计算机组成原理全部实验

计算机科学技术系 王玉芬2012年11月3日《计算机组成原理实验》自编讲义基础实验部分该篇章共有五个基础实验组成，分别是：实验一 运算器实验实验二 存储器实验实验三 数据通路组成与故障分析实验实验四 微程序控制器实验实验五 模型机CPU组成与指令周期实验2《计算机组成原理实验》自编讲义实验一 运算器实验运算器又称作算术逻辑运算单元（ALU），是计算机的五大基本组成部件之一，主要用来完成算术运算和逻辑运算。运算器的核心部件是加法器，加减乘除运算等都是通过加法器进行的，因此，加快运算器的速度实质上是要加快加法器的速度。机器字长n位，意味着能完成两个n位数的各种运算。就应该由n个全加器构成n位并行加法器来实现。通过本实验可以让学生对运算器有一个比较深刻的了解。一、实验目的1．掌握简单运算器的数据传输方式。2．掌握算术逻辑运算部件的工作原理。熟悉简单运算器的数据传送通路。给定数据，完成各种算术运算和逻辑运算。二、实验内容：完成不带进位及带进位的算术运算、逻辑运算实验。总结出不带进位及带进位运算的特点。三、实验原理：实验电路图3图4-1运算器实验电路图实验数据流图CNM0S1ALUS0S2S3DR1 DR2LDDR1 LDDR2T4 T4图4-2运算器实验数据流图实验原理运算器实验是在ALUUNIT单元进行；单板方式下，控制信号，数据，时序信号由实验仪的逻辑开关电路和时序发生器提供，SW7－SW0八个逻辑开关用于产生数据，并发送到总线上；系统方式下，其控制信号由系统机实验平台可视化软件通过管理 CPU来进行控制，SW7－SW0八个逻辑开关由可视化实验平台提供数据信号。1）DR1，DR2：运算暂存器，2）LDDR1：控制把总线上的数据打入运算暂存器DR1，高电平有效。3）LDDR2：控制把总线上的数据打入运算暂存器DR2，高电平有效。（4）S3，S2，S1，S0：确定执行哪一种算术运算或逻辑运算（运算功能表见附录1或者课本第49页）。5）M：M＝0执行算术操作；M＝1执行逻辑操作。6）/CN：/CN＝0表示ALU运算时最低位加进位1；/CN＝1则表示无进位。7）ALU－BUS：控制运算器的运算结果是否送到总线BUS，低电平有效。8）SW－BUS：控制8位数据开关SW7－SW0的开关量是否送到总线，低电平有效。四、实验步骤：实验前首先确定实验方式（是手动方式还是系统方式），如果在做手动方式实验则将方式选择开关置手动方式位置（31个开关状态置成单板方式）。实验箱已标明手动方式和系统方式标志。所有的实验均由手动方式来实现。如果用系统方式，则必须将系统软件安装到系统机上。将方式标志置系统模式位置。学生所做的实验均在系统机上完成。其中包括高《计算机组成原理实验》自编讲义低电平的按钮开关信号输入，状态显示均在系统机上进行。下面实验以手动方式为例进行。我们相信学生在手动方式下完成各项实验后，进入系统方式会变的更加得心应手。具体步骤如下：1．实验前应将MF－OUT输出信号与MF相连接。2．如果进行单板方式状态实验，应将开关方式状态设置成单板方式；同时将位于EDA设计区一上方P0K开关设置成手动方式位置，P1K，P2K开关位置均设置成手动方式位置。3．如果进行系统方式调试，则按上述方式相反状态设置。4．频率信号输出设置：在 CPU1UNIT区有四个f0-f4 状态设置，在进行实验时应保证f0-f4四个信号输出只能有一个信号输出，及f0-f4只有一开关在On的位置。5．不管是手动方式还是系统方式，31个按钮开关初始状态应为“1”即对应的指示灯处于发光的状态。6．位于UPCUNIT区的J1跳线开关应在右侧状态。说明：开关AL－BUS；SW－BUS标识符应为“/AL-BUS;/SW-BUS”注意事项：AL－BUS；SW－BUS不能同时按下；因为同时按下会发生总线冲突，损坏器件。实验前把TJ，DP对应的逻辑开关置成 11状态（高电平输出），并预置下列逻辑电平状态：/ALU－BUS＝1，/PC－BUS＝1，R0－BUS＝1，R1－BUS＝1，R2－BUS＝1时序发生器处于单拍输出状态，实验是在单步状态下进行 DR1，DR2的数据写入及运算，以便能清楚地看见每一步的运算过程。实验步骤按表1进行。实验时，对表中的逻辑开关进行操作置 1或清0，在对DR1，DR2存数据时，按单次脉冲 P0（产生单拍T4信号）。表1中带X的为随机状态，无论是高电平还是低电平，它都不影响运算器的运算操作。总线 D7－D0上接电平指示灯，显示参与运算的数据结果。表中列出运算器实验任务的步骤同表 4相同，16种算术操作和 16种逻辑操作只列出了前面4种，其它实验步骤同表 4相同。带“↑”的地方表示需要按一次单次脉冲 P0，无“↑”的地方表示不需要按单次脉冲 P0。6《计算机组成原理实验》自编讲义表1运算器实验步骤与显示结果表S3S2S1S0M/CnLDDR1LDDR2SW→AL→SW7D7P0注释BUSBUS―－SW0D0XXXXXX000155H55HXXXXXX0001AAAAHHXXXXXX100155H55H↑向DR1送数XXXXXX0101AAAAH↑向DR2送H数11111X0010XX55H读出DR1H数10101X0010XXAAH读出DR2H数XXXXXX1001AAAAH↑向DR1送H数XXXXXX010155H55H↑向DR2送数0000010010XXAAH算术运算H0000000010XXABH算术运算H00001X0010XX55H逻辑运算H0001010010XXFFH算术运算H0001000010XX00H算术运算H00011X0010XX00H逻辑运算H0010010010XXAAH算术运算H0010000010XXABH算术运算H00101X0010XX55H逻辑运算H0011010010XXFFH算术运算H0011000010XX00H算术运算H00111X0010XX00H逻辑运算H7《计算机组成原理实验》自编讲义注意：运算器实验时，把与T4信号相关而本实验不用的LDR0，LDR1，LDR2接低电平，否则影响实验结果。其它注意事项：进行系统方式实验时应注意如下几点：实验前应将MF-OUT输出信号与MF相连接。1、检查通讯电缆是否与计算机连接正确。