后均不再说明）。四、实验结果1、根据实验步骤1和2,置数后DATABUS单元的指示灯显示DR1中的数为OC1H,显示DR2中的数为43H.2、运算器功能实验表：DR1DR2S3S2SIsoM=0（算术运算）M=1（逻辑运算）CN=1无进位CN=0有进位Cl430000F=C1F=C2F=3ECl430001F=C3F=C4F=3CCl430010F=FDF=FEF=02Cl430011F=FFF=0F=0Cl430100F=41F=42F=BECl430101F=43F=44F=BCCl430110F=707DF=7EF=82

C1430111F=7FF=80F=80C1431000F=02F=03F=7FC1431001F=04F=05F=7DC1431010F=3EF=3FF=43C1431011F=40F=41F=41C1431100F=82F=83F=FFC1431101F=84F=85F=FDC1431110F=BEF=BFF=C3C1431111F=COF=C1F=C1五、思考题答案1、运算器的功能是什么？核心部分是什么？答：运算器的主要功能是完成算术及逻辑运算，它由ALU和若干寄存器组成。ALU负责执行各种数据运算操作；寄存器用于暂时存放参与运算的数据以及保存运算状态。运算器的核心部分是算术逻辑运算单元。六、提问及解答1、逻辑运算指的是哪几种运算？总结各种逻辑运算的运算规律。答：有逻辑乘、逻辑非、逻辑加、逻辑与几种运算，它们的运算都是按位进行的。1.2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、实验原理D7DOAIT<T1S3S2SISOItCM74LS273二、实验原理D7DOAIT<T1S3S2SISOItCM74LS27371LS273图l-3进位控制实验原理图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181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连至信号单元的TS4±oAR是电平控制信号（低电平有效），可用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。三、实验步骤及注意事项1、按图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）

