計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報告.doc

計(jì)算機(jī)組成原理課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報告 學(xué)院：計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)：信息安全班級：一班 學(xué)號：090503*姓名：任小布 評分: 2011 年 06 月 21 日實(shí)驗(yàn)一 驗(yàn)證74LS181運(yùn)算和邏輯功能1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?） 掌握算術(shù)邏輯單元（ALU）的工作原理；（2） 熟悉簡單運(yùn)算器的數(shù)據(jù)傳送通路；（3） 驗(yàn)證4位運(yùn)算功能發(fā)生器(74LS181)組合功能。2實(shí)驗(yàn)設(shè)備74LS181（1片），4段顯示器LED（3片），開關(guān)若干。3實(shí)驗(yàn)原理ALU能進(jìn)行多種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。4位ALU74 LS181能進(jìn)行16種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。功能如下：方式M=1算術(shù)運(yùn)算M=0算術(shù)運(yùn)算S3 S2 S1 S0邏輯運(yùn)算CN=1(無進(jìn)位)CN=0（有進(jìn)位)0 0 0 0F=/AF=AF=A加10 0 0 1F/(A+B)F=A+BF=(A+B) 加10 0 1 0F=(/A)BF=A+/BF=(A+/B) 加10 0 1 1F=0F=負(fù)1（補(bǔ)碼）F=00 1 0 0F=/(AB)F=A加A(/B)F=A加A/B加10 1 0 1 F=/BF=(A+B) 加A/BF=(A+B) 加A/B加10 1 1 0F=ABF=A減B減1F=A減B0 1 1 1F=A/BF=A(/B)減1F=A(/B)1 0 0 0F=/A+BF=A加ABF=A加AB加11 0 0 1F=/(AB)F=A加BF=A加B加11 0 1 0F=BF=(A+/B)加ABF=(A+/B) 加AB加11 0 1 1F=ABF=AB減1F=AB1 1 0 0F=1F=A加AF=A加A加11 1 0 1F=A+/BF=(A+B)加AF=(A+B) 加A加11 1 1 0F=A+BF=(A+/B) 加AF=(A+/B) 加A加11 1 1 1F=AF=A減1F=A表一(上表中的“/”表示求反)ALU-74LS181引腳說明：M=1 邏輯運(yùn)算，M=0算術(shù)運(yùn)算。引 腳說 明M 狀態(tài)控制端M=1 邏輯運(yùn)算；M=0算術(shù)運(yùn)算。S3 S3 S1 S1運(yùn)算選擇控制S3 S3 S1 S1決定電路執(zhí)行哪一種算術(shù)A3 A2 A1 A1運(yùn)算數(shù)1，引腳3為最高位B3 B2 B1 B0運(yùn)算數(shù)2，引腳3為最高位Cn 最低位進(jìn)位輸入Cn =0 有進(jìn)位；Cn =1 無進(jìn)位；Cn+4本片產(chǎn)生的進(jìn)位信號Cn+4=0 有進(jìn)位；Cn+4=1 無進(jìn)位；F3 F2 F1 F0F3 F2 F1 F0運(yùn)算結(jié)果，F(xiàn)3為最高位4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)電路圖如下: 圖一 4位ALU驗(yàn)證電路示意圖連接好上圖，確定無誤后，測試下表的數(shù)據(jù)(紅色為所測數(shù)據(jù)的結(jié)果)S3 S2 S1 S0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2算術(shù)運(yùn)算（M=0）邏輯運(yùn)算（M=1）CN=1（無進(jìn)位）CN=0(有進(jìn)位)0 0 0 0AH5HF=AHF=BHF=5H 0 0 0 1AH5HF=FHF=0HF=0H 0 0 1 0AH5HF=AHF=BHF=5H 0 0 1 1AH5HF=FHF=0HF=0H 0 1 0 0FH1HF=DHF=EHF=EH 0 1 0 1FH1HF=DHF=EHF=EH 0 1 1 0FH1HF=DHF=EHF=EH 0 1 1 1FH1HF=EHF=EHF=EH 1 0 0 0FHFHF=EHF=FHF=FH 1 0 0 1FHFHF=EHF=FHF=FH 1 0 1 0FHFHF=EHF=FHF=FH 1 0 1 1FHFHF=EHF= FHF=FH 1 1 0 05H5HF=BHF=BHF=FH 1 1 0 15H5HF=BHF=BHF=FH 1 1 1 05H5HF=4HF=5HF=5H 1 1 1 15H5HF=4HF=5HF=5H5實(shí)驗(yàn)內(nèi)容心得體會 通過實(shí)驗(yàn)一“驗(yàn)證74LS181運(yùn)算和邏輯功能”，我熟練地掌握了虛擬實(shí)驗(yàn)平臺軟件的操作使用，能畫出邏輯電路圖以及美觀整齊的接線圖。