2、开关方式状态应置成系统方式；（31个开关）。3、P0K、P1K、P2K都置成系统方式；4、信号连接线必须一一对应连接好。 即在实验机左上方的信号接口与实验机右下方的信号接口分别一一对应连接。左上方 右下方地址指针 ――――――――――― 地址指针地址总线 ―――――――――――地址总线（在实验机右侧中部）数据总线 ―――――――――――数据总线（在实验机右侧中部）运算暂存器DR1―――――――――运算暂存器 DR1运算暂存器DR2―――――――――运算暂存器 DR2微地址―――――――――――――微地址检查完毕可以通电；注意事项：1、计算机屏幕上所有的按钮与实验机上的按钮完全对应。2、在做实验时，要保证总线不发生冲突。即对总线操作时只有一个操作状态有效。3、运算器、存储器、数据通路，三个实验按操作步骤操作即可8《计算机组成原理实验》自编讲义实验二 、存储器实验一、实验目的掌握存储器的数据存取方式。了解CPU与主存间的读写过程。掌握半导体存储器读写时控制信号的作用。二、实验内容：向RAM中任一存储单元存入数据；并读出任一单元的数据。三、实验原理实验电路（见下图）实验原理存贮器实验电路由 RAM（6116），AR（74LS273）等组成。SW7－SW0为逻辑开关量，与产生地址和数据；寄存器AR输出A7－A0提供存贮器地址，通过显示灯可以显示地址，D7－D0为总线，通过显示灯可以显示数据。当LDAR为高电平，SW－BUS为低电平，T3信号上升沿到来时，开关 SW7－SW09《计算机组成原理实验》自编讲义产生的地址信号送入地址寄存器AR。当CE为低电平，WE为高电平，SW－BUS为低电平，T3上升沿到来时，开关SW7－SW0产生的数据写入存贮器的存贮单元内，存贮器为读出数据，D7－D0显示读出数据。实验中，除T3信号外，CE，WE，LDAR，SW－BUS为电位控制信号，因此通过对应开关来模拟控制信号的电平，而LDAR，WE控制信号受时序信号T3定时。四、实验步骤（在完成一个实验后，应将所有的信号状态置成“ 1”高电平状态）实验前将TJ，DP对应的逻辑开关置成 11状态（高电平输出），使时序发生器处于单拍输出状态，每按一次 P0输出一拍时序信号，实验处于单步状态，并置 ALU－BUS＝1。实验步骤按表 2进行，实验对表中的开关置 1或清0，即对有关控制信号置 1或清0。表格中只列出了存贮器实验步骤中的一部分，即对几个存贮器单元进行了读写，其它单元的步骤同表格相同。表中带－的地方表示需要按一次单次脉冲 P0。注意：表中列出的总线显示D7－D0及地址显示A7－A0，显示情况是：在写入RAM地址时，由SW7－SW0开关量地址送至D7－D0，总线显示SW7－SW0开关量，而A7－A0则显示上一个地址，在按P后，地址才进入RAM，即在单次脉冲（T3）作用后，A7－A0同D7－D0才显示一样。表2存贮器实验步骤显示结果表SWLDARCEWESW7－D7－D0P0A7－A0注释→SW0BU011100H00H↑00H地址00写入AR000100H00H↑00H数据00写入RAM011110H10H↑10H地址10写入AR000110H10H↑10H数据10写入RAM011100H00H↑00H地址00写入AR100000H00H↑00H读RAM011110H10H↑10H地址10写入AR100010H10H↑10H读RAM011140H40H↑40H地址40写入AR0001FFHFFH↑40H数据FF写入RAM10《计算机组成原理实验》自编讲义011142H42H↑42H地址42写入AR000155H55H↑42H数据55写入RAM011144H44H↑44H地址44写入AR0001AAHAAH↑44H数据AA写入RAM011140H40H↑40H地址40写入AR100040HFFH↑40H读RAM内容011142H42H↑42H地址42写入AR100042H55H↑42H读RAM内容011144H44H↑44H地址44写入AR100044HAAH↑44H读RAM内容说明：实验机中符号“CE”；当CE信号为“0”低电平时，表示存储器 6264的数据输入为有效状态。11《计算机组成原理实验》自编讲义实验三、数据通路组成与故障分析实验一、实验目的熟悉计算机的数据通路掌握数据运算及相关数据和结果的存储的工作原理二、实验内容：利用sw0-sw7数据输入开关向 DR1、DR2预置数据，做运算后将结果存入 RAM，并实现任一单元的读出。例如：将数据做如下操作44H+AAH=EEH结果放在RAM的AAH单元44H⊕EEH=AAH结果放在RAM的ABH单元三、实验原理：实验电路实验原理数据通路实验是将前面进行过的运算器实验模块和存贮器实验模块两部分电路连在一起组成的。原理图见图 7。实验中，除T4，T3信号外，所有控制信号为电平控制信号，这些信号由逻辑开关来模拟，其信号的含义与前两个实验相同。我们按图 7进行实验。四、实验步骤（在完成一个实验后，应将所有的信号状态置成“ 1”高电平状态）实验前将TJ，DP开关置11，使时序发生器处于单拍状态， 按一次P时序信号输出12《计算机组成原理实验》自编讲义一拍信号，使实验为单步执行。实验步骤见表 3。13SW→ALUCEWELDALDDLDDRS3S2S1M/CNSW7→A7－D0－D7BUS→BUSRR12S0SW0A00111010XXXXX144HXXX44HX011X001XXXXX1AAHXXXAAHX101X000111011XXHXXXEEHX101X001111011XXHXXXEEHX101X000011011XXHXXXAAHX101X010011011XXHXXXAAH→X44H011X100XXXXX1AAHAAHAAH