信号单元T1□<T4Q**□TS1>□TS4算术逻辑单元ALU.GLDDR2LDDR1S3S2S1S0MCN信号单元T1□<T4Q**□TS1>□TS4算术逻辑单元ALU.GLDDR2LDDR1S3S2S1S0MCNS3S2S1SOMCNLDDR2LDDR1AR输入单元SW_G开关单元SW_G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：实验板中开关单元中的CLR开关为标志位CY、ZI的清零开关，它为。时（开关向上为1,向下为0）是清零状态，所以将此开关做1-0-1操作，即可使标志位CY、ZI清零（清零后CY、ZI指示灯亮）。3、用输入单元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=O,LDDR2=0,ALU_G=1,AR=1,SW_G=1,S3S2S1SOMCN=111U1,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。LDDR1=(TLDDR2=1T4=n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控制台单元的触动开关START来产生的。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（SWG=l）并使LDDR2=0,打开ALU输出三态门（ALU_G=O）,使ALU单元的输出结果进入总线，当S3s2slSOMCN的状态为100101时，数据总线指示灯显示的数据为DR1加DR2加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=O,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CY灭，表示有进位。四、实验结果在本例中DR1为11000001,DR2为01000011,结果为00000100,CY灭，有进位。五、思考题答案1、74LS181能提高运算速度的原因是什么？答：74LS181能提高运算速度的原因是它内部具有并行进位逻辑。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？答：在定点二进制运算器中，减法运算一般通过补码运算的二进制加法器来实现。六、提问及解答1、为什么采用并行进位能提高加法器的运算速度？答：串行进位加法器中某位和数的形成，依赖于低位进位信号的产生，而进位信息是从低位元到高位逐位元产生的，高位求和处于等待进位信号产生的状态，这种等待耗去了一定时间。并行进位中，各位的进位信号与低位进位信号无关，仅与两个参加操作的数有关，由于每位的操作数是同时给出的，各进位信号儿乎可以同时产生，和数也将随之产生，所以采用并行进位可以提高加法器的运算速度。1.1.3移位运算实验一、实验目的验证移位控制的功能二、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。299G信号控制其使能端，T4时序为其时钟脉冲，由SISOM控制信号控制其功能状态，列表如下：图1-5图1-5移位运算电路原理图表1-374LS299功能表299_GS1soM功能000任意保持0100循环右移0101带进位循环右移0010循环左移0011带进位循环左移任意11任意装数三、实验步骤及注意事项1、按图1-6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）信号单元 T4匚X TS4开关单元算术逻辑单元299_GO输入单元►O299_GSW_GdJ►OSW_G开关单元算术逻辑单元299_GO输入单元►O299_GSW_GdJ►OSW_G图1-6 移位运算实验接线图2、按照如下步骤用输入单元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_G=1,SISOM=111,CLR=—Of并将控制台单元的开关SPO5打在“NORM”状态，SP06打在“RUN”状态,SPO3打在“STEP”状态，SP04打在“RUN”状态。然后按下图所示步骤进行。_S0=l~\ ~SW_G=O si=l SW_G=1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控制台单元的触动开关START来产生的。3、参照前面的表格1-3,改变SOSIM299_6的状态，按动触动开关START,观察移位结果。四、实验结果参照前面的表格1-3,改变SOS1M299_G的状态，按动触动开关START,观察移位元结果。表1-374LS299菜单299_GS1soM功能000任意保持0100循环右移0101带进位循环右移0010循环左移0011带进位循环左移任意11任意装数五、思考题答案1、本实验后的移位发生器是什么？其菜单是什么？答：本实验用到的移位发生器是74LS299,其菜单见表1-3。1.4乘法器设计实验一、实验目的1、本实验的内容：通过MAX+plusII软件下载程序到实验箱，观察乘法器输出并与理论值比较。2,学生通过本实验熟悉CPLD的应用，掌握4位数组乘法器的设计原理。3、学生应该按实验指导书的要求按时完成实验报告。二、实验原理硬件乘法器常规的设计通常使用“串行移位”和“并行加法”相结合的方法，这种方法的优点是所需的硬件资源少，但是串行方法速度太慢，不能满足科学技术对高速乘法提出的要求。由于在计算机中乘法运算大约占全部算术运算的1/3,因此采用高速乘法部件十分必要。随着大规模集成电路的发展，高速的单元阵列乘法器应运而生，出现了各种形式的阵列乘法器，提供了极快的计算速度。使用CPLD器件来设计4位阵列乘法器。4位乘4位不带符合的阵列乘法器的逻辑原理如下图1-7。Xa3b3a2b2alblaObOa3b0a2b0aibOaObOa3bla2blalblaObla3b2a2b2alb2a0b2a3b3a2b3alb3a0b3P7P6P5p4P3P2plp0图L7阵列乘法器逻辑图依据逻辑图用原理图输入法，把四乘四位不带符合的阵列乘法器设计到CPLD单元芯片MAX7128中。实验用输入单元的高4位作为b3-bO,低4位作为a3-aO,用输出单元的数码管来显示列阵乘法器的结果。三、实验步骤及注意事项1、请参照附录3提示安装学习MAX+PLUSII软件。2、光盘中提供设计的阵列乘法器文件打开。接通电源，通过MAX+plusH软件，把对应chengfa文件中的mult.pof文件用下载电缆下载到实验箱中。3、按图1-8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）4、用输入单元的二进制数据开关把乘数03H与被乘数02H写入寄存器（在CPLD器件）中，然后把相乘的结果在输出单元显示。具体按照如下步骤，首先使各个控制电平的初始状态为：SW_G=1,CE=1,WE=1,299_G=LCLR=1-0-1,并将控制台单元的开关SP05打在“NORM”,开关SP03打在“STEP”，开关SP04打在“RUN”状态，然后按照卜面框图所示步躲进行操作。卜.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。注意：按动一下控制台单元大鼠标开关“START"，即可在G_CK得到一个正脉冲5、按照从上到下的顺序来进行。注意：按动一下控制台单元大鼠标开关“START"，即可在G_CK得到一个正脉冲5、观察乘法器输出，并与理论值相比较。CE=1WE=1SW_G=1