按照實(shí)驗(yàn)圖示的要求進(jìn)行各種操作，明白了簡單運(yùn)算器的數(shù)據(jù)傳送通路，掌握了算術(shù)邏輯單元的工作原理，同時對本專業(yè)的知識有了更要進(jìn)一步的了解，在由陌生到熟悉的操作中積累了一定的基礎(chǔ)經(jīng)驗(yàn)，在試驗(yàn)中遇到的問題，通過跟同學(xué)探討，上網(wǎng)搜索答案，學(xué)習(xí)的興趣也濃重了許多。實(shí)驗(yàn)二 運(yùn)算器1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?） 熟練掌握算術(shù)邏輯單元（ALU）的應(yīng)用方法；（2） 進(jìn)一步熟悉簡單運(yùn)算器的數(shù)據(jù)傳送原理；（3） 熟練掌握有關(guān)數(shù)字元件的功能和使用方法。2實(shí)驗(yàn)設(shè)備74LS181（2片），8段顯示器LED（3片），74LS273（2片），74LS374（2片），74LS244（1片），數(shù)據(jù)總線（1片），開關(guān)若干。3實(shí)驗(yàn)原理驗(yàn)仿真單總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器，原理如圖2-2所示。相應(yīng)的電路如圖2-3所示。電路圖中，最右邊的像5線譜的器件模擬8位數(shù)據(jù)總線；與74LS244連接的8個開關(guān)產(chǎn)生所需數(shù)據(jù)記為K8；74LS244為三態(tài)門電路，用于設(shè)置各個寄存器的值，切記總線上只能有一個輸入；兩個74273部件作為暫存工作寄存器DR1和DR2；兩個74374部件作為通用寄存器組（鑒于電路排列情況，只畫出兩個通用寄存器GR1和GR2，如果可能的話可設(shè)計(jì)4個或8個通用寄存器）；眾多的開關(guān)作為控制電平或打入脈沖；眾多的8段代碼管顯示相應(yīng)位置的數(shù)據(jù)信息；核心為8位ALU部件。通 用寄存器ABALU圖2-2 單總線結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器示意圖4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容搭建電路，完成如下操作。1.說明整個電路工作原理。答: K8產(chǎn)生所需數(shù)據(jù)，打開74LS244層次塊三態(tài)門電路,將產(chǎn)生數(shù)據(jù)輸入總線，將數(shù)據(jù)存入74LS374層次塊作為的通用寄存器組GR1和GR2；通過其他 74LS244的開關(guān)，將通用寄存器里的數(shù)據(jù)放到74LS273層次塊作為的暫存工作寄存器DR1和DR2中；將DR1和DR2中的數(shù)據(jù)通過核心8位ALU層次塊運(yùn)算，將結(jié)果又保存到GR1或者GR2中。眾多的開關(guān)作為控制電平或打入脈沖；眾多的8段代碼管顯示相應(yīng)位置的數(shù)據(jù)信息；2.說明74LS244N的功能及其在電路中的作用，及輸入信號G有何作用；答：74LS244層次塊為三態(tài)門電路，在電路中將部件與總線連接或斷開，起開關(guān)作用，當(dāng)G為低電平時，部件連接，G為高電平時，部件斷開。3.說明74LS273N的功能及其在電路中的作用，及輸入信號CLK有何作用；答：74LS273作為臨時工作寄存器，在電路中臨時寄存數(shù)據(jù)，CLK上跳沿觸發(fā)工作。4.說明74LS374N的功能及其在電路中的作用，及輸入信號CLK和OC有何作用；答：74LS374層次塊作為通用寄存器組，在電路中寄存數(shù)據(jù)，另具有三態(tài)門的作用。CLK上跳沿觸發(fā)工作，OC為低電平時，部件連接，OC為高電平時，部件斷開。5.K8產(chǎn)生任意數(shù)據(jù)存入通用寄存器GR1。答：a. K8確定任意數(shù)（測試時可指定一個2位16進(jìn)制數(shù)）；b. Q=0（低電平），數(shù)據(jù)送總線；c. U（正跳變）且Y=0.該數(shù)存入GR16.K8產(chǎn)生任意數(shù)據(jù)存入通用寄存器GR2。答：a. K8確定任意數(shù)（測試時可指定一個2位16進(jìn)制數(shù)）；b. Q=0（低電平），數(shù)據(jù)送總線；c.P且O=0。