表3 数据通路实验过程表单次按 注释钮P↑ 44H存入DR1AAH存入DR2DR1+DR2＝EEH(或运算)EEH存入DR2DR1⊕DR2＝AAH(异或运算)AAH存入DR1;DR1⊕DR2＝44H地址AAH存入AR1 0 0 1 0 0 0 1010 1 1 XXH AAH EEH ↑ DR2内容存入 RAM《计算机组成原理实验》自编讲义0111100XXXXX1ABHABHABH↑地址ABH存入AR1001000111111XXHABHAAH↑DR1内容存入RAM0111100XXXXX1AAHAAHAAH↑地址AAH存入AR1100010XXXXX1XXHAAHEEH↑读RAM内容送DR10111100XXXXX1ABHABHABH↑地址ABH存入AR1100001XXXXX1XXHABHAAH↑读RAM内容送DR20111100XXXZXX1ACHACHACH↑地址ACH存入AR0101000XXXXX1FFHACHFFH↑数据FFH存入RAM0111100XXXXX1ADHADHADH↑地址ADH存入AR0101000XXXXX100HADH00H数据00H存入RAM15表3中，列出了数据通路组成实验的一部分实验步骤，其它部分同表中的实验步骤相同，只是实验的数据及存贮单元不同。表中带 X的内容是随机状态，它的电平不影响实验结果。表中带“－”的地方表示需要按单次脉冲 P，无“－”的地方则表示不需要按单次脉冲 P。注意：A7－A0所接的地址显示情况是按单次脉冲 P后的状态，A7－A0的显示才与表中相同，否则显示的是上一个地址。《计算机组成原理实验》自编讲义实验四 微程序控制器实验一、实验目的熟悉微指令格式的定义。掌握微程序控制器的基本原理。二、实验内容：分别完成输入指令、加法指令、存数指令、输出指令、无条件转移指令、强迫RAM读、强迫RAM写的微指令流程，并观察微地址的变化。三、实验原理：3.1实验电路图图4-4微程序控制器电路图3.2实验原理一条指令由若干条微指令组成，而每一条微指令由若干个微指令及下一微地址信号组成。不同的微指令由不同的微命令和下一微指令地址组成。它们存放在控制存贮器（2764）中，因此，用不同的微指令地址读出不同的微命令，输出不17《计算机组成原理实验》自编讲义同的控制信号。微程序控制器的电路图见图 4-4，UA4－UA0为微地址寄存器。控制存贮器由3片2764组成，从而微指令长度为 24位。微命令寄存器为20位，由2片8D触发器74LS273和1片4D触发器74LS175组成。微地址寄存器5位，由3片正沿触发的双D触发器74LS74组成，它们带有清零端和预置端。在不判别测试的情况下，T2时刻打入的微地址寄存器内容为下一条指令地址。在需要判别测试的情况下，T2时刻给出判别信号P（1）＝1及下一条微指令地址01000。在T4上升沿到来时，根据P（1）IR7，IR6，IR5的状态条件对微地址01000进行修改，然而按修改的微地址读出下一条微指令，并在下一个T2时刻将读出的微指令打入到微指令寄存器和微地址寄存器。CLR（即P2）为清零信号。当 CLR为低电平时，微指令寄存器清零，微指令信号均无效。微指令格式见下表：表4-4微指令格式表23222120191817161514131211S3S2S1S0M/CNLOADCEWELDROLDDR1LDDR2LDIR选择运算器运算模式打入PCRAMRAM写打入打入打入打入IR片选R0DR1DR2109876543210LDPCLDARALU→PC→R0→BUSSW→P（1）UAUAUAUAUABUSBUSBUS43210PC＋1打入AR运算器结PC内容R0内容开关内判别字下一微指令地址果送总线送总线送总线容送总线18《计算机组成原理实验》自编讲义图4-5微指令流程图如图4-5所示，微程序控制器在清零后，总是先给出微地址为 00000的微指令（启动程序）。读出微地址为 00000的微指令时，便给出下一条微指令地址00001。微指令地址00001及00010的两条微指令是公用微指令。微指令地址00001的微指令执行的是 PC的内容送地址寄存器 AR及PC加1微指令。同时给出下一条微指令地址 00010。微指令地址00010的微指令在T2时序信号是，执行的是把RAM的指令送到指令寄存器，同时给出判别信号 P（1）及下一条微 指令地址01000，在T4时序信号时，根据P（1）IR7，IR6，IR5，修改微地址01000，产生下一条微指令地址，不同的指令（ IR7，IR6，IR5也就不同）产生不同的下一条微指令地址。在 IR7，IR6，IR5为000（即无指令输入时），仍执行01000的微指令。从而可对 RAM进行连续读操作。当执行完一条指令的全部微指令，即一个微程序的最后一条微指令时，均给出下一微指令地址00001，接着执行微指令地址00001，00010的公共微指令，读下条指令的内容，再由微程序控制器判别产生下一条微指令地址，以后的下一19《计算机组成原理实验》自编讲义条微指令地址全部由微指令给出，直到执行完一条指令的若干条微指令，给出下一条微指令地址00001。实验时，先把J1插座的短路块向右短接，然后用开关AN25，AN26，AN27模拟指令的代码（即IR7，IR6，IR5），不断改变AN25，AN26，AN27状态，模拟不同的指令，从而读出不同的微指令。微指令输出状态由各对应的指示灯显示。实验用单步的方式，将启动程序5条指令，强迫RAM读，，强迫RAM写的微指令逐条读出。可用电平指示灯显示每条微指令的微命令。从微地址UA4－UA0和判别标志上可以观察到微程序的纵向变化。四、实验步骤：在做微程序实验时应将“ UPC－OUT”和“UBIN”用26芯电缆连起来在进行微程序控制器实验时两种方式（系统方式和单板方式）31个开关设置如下：1、J1跳线位置应在右侧连接。2、实验在系统机上进行时，应将“ UP”信号设置成低电平。3、SWE：微程序控制器的微地址修改信号，微地址修改为 10000，使机器处于写RAM状态。4、SRD：微程序控制器的微地址修改信号，微地址修改为01000，使机器处于读RAM状态。1）观察时序信号将TJ，DP置00按单次脉冲按钮P0，使时序信号输出连续波形。2）观察微程序控制器工作原理将TJ，DP置11，微程序控制器处于单步状态，按一次单步按钮产生一拍时序信号T1，T2，T3，T4。将UP置0使微程序控制器输出微地址。SWE，SRD置11，将IR7置0，IR6置0，IR5值0，表示无指令输入。实验步骤如下：1，按一次P2（CLR清零按钮），使UA4－UA0为00000。2，按一次 P0执行微指令地址为 00000的启动程序，给出一条微指令地址UA4－UA0为00001。