29"G=1SW_G=1299_G=0

CE=OWE=O输入单元□SWG四、实验结果用输入单元的二进制数据开关把乘数03H与被乘数02H写入寄存器中，在输出单元显示相乘结果06Ho五、思考题答案1、如果在乘法器的运算结果发生溢出，那么在输出单元会出现什么现象？答：如果在乘法器的运算结果发生溢出，会使得运算结果在移位元过程中发生丢失，将产生错误。L5内存实验一、实验目的1,掌握静态随机存储器RAM工作特性。2、掌握静态随机存储器RAM的数据读写方法。二、实验原理实验所用的半导体静态存储器电路原理如图『9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LI01—LI08与地址总线相连，显示地址内容。输入单元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。D0 D7££-<A7 AO -="74LS273（AR）D7 DO己=JaTABUS「||JR 2LDAR ^「3图1-9存储器实验原理图地址总线为8位，接入6116的地址A7—A0,将6116的高三位人8—人10接地，所以其实际容量为256字节。6116有三个控制线：CE（片选线）、0E（读线）、WE（写线）。本实验中将0E常接地，在此情况，当CE=O、WE=O时进行写操作，CE=O、WE=1时进行读操作，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开关单元的二进制开关给出，其中SW_G为低电平有效，LDAR为高电平有效。二、室聆先骤乃洋煮事而一1、形成时钟脉冲信号T3,具体接线方法和操作步骤如下：（1）将信号源单元中的CLOCK和CK,TS3和T3用排线相连。（2）将信号源单元中的两个二进制开关“SP03”设置为“RUN”状态、“SP04”设置为“RUN”状态（当“SPO3”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。）2、按图1-10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）信号单元CECH-WEo<-PC_GCH-开关单元SW_GCM-LDARTS3匚卜*□13DL7存储器 DL0单元 AL7ALO>OCE_R->□WE_RDR7>□CE_L .DROAR7ARO[[*OSW_G输入单元>OLDAR地址指针单元图1-10存储器实验接线图3、给存储器的00、01、02、03、04地址单元中分别写入数据11、22、33、44、55,具体操作步骤如下：（以向00号单元写入11为例）首先使各个控制电平的初始状态为：SW_G=1,CE=1,WE=1,LDAR=0,CLR=1-0-1,并将控制台单元的开关SP05打在“NORM”状态，然后按下图所示步骤进行。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T3的正脉冲是通过按动一次控制台单元的触动开关START来产生的，而WE的负脉冲则是通过让开关单元的WE开关做1-0-1变化来产生的。SW_G=OLDAR=1T3=-TLSW_G=1LDAR=OSWG=0SWG=0CE=0WE=U4、依次读出第00、01、02、03、04号单元中的内容，在数据总线单元的指示灯上进行显示，观察rCE=1qWE=1SW_G=1-LDAR=1」SW_G=0T3=-FLSW_G=1LDAR=0CE=0其中AR的值在地址总线单元的指示灯上显示，RAM相应单元的值在数据总线单元的指示灯上显示。四、实验结果地址0000000000000001000000100000001100000100存储资料0001000100100010001100110100010001010101五、思考题答案1、静态内存是靠什么存储信息？动态内存又是靠什么存储信息的？答：SRAM靠触发器存储信息，DRAM则是靠栅极电容存储信息。2、静态内存和动态内存的优缺点？答：SRAM比DRAM速度快，但SRAM的集成度不如DRAM高，它们共同的缺点是掉电后不能保存信息。六、提问及解答1、为什么在内存芯片中设置片选输入端？答：由于一块集成芯片的容量有限，要组成一个大容量的内存，往往需要将多块芯片连接起来使用，这就存在某个位址需要用到某些芯片，而其它芯片暂时不用的问题，这就是所谓片选。只有片选信号(/CS)有效时，该芯片才被选中，此片所连的地址线才有效，才能对它进行读或写操作。而读或写(R/W)操作是由CPU发出读命令或写命令来控制的。

1.1.6总线控制实验一、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、实验原理总线是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路，是构成计算机系统的骨架。借助总线连接，计算机在系统各部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作。因此，所谓总线就是指能为多个功能部件服务的一组公用信息线。总线传输实验框图如图1-11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。数据总线图LU数据总线图LU总线示意图三、实验步骤及注意事项1、根据挂在总线上的几个基本部件，设计一个简单的流程：(1)输入设备将一个数写入地址寄存器。(2)输入设备将另一个数写入到存储器的当前地址单元中。(3)将存储器当前地址单元中的数用LED数码管显示。2、按照图上12实验接线图进行连线，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)港池建猫泌培海罐祥津近B