該數(shù)送GR2。7.完成GR1+ GR2GR1。答：a.Q=1（屏蔽掉K8）、I=0、W=0、E，GR1DR1；b.Space=0、R=0、T，GR2DR2；c.加法：S3S0=1001B（對應(yīng)BVCX四鍵）、CIN=1（對應(yīng)N鍵）、M=0（對應(yīng)M鍵），此時結(jié)果在ALU的輸出端，令Z=0，結(jié)果送總線，U結(jié)果存入GR1.8.完成GR1- GR2GR1。答：前2步同上；S3S0=0110B（對應(yīng)XCVB四鍵）、Cin=1（對應(yīng)N鍵）、M=0（對應(yīng)M鍵），Z=0，P。9.完成GR1GR2GR1。答：前2步同上；S3S0=1011B（對應(yīng)XCVB四鍵）M=1（對應(yīng)M鍵），Z=0，U。10.完成GR1GR2GR1。答：前2步同前；S3S0=1110B（對應(yīng)XCVB四鍵）、M=1（對應(yīng)M鍵），Z=0，P。11.完成GR1GR2GR1。答：a.I=0、W=0、E，GR1DR1；b.S3S0=0000B（對應(yīng)XCVB四鍵）、M=1（對應(yīng)M鍵），Z=0，P。12.GR1GR2。（“”表示邏輯非運(yùn)算）答：a.I=0、W=0、E，GR1DR1；b.S3S0=0000B（對應(yīng)XCVB四鍵）、M=1（對應(yīng)M鍵），Z=0，U。13.GR2GR1。答：a.Space=0、R=0、T，GR2DR2；b.S3S0=0101B（對應(yīng)XCVB四鍵）、M=1（對應(yīng)M鍵），Z=0，U。圖2-3 運(yùn)算器示意圖5實(shí)驗(yàn)心得體會通過實(shí)驗(yàn)二，我系統(tǒng)地了解運(yùn)算器的原理，明白了怎樣將數(shù)據(jù)存入通用寄存器以及將寄存器中的數(shù)據(jù)通過總線傳入暫存器，然后通過輸入運(yùn)算器之后進(jìn)行運(yùn)算等等一系列的過程，受益匪淺。而本次試驗(yàn)中值得注意的一點(diǎn)就是整個運(yùn)算過程中，總線上只能有一個輸入，其他的像控制總線輸入的三態(tài)門中，K8層次塊旁有一個， 8位運(yùn)算器旁有一個，通用寄存器旁有2個,總計(jì)4個，在進(jìn)行總線操作時，只允許其中一個三態(tài)門置于導(dǎo)通狀態(tài)，這樣才能保證總線的要求，不然的話將會造成一些不必要的麻煩。實(shí)驗(yàn)三 模型機(jī)設(shè)計(jì)1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）掌握微程序執(zhí)順序強(qiáng)制改變的原理；（2）掌握機(jī)器指令與微程序的對應(yīng)關(guān)系；（3）掌握機(jī)器指令的執(zhí)行流程；（4）本實(shí)驗(yàn)提供了五條機(jī)器指令，編寫相應(yīng)的微程序，并調(diào)試驗(yàn)證，形成整機(jī)概念。2實(shí)驗(yàn)設(shè)備74LS181芯片兩片，memory 6116一片，微程序控制存儲器芯片一片，編譯器芯片一片，八位同步計(jì)數(shù)器芯片一片，ALU_G芯片一片，PC_G芯片一片，74LS273芯片若干，輸入，輸出芯片各一片，選擇器芯片若干，連接器芯片若干，燈泡若干，開關(guān)若干等。3實(shí)驗(yàn)原理 部件實(shí)驗(yàn)過程中，各部件單元的控制信號是人為模擬產(chǎn)生的，如運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)中對74LS181芯片的控制，存儲器實(shí)驗(yàn)中對存儲器芯片的控制信號，以及幾個實(shí)驗(yàn)中對輸入設(shè)備的控制。而本次實(shí)驗(yàn)將能在微程序控制下自動產(chǎn)生各部件單元控制信號，實(shí)現(xiàn)特定指令的功能。這里，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成，CPU從內(nèi)存中取出一條機(jī)器指令到指令執(zhí)行結(jié)束的一個指令周期全部由微指令組成的序列來完成，即一條機(jī)器指令對應(yīng)一段微程序。 圖2-4中包括運(yùn)算器、存儲器、微控器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備以及寄存器。這些部件的動作控制信號都有微控器根據(jù)微指令產(chǎn)生。需要特別說明的是由機(jī)器指令構(gòu)成的程序存放在存儲器中，而每條機(jī)器指令對應(yīng)的微程序存儲在微控器中的存儲器中。 