3，将IR7，IR6，IR5置为001，按一次P0，执行微指令地址00001的微指令，同时给出下一条微指令地址00010，以后再按P0，一直执行到一条指令的全20《计算机组成原理实验》自编讲义部微指令结束给出下一条微指令地址 00001，输入指令的微指令流程请参阅附录3，微指令的微命令输出显示应同附录 3的微指令代码对应，微地址的输出显示也应相同。4，在执行至微地址 UA4－UA0显示为00001时，置IR7，IR6，IR5＝010为加法指令的若干条微指令，直至执行到微地址 UA4－UA0显示00001结束。5，重复4执行IR7，IR6，IR5为011（存贮器存数指令）的指令。6，重复4执行为执行IR7，IR6，IR5为100（输出指令）的指令。7，重复4执行IR7，IR6，IR5为101（无条件转移指令）的指令。8，在执行到微地址 UA4－UA0显示为00001时，或在开机时，按清零键 P2使UA4－UA0显示为00000，置IR7＝0，IR6＝0，IR5＝0，SWE置1，SRD置1，把SWE开关从“1”－“0”－“1”，使微地址UA4－UA0显示10000，强迫处于RAM写，执行微指令地址为10000，10001，10010的三条微指令，电平指示灯显示微指令的微命令及微地址。执行时为循环重复执行微指令，以便不断对RAM写入数据，直到有 CLR清零信号作用时才停止。9，按清零键P2，使UA4－UA0显示为00000，置IR7，IR6，IR5＝000，SWE＝1，SWD＝1，把SRD开关从“1”－“0”－“1”，使微地址UA4－UA0显示01000，强迫机器处于RAM读，执行微指令地址为01000，01110，01111的三条微指令，电平指示显示微指令的微命令及微地址。 执行时为循环重复执行微指令，不断读RAM内容。（3）连续方式读出微指令将时序发生器处于连续时序循环状态，就可连续读出微指令。将 TJ，DP置00，按P0时序发生器连续输出时序信号。此时，微程序控制器按某一序列的微指令地址固定的重复地读出微指令序列。21实验五 模型机CPU组成与指令周期实验一、实验目的将运算器模块，存贮器模块、微程序控制器模块组合在一起，联成一台简单的计算机。用微程序控制器控制模型机的数据通路。二、实验内容执行由5条指令组成的简单程序，掌握指令与微指令的关系，建立计算机的整机概念。三、实验原理前面几个实验中，控制信号是由实验者用逻辑开关来模拟，以完成对数据通路的控制。而这次实验，数据通路的控制信号全部由微程序控制器自动完成。CPU从内存取出一条机器指令到执行指令的一个指令周期， 是由微指令组成的序列来完成，取一条机器指令对应一个微程序。 我们将5条机器指令及有关数据写入RAM中，通过CPU运行5条机器指令组成的简单程序，掌握机器指令与微指令的关系。四、实验步骤（一）实验设置实验时，（在完成一个实验后，应将所有的信号状态置成“1”高电平状态）将J1设置成左侧连接。将UP信号置成低电平“0”。在做模型机实验时应将“UPC-OUT”和“UBIN”用26芯电缆连接起来。1、对31个开关设置应按下面方式设置：单板方式位置：（开关位置处于单板方式的位置有如下几个： ）S3、S2、S1、S0、M、/CN、LDAR、CE、WE、LDDR1、LDDR2、SW-BUS、ALU-BUS、LDPC、LOAD、 、PC-BUS、R0-BUS、LDIR、LDR0、LDR1、LDR2、 、IR7、IR6、IR5、R1-BUS、R2-BUS、P（1）；系统方式位置：（开关位置处于系统方式的位置有如下几个： ）、、UP、KSW7、KSW6、KSW5、KSW4、KSW3、KSW2、KSW1、KSW0、、DP、TJ、、、SWE、SRD；1、J1跳线位置应在左侧连接。2、实验在系统机上进行时，应将“ UP”信号设置成低电平。《计算机组成原理实验》自编讲义通过逻辑开关AN30（即SWE）将SWE从“1”－“0”－“1”，使微程序控制器的微指令地址为 10000，强迫机器处于 RAM写，重复执行微指令地址为10000，10001，10100微指令，把所写的程序写入RAM。再通过逻辑开关AN31（即SRD），将SRD从“1”－“0”－“1”，使微程序控制器的指令地址为01000，强迫机器处于RAM读，执行微指令地址01000，01110，01111的微指令。读出所写的程序，以校对写入的程序和数据是否正确，然后再运行程序。（二）指令系统：（1）INA，DATA。指令码20，A指R0，DATA指SW7－SW0上的数据输入到R0寄存器。是输入指令。（2）ADDA，（ADD）。指令码40ADD，A指R0，ADD为存贮器地址。将R0寄存器的内容与内存中以ADD为地址单元内数相加，结果送R0，是加法指令。（3）STA（ADD），A。指令码60ADD，A指R0，ADD为存贮器地址。将R0寄存器的内容存到以ADD为地址的内存单元中。（4）OUT BUS，（ADD）。指令码80（ADD），BUS为数据总线，ADD为存贮器地址。将内存中以 ADD为地址的数据读到总线上。（5）JMPADD。指令码A0ADD。ADD指存贮器地址。程序无条件地转移到ADD所指定的内存单元地址。（6）WE存贮器写命令。（7）RD存贮器读命令。(三)存贮器写操作（1）所写程序IN R0，DATA （输入指令）ADD R0，（ADD） （加法指令）STA （ADD），R0 （存贮器存数指令）OUT BUS，（ADD） （输出指令）JMP ADD （无条件转换指令）（2）起始地址从00开始23《计算机组成原理实验》自编讲义地址指令码注释0020←add090140addadd←0B0360addadd←0A0580addadd←0007A0add09550AAA（3）操作过程AN26，AN23，AN24，AN30，AN31设置为01111，即UP＝0。DP，TJ＝11为单步状态，SWE＝1，SRD＝1。SW7－SW0设置00000000。按清零键P2，AN30从“1”－“0”－“1”即，这时，UA4－UA0显示为10000，然后按表5进行存贮操作。存贮器写是在单步状态下进行， 其控制信号全部由微程序控制器提供， 因此只需操作SW7－SW0（置数据）及按P0（单步操作）。