港池建猫泌培海罐祥津近B3,具体操作步骤图示如下：首先使各个控制电平的初始状态为：SW_G=1,CE=1,WE=1,LDAR=O,299_G(LED_G)=1,PC_G(WE)=1,CLR=—Of,并将控制台单元的开关SPO5打在“NORM”状态，然后按下图所示步彝进行。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的正脉冲是通过让开关单元的LDAR开关做0-1-0变化来产生的，而WE和PC_G(WE)的负脉冲则是通过让开关单元的WE和PC_G开关做1-0-1变化来产生的。SW_G=OLDAR=nSW_G=OCE=OWE=1,TCE=1SW_G=1-CE=O-

299_G(LED_G)=0

PC_G(WE)=\rSW_G=OLDAR=nSW_G=OCE=OWE=1,TCE=1SW_G=1-CE=O-

299_G(LED_G)=0

PC_G(WE)=\r完成上述操作后，在输出单元的数码管上观察结果。四、思考题答案1、什么是总线？总线控制的方式有哪些？答：总线就是指能为多个功能部件服务的一组公用信息线。总线控制的方式有串行链接方式，计数器定时查询方式，独立请求方式。2、画出单总线结构示意图。答： 单总线结构示意图数据总线数据总线五、提问及解答1、判别总线使用权的优先级别有几种方法？各有什么特点？答：串行链接方式，特点：采用硬接线逻辑，将各部件扣链在总线响应在线，优先级周定，有较高的实时I可应性。定时查询方式，特点：方便改变优先次序，通过增加线数换取的。独立请求方式，特点：响应时间快，不必一个设备一个设备地查询，优先次序控制灵活，既可以采用优先级固定法，也可以通过程序改变优先次序；还可通过屏蔽某个请求，以禁止相应的部件使用总线,通过增加线数换取的。1.7时序实验一、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。二、实验原理实验所用的时序电路原理如图1-13示，可产生4个相位等间隔的时序信号TSI—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）分别是来自实验板信号源单元二进制开关SPO3,SP04的状态。START信号来自实验板控制台单元的一个微动开关START的按键信号。当SP03、SP04开关状态都为RUN时，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TSI—TS4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。sgasggCLR图1-13时序电路原理图三、实验步骤及注意事项1、首先按照图1-14进行接线用8芯鳄鱼夹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，时序信号TSI—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1-15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。）