圖2-4 運(yùn)算器示意圖各機(jī)器指令對應(yīng)的微程序如下：微地址S3 S2 S1 S0 M CN RD A9 A8ABCUA5-UA0000 0 0 0 0 0 1 0 1 10 0 00 0 01 0 00 1 0 0 0 0010 0 0 0 0 0 1 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 0020 0 0 0 0 1 0 0 11 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 0030 0 0 0 0 1 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0040 0 0 0 0 1 0 0 10 1 10 0 00 0 00 0 0 1 0 1050 0 0 0 0 1 0 1 10 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 0061 0 0 1 0 1 0 1 10 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 070 0 0 0 0 1 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 1 1 0 1100 0 0 0 0 1 0 0 00 0 10 0 00 0 00 0 0 0 0 1110 0 0 0 0 1 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 1120 0 0 0 0 1 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 0 1 1 1130 0 0 0 0 1 0 1 11 1 01 1 01 1 00 0 1 1 1 0140 0 0 0 0 1 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 1 1 0150 0 0 0 0 1 1 0 10 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 160 0 0 0 0 1 0 0 11 1 00 0 00 0 00 0 1 1 1 1170 0 0 0 0 1 0 0 10 1 00 0 00 0 00 1 0 1 0 1200 0 0 0 0 1 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 0 1 0210 0 0 0 0 1 0 1 11 1 01 1 01 1 00 1 0 1 0 0220 0 0 0 0 1 0 0 10 1 00 0 00 0 00 1 0 1 1 1230 0 0 0 0 1 0 1 10 0 00 0 00 0 00 0 0 0 0 1240 0 0 0 0 1 0 0 00 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 250 0 0 0 0 1 1 1 00 0 01 0 10 0 00 0 0 0 0 1260 0 0 0 0 1 0 0 11 0 10 0 01 1 00 0 0 0 0 1270 0 0 0 0 1 1 1 00 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 0300 0 0 0 0 1 1 0 10 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 1 4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)備，將所需要的組件從組件列表中拖到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程欄中（2） 搭建實(shí)驗(yàn)流程：根據(jù)原理圖2-4和電路圖圖2-5,將已選擇的組件進(jìn)行連線.或者也可以在系統(tǒng)的菜單欄中選擇“實(shí)驗(yàn)”,再選擇“模型機(jī)實(shí)驗(yàn)”即可。（3） 輸入機(jī)器指令:選擇菜單中的“工具”，再選擇“模型機(jī)調(diào)試”，在指令輸入窗口中輸入如下指令：00000000000100000000100100100000000010110011000000001011010000000000000000000001本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)機(jī)器指令程序如下：地址（二進(jìn)制）內(nèi)容（二進(jìn)制）助記符說明0000 00000000 0000IN R0“INPUT DEVICE”-R00000 00010001 0000ADD 0AH,R0R0+0AH-R00000 00100000 10100000 00110010 0000STA R0,0BHR0-0BH0000 01000000 10110000 01010011 0000OUT