以上为存贮器写入全过程，起始地址是 00H。如果从30H开始，只要在开始用SWE开关置UA4为“1”，UA4－UA0显示为10000，SW7－SW0开关置30H，写过程相同。不同之处在于显示地址为30－3AH，总线显示为30－3AH。写过程结束后，按清零键P2。(四)存贮器读操作（在完成一个实验后，应将所有的信号状态置成“ 1”高电平状态）状态设置为01111，即UP＝0，DPTJ＝11，SWE＝1，SRD＝1，为单步操作。SRD从“1”－“0”－“1”即，此时，UA4－UA0显示为01000。存贮器读操作是在单步状态下进行。同样只需按表6操作SW0－SW7及按P0（单步操作）。24《计算机组成原理实验》自编讲义表5存贮器操作过程及显示结果表P0SW7～A7～A0D7～D0UA4～PC7～PC0SW0UA0↑00H10000↑00H1000100H↑20H00H01H1001001H↑00H20H1000101H↑40H01H02H1001002H↑01H40H1000102H↑09H02H03H1001003H↑02H09H1000103H↑60H03H04H1001004H↑03H60H1000104H↑0BH04H05H1001005H↑04H0BH1000105H↑80H05H06H1001006H↑05H80H1000106H↑0AH06H07H1001007H↑06H0AH1000107H↑A0H07H08H1001008H↑07HA0H1000108H↑00H08H09H1001009H↑08H00H1000109H↑55H09H0AH100100AH↑09H55H100010AH↑AAH0AH0BH100100BH↑0AHAAH100010BH25《计算机组成原理实验》自编讲义表6存贮器读操作过程及显示结果表P0SW7～A7～A0D7～D0UA4～PC7～PC0SW0UA000H01000↑00H0111000H↑00H01H0111101H↑00H20H0111001H↑01H02H0111102H↑01H40H0111002H↑02H03H0111103H↑02H09H0111003H↑03H04H0111104H↑03H60H0111004H↑04H05H0111105H↑04H0BH0111005H↑05H06H0111106H↑05H80H0111006H↑06H07H0111107H↑06H0AH0111007H↑07H08H0111108H↑07HA0H0111008H↑08H09H0111109H↑08H00H0111009H↑09H0AH011110AH↑09H55H011100AH↑0AH0BH011110BH↑0AHAAH011100BH26《计算机组成原理实验》自编讲义↑0BH0CH011110CH↑0BHXXH011100CH↑0CH0DH011110DH在XX处，程序未读出时是随机数，当执行后读方法读出时， XX处显示指SW7－SW0＋（09H）即8A＋55＝DFH。如果程序写在 30H单元内，只需在开始时将 SW7－SW0开关置30H，A7－A0显示则从30H开始，其它不变。(五)执行过程执行过程可以用单步或连续执行。当单步执行时，状态设置为 01111，即UP＝0，DP，TJ＝11，SWE＝1，SRD＝1，按清零键P2。然后按表7进行操作，操作只需对SW0－SW7及P0操作，此时J1插座短路块接向左方。表7执行过程操作及显示结果表P0SW7～A7～A0D7～D0UA4～PC7～PC0SW0UA00000000↑00H0000100H↑00H01H0001001H↑Data(8A)00H20H0100101H↑00H8AH0000101H↑01H02H0001002H↑01H40H0101002H↑02H03H0001103H↑09H55H0010003H↑09H55H0010103H↑09H8AH0011003H↑09HDFH0000103H↑03H04H0001004H↑03H60H0101104H27《计算机组成原理实验》自编讲义↑04H05H0011105H↑0BHXXH1011005H↑0BHDFH0000105H↑05H06H0001006H↑05H80H0110006H↑06H07H1001107H↑0AHAAH1010007H↑0AHAAH0000107H↑07H08H0001008H↑07HA0H0110108H↑08H09H1010109H↑08H00H0000109H(六)运行情况：（1）先执行INR0，DATA输入指令将开关8A送入R0寄存器。（2）执行ADDR0，（ADD）加法指令将存贮器地址09中的内容（55）同R0中的数据（8A）相加，结果为DF送R0寄存器。（3）执行STA（ADD），R0指令将R0的内容DFH送以ADD为地址的内存，ADD为0B，DF送R0存储器0B中。（4）执行OUTBUS，（ADD）指令将ADD为地址的内容送总线，ADD为0A中存AA，AA送总线。（5）执行JMPADD指令无条件转换到以ADD为地址的内存中执行指令。转移到00地址。再执行INR0，DATA输入指令。28《计算机组成原理实验》自编讲义扩展实验该篇章是设计性实验共有两个实验组成，分别为：实验六 时序与启停实验实验七 基本模型机设计与实现实验八 带移位运算的模型机设计与实现实验九 复杂模型机的设计与实现29《计算机组成原理实验》自编讲义实验六 时序与启停实验一、实验目的．掌握时序电路的原理．熟悉启停电路的原理二、实验要求通过时序电路的启动了解以单步、连续方式运行时序电路的过程，观察T1、T2、T3、T4各点的时序波形。三、实验原理实验所用的时序与启停电路原理如图所示，图4-6 时序发生器及启停电路其中时序电路由1/2片74LS74、1片74LS175及6个二输入与门、2个二输入与非门和3个反向器构成。可产生4个等间隔的时序信号T1、T2、T3、T4，30《计算机组成原理实验》自编讲义其中MF为时钟输入端，时钟频率可从F0、F1、F2、F3中选择一个，由位于实验装置左下方的方波信号源提供。学生可根据实验自行选择方波信号的频率。