信号单元四、实验结果 联机软件的示波器观察到的输出波形:五、思考题答案1、在示波器上如何确定工作脉冲的先后关系？答：在示波器上通过确定参照点来确定工作脉冲的先后顺序。六、提问及解答1、计算机为什么要设置时序系统？答：计算机的操作都有一定的严格的次序，而且一个操作在什么时候执行，执行多长时间也有严格的规定，不能有任何的差错。不仅次序有规定，而且什么时候送操作数、什么时刻送加法指令、什么时刻送出结果也有规定。因此，需要引入时序系统。1.8微程控器的组成与微程序设计实验一、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。二、实验原理实验所用的时序电路原理可以参考时序实验。由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1-16其中控制存储器采用3片2816E2PR0M,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设置为“1”状态，完成地址修改。在该实验电路中，在控制台单元有一个编程开关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S3S2S1S0MCNRDM17M16ABPuA5uA4uA3uA2MuAOA字」B字段p字段151413控制信号121110控制信号987控制信号000000000001LDRI001RS_G001Pl010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPCM17M16控制信号00Y001Y110Y211Y3图1-16微控制器实验原理图74I-S13H74LS24574LS13874LS13«74LS7474LS74IMlf'CLKCLK<-74LS27574LS2732XCI628(162X(16CENE741.524574I.S24574LS24574374addrledIaddrIrd6ciintnHandmcs?!CLRT2MK24MM7MK16m_datam_data74LS175三、实验步骤及注意事项1、图1T7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S3S2SISOMCNRDM17M16ABpuA5uA4uA3uA2uAluAO0000000001100000010001000001000000()1111011011000001002000000()0]100000001001000030000000011100000000001000400000000101100000000010105000000011010001000000110061001010110011010000000010700000000111000000000110110000000000001000000000001110000000111101101100000111200000001111011()11()00011113000000011110110110001110140000000111101101100101101500000010]000001000000001160000000011100000000011111700000000101000000001010120000000011110110110010010210000000111101101100101002200000000101000000001011123000000011000000000000001240000000000100000000110002500000111000010100000000126000000001101000110000001270000011100001010000100003000000110]000101000010001其中uA5—uAO为6位的后续微地址，A、B、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P1—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，其功能是根自机器后令来进行三个工作寄存器RO、R1及R2的选通译码。2、按图178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分）00运行;0】00运行;0】*图1-17微程序流程图TSI TS2信号单元 To □T1 T2图1T8微控制器时序控制实验接线图3、观察微程序控制器的工作原理：（1）编程A、将控制台单元的编程开关SP06设置为WRITE（编程）状态。B、将实验板上“信号源单元”中的“SP03”设置为“STEP”，“SP04”设置为“RUN”状态。开关单元的开关CLR置为高电平。C、用开关单元的二进制模拟开关设置微地址UA5—UA0。D、在微控制器单元的开关SM24-SM01上设置微代码，24位开关对应24位显示灯，开关量为“1”时灯亮，开关量为"0"时灯灭。