为了便于控制程序的运行，时序电路发生器也设置了一个启停控制触发器 CR，使T1－T4信号输出可控。上图中启停电路由1/2片74LS74、74LS00及1个二输入与门构成。TJ，DP为单步停机控制信号，当其中1个或2个都为高电平“1”时，此时，时序发生器处于停机或单步状态，即每按一次启动按钮P0（P0和/P0；实验时需用导线将MF－OUT与MF连接起来）产生一拍时序信号 T1，T2，T3，T4。当TJ，DP都为低电平时，按一次启动按钮 P0，产生连续时序信号，CLR接P2作清除按钮。连续输出时序波形如图所示。图4-7 连续输出时序波形图T1，T2，T3，T4有两组输出信号，以提高负载能力。因此时序信号 T1－T4将周而复始地发送出去。如果实验系统处于系统方式下，当进入“单步”方式命令键时管理 CPU令“TJ、DP”处于单步控制方式，机器便处于单步运行状态，即此时只发送一个 CPU周期的时序信号就停机。利用单步方式， 每次只读一条微指令，可以观察微指令的代码与当前微指令的执行结果。另外当机器连续运行时，如果按动“停机方式”命令键管理CPU令工作方式处于停机状态，也会使机器停机。31《计算机组成原理实验》自编讲义实验七 基本模型机设计与实现一、实验目的．在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其系统地组成一台基本模型计算机。．为其定义五条机器指令，并编写相应的微程序，上机调试掌握整机概念。二、实验设备计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。三、实验内容1．实验原理部件实验过程中，各部件单元的控制信号是以人为模拟产生为主，而本次实验将能在微程序控制下自动产生各部件单元的控制信号，实验特定指令的功能。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个微程序 。本实验采用五条机器指令： IN〔输入〕、ADD〔二进制加法〕、STA〔存数〕、OUT〔输出〕、JMP〔无条件转移〕，其指令格式如下〔前四位为操作码〕：助记符机器指令码说明IN00100000“INPUTDEVICE”中的开关状态――R0ADDaddr01000000××××××××R0＋〖addr〗--R0STAaddr01100000××××××××R0--〖addr〗OUTaddr10000000××××××××〖addr〗--BUSJMPaddr10100000××××××××addr—PC其中IN为单字节〔8位〕，其余为双字节指令，××××××××为addr对应的二进制地址码。根据以上要求设计数据通路框图，如附录 2图所示。系统涉及到的微程序流程图如下图所示：32《计算机组成原理实验》自编讲义当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段为 P〔1〕测试。由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P〔1〕的测试结果出现多路分支。本机用指令寄存器的前三位〔IR7－IR5〕作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定微地址单元。当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表8即为将微程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制微代码表”。指令寄存器〔IR〕：指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到缓冲寄存器中，然后再传送至指令寄存器。指令划分为操作码和地址码字段，由二进制数构成，为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试P〔1〕，通过节拍脉冲T4的控制以便识别所要求的操作。“指令译码器”〔实验板上标有“INSUNIT”的芯片〕根据指令中的操作码译码强置微控器单元的微地址，使下一条微指令指向相应的微程序首地址。本系统有两种外部 I/O 设备，一种是二进制代码开关，它作为输入设备INPUTDEVICE）；另一种是LED块，它作为输出设备〔OUTPUTDEVICE〕。例如：输入时，二进制开关数据直接经过三态门送到外部数据总线上，只要开关状态不33《计算机组成原理实验》自编讲义变，输入的信息也不变。输出时，将输出数据送到外部数据总线上，当写信号〔W/R〕有效时，将数据打入输出锁存器，驱动 LED显示。本实验设计机器指令程序如下：地址〔二进制〕内容〔二进制〕助记符号说明000000100000IN“INPUTDEVICE”－－R0000101000000ADD〖09H〗R0＋〖09H〗――R0001000001001001101100000STA〖0BH〗R0――〖0BH〗010000001011010110000000OUT〖OAH〗〖0AH〗――BUS011000001010011111000000JMP〖00H〗00H――PC100000000000100101010101自定101010101010自定1011求和结果四、实验要求：1．利用系统实验提供的实验环境用 EDA软件设计模型机内核。2．通过实验仪提供的状态指示相信和系统操作平台观察实验结果。