E、启动时序电路（按动控制台单元的“START”触动开关），即将微代码写入到E*PROM28C16的相应地址对应的单元中。F、重复C—E步骤，将表1-5的微代码写入28cl6。（2）校验A、将控制台单元的编程开关SP06设置为READ（校验）状态。B、将实验板“信号源单元”中的“SP03”开关设置为“STEP”状态，“SP04”开关设置为“RUN”状态。C、用开关单元的二进制开关设置要检验的微地址UA5—UA0,D、按动控制台单元的“START'触动开关，启动时序电路，读出微代码，观察微控制器单元的显示灯LM24-LM01的状态（灯亮为“1”，灭为"0”），检查读出的微代码是否与写入的相同。如果不同，则将开关置于“WRITE”编程状态，重新执行（1）即可。（3）单步运行A、将控制台单元的编程开关SP06置于“RUN（运行）”状态。B、将实验板“信号源单元”中的“SP03”开关设置为“STEP”状态，“SP04”开关设置为“RUN”状态。C、操作开关单元的CLR开关，使CLR信号状态依次为1-0-1,将微地址寄存器74LS74（1）—74LS74（3）清零，从而明确本机的运行入口微地址为000000（二进制）。D、按动控制台单元的“START”触动开关，启动时序电路，则每按动一次“START”键，读出一条微指令后停机，此时实验台上的微地址显示灯和微命令显示灯将显示所读出的-一条指令。注：在当前条件下，将微控制器单元的SE6—SE1接至开关单元中的UA5-UA0对应二进制开关上，可通过强置端SE6—SE1人为设置分支地址。首先将SE6—SE1对应二进制开关设置为“1”，当需要人为设置分支地址时，将需要改变的某个或儿个二进制开关设置“0”，相应的微地址位即被强置为“1”，从而改变下一条微指令的地址。（二进制开关设置为“0”，相应的微地址位将被强置为“1”）四、实验结果在SWITCHUNIT单元中，给UA5-UA0地址输入表1.5对应地址。那么在MICROCONTROL单元中可以看到表1.5对应微地址显示的二进制代码。“0”表示灯灭，“1”表示灯亮。五、思考题答案1、比较微程控器和组合逻辑控制器各有什么优缺点？答：微程控器具有规整性、可扩展性等优点，是一种用软件方法来设计硬件的技术，它可实现复杂指令的操作控制，且极具灵活性，可方便增加和修改指令，而组合逻辑控制器的速度较快。2、什么叫指令？什么叫微指令？二者有什么关系？答：指令，即指机器指令。每一条指令可以完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令，通常把这种控制命令叫做微命令，而一组实现一定操作功能的微命令的组合，构成一条微指令。一条机器指令在执行时，需要计算机做很多微操作。在微操作控制器中，一条机器指令需要由一组微指令组成的微程序来完成，即微程序完成对指令的解释执行。因此，•条指令对应多条微指令，而•条微指令可为多个机器指令服务。六、提问及解答1、微命令有哪几种编码方法？它们是如何实现的？答：微命令有三种编码方法：宜接控制法、解碟控制法及混合控制法。直接控制法是将微命令的操作控制字段的每个二进制位，定义为一个微命令，用该位的“0”或“1”表示相应的微命令的“无”或“有二译码控制法是将操作控制字段的二进制位进行组合和编码，用不同组合的码点定义各个微命令。混合控制法是将直接控制法与译码控制法混合使用，以便在微指令字长、并行性及执行速度和灵活性等方面进行折衷，发挥它们的优点。9硬布线控制器设计实验一、实验目的1、掌握硬布线控制器的设计原理。2、掌握如何使用大规模可编程器件完成硬布线控制器的设计。二、实验原理（1）硬布线控制器的设计原理计算机控制器有两种实现方法：1、硬布线控制器（也称组合逻辑控制器）2、微程序控制器。设计硬布线控制器是根据实现各指令功能所需控制命令的相应逻辑条件及时序，来组成各个控制命令的逻辑表达式，然后由各种不同的逻辑电路来实现它，构成逻辑控制部件。下图1-19示出了硬布线控制器的结构框图。硬布线控制器的输入信号主要来源有：指令译码器的输出、时序单元的时序信号（包括节拍电位信号和节拍脉冲信号）。输出的信号控制各指令所对应的微操作。即微控制信号是指令操作码译码器输出、时序信号、反馈信号的函数。（为了00简单明了，在此没有加入反馈信号）微操作控制信号图1-19图1-19组合逻辑控制器结构框图启动停止输入CLOCK（2）用CPLD器件实现硬布线控制器随着大规模可编程器件的发展，用大规模集成电路可编程阵列来实现控制逻辑功能，具有简便和灵活的优点。实验箱上选用了ALTERA公司的EPM7128芯片，它具有在系统可编程功能，可以随时进行逻辑甫构和修改。实验箱采用MAX+PLUSII软件来对可编程器件EPM7128进行编程下载。该软件支持原理图和硬件描述语言输入方式，并可对所设计的电路进行功能时序仿真。详细MAX+PLUSH软机介绍请参阅附录3。本节与微程序控制器一样设计了同样的五条指令，CPU流程图如下图：根据指令流程图设计了一套指令系统表1-6。该指令系统采用图1-13所示的时钟信号，可以得出图1-20所示的周期流程图。表L6组合逻辑控制器实验指令系统表助记符171615141312II10IN0000ADD0001STA0010OUT0011JMP0100

运行图1-20硬布线控制器指令流程图本实验系统提供的例程见光盘所对应的硬布线控制器实验程序，在“CPLD”文件夹中“PROG1”。三、实验步骤及注意事项1、在MAX+PLUS］【软件环境中打开“PROG1.VHD”程序。2、用MAX+PLUS1［软件，选择器件EPM7128sLe-15,编译上述的程序。3、参照表1-7分配管脚并编译锁定管脚。表1-7硬布线控制器管脚分配表微控制信号EPM7128芯片管脚号LDDR1,LDDR2,CN,M,SO,SI,S2,S34,5,6,8,9,10,IL1210,H,12,13,14,15,16,1715,16,17,18,20,21,22,24PC_G,LDAR,LOAD,LDPC25,27,28,29SW_G,LED_G,ALU_G,LDRO,R0_G,LDIR30,31,33,34,37,48WE_R,CE_R,CLOCK,CLR49,50,51,84Tl,T2,T3,T477,79,80,814,把该程序对应的PROGLPOF文件下载到EPM7128芯片中。5、得到对应的CPLD程序顶层图如卜,图1-21所示。（下图是在MAX+PLUSII中将PROG1.GDF原理图生成符号文件而产生的）

LOGICCE——T1WE—LDAR—LDIR———T2LDPC——T3LDRO——T4LDDR1——QLDDR2——CLR1ALU-G——1[7..0]RO_G—LEDG—SW_G—PC_G—LOAD_G—图1-21硬布线控制器顶层图四、实验结果参照表1-7分配管脚并编译锁定管脚。表1-7硬布线控制器管脚分配表微控制信号EPM7128芯片管脚号LDDR1,LDDR2,CN,M,SO,SI,S2,S34,5,6,8,9,10,lb1210,IL12,13,14,15,16,1715,16,17,18,20,21,22,24PC_G,LDAR,LOAD,LDPC25,27,28,29SW_G,LED_G,ALU_G,LDRO,R0_G,LDIR30,31,33,34,37,48WE_R,CE_R,CLOCK,CLR49,50,51,84Tl,T2,T3,T477,79,80,81得到对应的CPLD程序顶层图如下：LOGICCEWELDAR一T1 LDIRTOC\o"1-5"\h\z—T2 LDPC—T3 LDRO一T4 LDDR1—Q LDDR2—CLR1 ALU_G—I[7..O] RO_GLED_GSW_GPC_GLOAD五、思考题答案1、计算机控制器有哪两种实现方法？答：实现方法有：硬布线控制器（也称组合逻辑控制器）和微程控器。2、硬布线控制器的设计思路是什么？答：设计硬布线控制器是根据实现各指令功能所需控制命令的相应逻辑条件及时序，来组成各个控制命令的逻辑表达式，然后由各种不同的逻辑电路来实现它，构成逻辑控制部件。第二部分综合实验

2.1基本模型机实验一、实验目的1、在“微程序控制器的组成与微程序设计实验”的基础上，将第一部分中的各单元组成系统，构造一台基本模型计算机。2、本实验定义五条机器指令，编写相应的微程序，并上机调试运行，形成整机概念。二、实验原理在第一部分的单元实验中，所有的控制信号是人为用开关单元产生的，但是在实际的CPU中，所有的控制信号都是由CPU自动产生的。所以在本次实验中我们用微程序来控制，自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令的功能。这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一段微程序。本实验设计了五条机器指令，其指令格式如下：助记符机器指令码说明IN00000000；输入，“INPUT”设备中的开关状态-ROADDaddr00010000XXXXXXXX5二进制加法,R0+[addr]-ROSTAaddr00100000XXXXXXXX；存数，ROf[addr]OUTaddr00110000XXXXXXXX；输出，[addr]fBUSJMPaddr01000000XXXXXXXX;无条件转移，addr-PC机器指令码的前4位为操作码。其中IN为单字长，其余为双字长指令，XXXXXXXX为addr对应的二进制地址码。为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，还必须设计三个控制台操作微程序。存储器读操作(READ)：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA为“00”时，按START微动开关，可对RAM连续手动读操作。存储器写操作(WRITE)：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA设置为“01”时，按START微动开关可对RAM进行连续手动写入。启动程序(RUN)：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA设置为“11”时，按START微动开关，即可转入到第01号“取址”微指令，启动程序运行。上述三条控制台指令用两个开关SWB、SWA的状态来设置，其定义如下：SWBSWA控制台命令00读内存(READ)01写内存(WRITE)11启动程序运行(RUN)根据以上要求设计数据通路框图，如图2-1。微代码定义如表2-1所示。

地址总线表2-1 基本模型机微指令结构图微程序242322212019181716151413121110987654321控制信号S3S2S1SOMCNRDM17M16ABPuA5uA4uA3uA2uAluAOA字段B字段p字段151413控制信号121110控制信号987控制信号000000000001LDRI001RS_G001Pl010LDDR1010010011LDDR20]1011100LDIR100100P4101LOAD101ALU_G101110LDAR110PC_G110LDPC系统涉及至I的微程序流程见图2-2,当拟定“取指令”微指令时，该微指令的判别测试字段为P1测试。由于“取指令”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P1的测试结果出现多路分支。手机用指令寄存器的高4位（17—14操作码）作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定微地址单元。控制台操作为P4测试，它以控制台开关SWB、SWA作为测试条件，出现了3路分支，占用3个固定微地址单元。当分支微地址单元固定后，剩下的其它地方就可以一条微指令占用一个微地址单元随意填写。当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表2-2即为将图2-2的微程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制微代码表”。运行I01图2-2微程序流程图表2-2二进制代码表微地址S3S2SISOMCNRDM17M16ABpuA5uA4uA3uA2uAluAO00000000011000000100010