34表8模型机（一）微指令表微CBAALLAA代CLCMSSSS代PLLLLLLW代UUUUUUPS代说明地RDD98码EDN0123码（DDDDDDE码AAAAAA（W码址RRA2APIDDR0123451B21D〕RCRRR0〕2176543210765432107654321076543210000000000000000000000000000000001000000080SW→PC010010000020000000000001100000600100000040PC→AR，PC＋＋020000000000100000008000010000100001001012RAM→IR030000000000100000008001000000400010000020RAM→AR0400000000001000000080000010000810100000A0RAM→AR051000000080000000000000000100040110000060RAM→DR2060100000040001010012900000010021000000080R0→DR1070000000000100000008001000000400110100068ALU→R0080000000000000000000000000000001000000080SW→PC090000000000000000000000000010021000000181SW→R00A00100000200000000000011000006011000000C0PC→AR，PC＋＋0B00100000200000000000011000006011100000E0PC→AR，PC＋＋0C00100000200000000000011000006011001000C8PC→AR，PC＋＋0D00100000200000000000011000006010101000A8PC→AR，PC＋＋0E0000000000000000000000000000001000000080PC→AR，PC＋＋0F0000000000000000000000000000001000000080RAM→BUS表10一1模型机（一）微指令表微CBAALLAA代CLCMSSSS代PLLLLLLW代UUUUUUPS代说明地RDD98码EDN0123码（DDDDDDE码AAAAAA（W码址RRA2APIDDR0123451B21D〕RCRRR0〕2176543210765432107654321076543210100000000000010000004000100000201000100189SW→PC110010000020000000000001100000600100100048PC→AR，PC＋＋120000000000100000008000000001011000100189SW→RAM130000000000100000008001000000400010100028（RAM）→AR140000001103100000008000000000001000000080（RAM）→BUS15000000000011000000C000100000201000000080（RAM）→PC1610100000A0100000008000000001011000000080PC→（RAM）1700000000000000000000010000000010000000801800000000000000000000000000000010000000801900000000000000000000000000000010000000801A00000000000000000000000000000010000000801B00000000000000000000000000000010000000801C00000000000000000000000000000010000000801D00000000000000000000000000000010000000801E00000000000000000000000000000010000000801F0000000000000000000000000000001000000080带移位运算的模型机设计与实现一、实验目的．熟悉用微程序控制器控制模型机的数据通路。．学习设计与调试计算机的基本步骤及方法。二、实验设备计算器组成原理教学实验系统一台，排线若干。三、实验内容1．实验原理本实验在基本模型机的基础上搭接移位控制电路，实验移位控制运算。实验中新增 4条移位运算指令：RL〔左环移〕、RLC〔带进位左环移〕、RR〔右环移〕、RRC〔带进位右环移〕，其指令格式如下；操作码RR 10100100RRC 11000100RL 11100100RLC 00010100以上4条指令都为单字长〔8位〕。RR为将R0寄存器中的内容循环右移一位。RRC为将R0寄存器中的内容带进位右移一位，它将 R0寄存器中的数据右边第一位移入进位，同时将进位位移至 R0寄存器的左位。RL为将R0寄存器中的数据循环左移一位。RLC为将R0寄存器中的数据带进位循环左移一位。实验数据通路框图如附录 3图所示，编写微程序流程图及确定微地址如附录图所示。本实验设计机器指令程序如下；地址〔二进制〕内容〔二进制〕助记符号 说明《计算机组成原理实验》自编讲义0000000000000100IN“INPUTDEVICE”――R00000000100100100ADD〖0DH〗R0＋〖0DH〗――R000000010000011010000001100010100RLC0000010000000100IN0000010111000100RRC0000011011100100RL0000011101000100STA〖0EH〗R0――〖0EH〗00001000000011100000100101100100OUT〖0EH〗〖0EH〗――BUS00001010000011100000101110000100JMP00H00H――PC00001100000000000000110101000000自定00001110存数单元将微程序流程图代码化，本实验给出的微程序二进制代码转化成十六进制格式文件。机器指令及微程序按照规定格式编写成十六进制格式文件， 具体内容如下表所示：四、实验要求：1．利用系统实验提供的实验环境设计模型机内核。2．通过实验仪提供的状态指示和系统操作平台观察实验结果。38表9模型机（二）微指令表共3页第1页微CBAALLAA代CLCMSSSS代PLLLLLLW代UUUUUUPS代说明地RDD98码EDN0123码（DDDDDDE码AAAAAA（W码址RRA2APIDDR0123451B21D〕RCRRR0〕2176543210765432107654321076543210000000000000000000000000000000001000000080010010000020000000000001100000600100000040PC→AR，PC＋1020000000000100000008000010000100000011006RAM→IR030110000060000110001800000000000111000070299带进位左移0400000000001000000080010000004010100000A0RAM→IR050000000000100000008000001000080110000060RAM→DR20610100000A00000000000000001000411100000E0RS→IDR1070101000050001000002900000010021000000080DR1＋DR2→RD080000000000100000008001000000401001000090RAM→AR0910100000A0100000008000000001011000000080RS→RAM000000000001000000080010000004011010000D0RAM→AR0B0000001103100000008000000000001000000080RAM→LED0C000000000011000000C000100000201000000080RAM→PC00110000060000001000400000000000111000070299右移1位0E0110000060000000000000000010021000000080299→RD0F0110000060000101001400000000000111000070299带进位右移表9模型机（二）微指令表共3页第2页微CBAALLAA代CLCMSSSS代PLLLLLLW代UUUUUUPS代说明地RDD98码EDN0123码（DDDDDDE码AAAAAA（W码址RRA2APIDDR0123451B21D〕RCRRR0〕2176543210765432107654321076543210100011000060000010000800000000000111000070299左移一位1100000000000000000000000000000010000000801200000000000000000000000000000010000000801300000000000000000000000000000010000000801400000000000000000000000000000010000000801510000000000000000000000000000010000000801600000000000000000000000000000010000000801700000000000000000000000000000010000000801800000000000000000000000000000010000000801900000000000000000000000000000010000000801A00000000000000000000000000000010000000801B00000000000000000000000000000010000000801C00000000000000000000000000000010000000801D00000000080000000000000000000010000000801E00000000000000000000000000000010000000801F0000000000000000000000000000001000000080表9模型机（二）微指令表共3页第3页微CBAALLAA代CLCMSSSS代PLLLLLLW代UUUUUUPS代说明地RDD98码EDN0123码（DDDDDDE码AAAAAA（W码址RRA2APIDDR0123451B21D〕RCRRR0〕2176543210765432107654321076543210200000000000000000000000000010021000000181SW→RD2110100000A0000011000C000000000000100000C0Ri→299220010000020000000000001100000600010000020PC→AR，PC＋1230000000000000000000000000000001000000080240010000020000000000001100000600001000010PC→AR，PC＋1250000000000000000000000000000001000000080260010000020000000000001100000600101000050PC→AR，PC＋1270000000000000000000000000000001000000080280010000020000000000001100000600011000030Ri→2992900000000000000000000000000000010000000802A10100000A0000011000C000000000010110000B0Ri→2992B00000000000000000000000000000010000000802C10100000A0000011000C000000000011110000F0Ri→2992D00000000000000000000000000000010000000802E10100000A0000011000C00000000000000100008Ri→2992F0000000000000000000000000000001000000080实验九 复杂模型机的设计与实现一、实验目的综合运用所学计算机原理知识，设计并实现较为完整的计算机。二、实验设备计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。三、数据格式及指令系统1．数据格式