計算機組成原理實驗

1、計算機組成原理實驗指導(dǎo)計算機組成原理上機實驗指導(dǎo)一、實驗準(zhǔn)備和實驗注意事項 1本課程實驗使用專門的TDN-CM+計算機組成原理教學(xué)實驗設(shè)備，使用前后均應(yīng)仔細(xì)檢查主機板，防止導(dǎo)線、元件等物品落入裝置內(nèi)導(dǎo)致線路短路、元件損壞。 2完成本實驗的方法是先找到實驗板上相應(yīng)的絲印字及其對應(yīng)的引出排針，將排針用電纜線連接起來，連接時要注意電纜線的方向，不能反向連接；如果實驗裝置中引出排針上已表明兩針相連，表明兩根引出線內(nèi)部已經(jīng)連接起來，此時可以只使用一根線連接。3為了弄清計算機各部件的工作原理，前面幾個實驗的控制信號由開關(guān)單元“SWITCH UNIT”模擬輸入；只有在模型機實驗中才真正由控制器對指令譯碼產(chǎn)生

2、控制信號。在每個實驗開始時需將所有的開關(guān)置為初始狀態(tài)“1”。4本實驗裝置的發(fā)光二極管的指示燈亮?xí)r表示信號為“0”，燈滅時表示信號為“1”。5實驗接線圖中帶有圓圈的連線為實驗中要接的線。6電源關(guān)閉后，不能立即重新開啟，關(guān)閉與重啟之間至少應(yīng)有30秒間隔。7電源線應(yīng)放置在機內(nèi)專用線盒中。8保證設(shè)備的整潔。二、實驗設(shè)備的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)利用本實驗裝置構(gòu)造的模型機的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)框圖如下圖。其中各單元內(nèi)部已經(jīng)連接好，單元之間可能已經(jīng)連接好，其它一些單元之間的連線需要根據(jù)實驗?zāi)康挠门啪€連接。圖0-2 模型機數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)框圖- 24 -實驗一 運算器實驗：算術(shù)邏輯運算實驗一實驗?zāi)康?了解運算器的組成結(jié)構(gòu)；2掌握運

3、算器的工作原理；3掌握簡單運算器的數(shù)據(jù)傳送通路。 4驗證運算功能發(fā)生器(74LSl81)的組合功能。 二實驗設(shè)備TDN-CM+計算機組成原理教學(xué)實驗系統(tǒng)一臺，排線若干。三實驗原理實驗中所用的運算器數(shù)據(jù)通路如圖1-l所示。其中兩片74LSl81以串行方式構(gòu)成8位字長的ALU，ALU的輸出經(jīng)過一個三態(tài)門(74LS245)和數(shù)據(jù)總線相連。三態(tài)門由ALU-B控制，控制運算器運算的結(jié)果能否送往總線，低電平有效。為實現(xiàn)雙操作數(shù)的運算，ALU的兩個數(shù)據(jù)輸入端分別由二個鎖存器DR1、DR2(由74LS273實現(xiàn))鎖存數(shù)據(jù)。要將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)鎖存到DR1、DR2中，鎖存器的控制端LDDR1和LDDR2必須為高

4、電平，同時由T4脈沖到來。數(shù)據(jù)開關(guān)(“INPUT DEVICE”)用來給出參與運算的數(shù)據(jù)，經(jīng)過三態(tài)門(74LS245)后送入數(shù)據(jù)總線，三態(tài)門由SW-B控制，低電平有效。數(shù)據(jù)顯示燈(“BUS UNIT”)已和數(shù)據(jù)總線相連，用來顯示數(shù)據(jù)總線上的內(nèi)容。圖中已將用戶需要連接的控制信號用圓圈標(biāo)明(其他實驗相同，不再說明)，其中除T4為脈沖信號外，其它均為電平信號。由于實驗電路中的時序信號均已連至“WR UNIT”的相應(yīng)時序信號引出端，因此，在進行實驗時，只需將“WR UNIT”的T4接至“STATE UNIT”的微動開關(guān)KK2的輸出端，按動微動開關(guān)，即可獲得實驗所需的單脈沖。ALU運算所需的電平控制信號

5、S3、S2、S1、S0、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU-B、SW-B均由“SWITCH UNIT”中的二進制數(shù)據(jù)開關(guān)來模擬，其中Cn、ALU-B、SW-B為低電平有效，LDDRl、LDDR2為高電平有效。對單總線數(shù)據(jù)通路，需要分時共享總線，每一時刻只能由一組數(shù)據(jù)送往總線。 圖1-1 運算器數(shù)據(jù)通路圖四實驗內(nèi)容1輸入數(shù)據(jù)通過三態(tài)門74LS245后送往數(shù)據(jù)總線，在數(shù)據(jù)顯示燈和數(shù)碼顯示管LED上顯示2向DR1(或DR2)中置數(shù)，經(jīng)ALU直傳后，經(jīng)過三態(tài)門245送入數(shù)據(jù)總線，在數(shù)據(jù)顯示燈和數(shù)碼顯示管LED上顯示3將輸入DR1和DR2中的兩個數(shù)進行算術(shù)邏輯運算，驗證ALU的功能，結(jié)果在數(shù)據(jù)顯示

6、燈和數(shù)碼顯示管LED上顯示五實驗步驟1輸入數(shù)據(jù)通過三態(tài)門74LS245后經(jīng)過數(shù)據(jù)總線在數(shù)據(jù)顯示燈和數(shù)碼顯示管LED上直接顯示 (1) 按下圖連接實驗線路，仔細(xì)查線無誤后，接通電源。 圖1-2 總線數(shù)據(jù)顯示連線圖(注：可以選擇PC-B開關(guān)，或者是本實驗中不用的任一個開關(guān))(2) 用二進制數(shù)碼開關(guān)輸入數(shù)據(jù)65H，觀察總線數(shù)據(jù)顯示燈和LED的變化。設(shè)置：SW-B = 1 從輸入開關(guān)輸入：01100101打開三態(tài)門 SW-B = 0 數(shù)據(jù)在數(shù)碼管上顯示：LED-B = 0 開關(guān)299-B置為0發(fā)W/R脈沖通過改變PC-B(01 或10)實現(xiàn) 結(jié)果：2向DR1(或DR2)中置數(shù)，經(jīng)ALU直傳后，經(jīng)過三態(tài)

7、門245送入數(shù)據(jù)總線，在數(shù)據(jù)顯示燈和數(shù)碼顯示管LED上顯示 (1) 重新按下圖連接實驗線路，仔細(xì)查線無誤后，接通電源圖1-3 實驗接線圖(2)向DRl和DR2寄存器中置入數(shù)據(jù)65H和A7H。輸入的流程為：使用以下操作步驟向DRl寄存器中置入數(shù)據(jù)65。設(shè)置：SW-B = 1從輸入開關(guān)輸入：01100101打開輸入三態(tài)門：SW-B = 0設(shè)置DR1有效：LDDR1 = 1LDDR2 = 0將數(shù)據(jù)打入DR1按KK2發(fā)T4脈沖將總線上的數(shù)據(jù)在數(shù)碼管上顯示：LED-B = 0發(fā)W/R脈沖結(jié)果是： 使用以下操作步驟向DR2寄存器中置入數(shù)據(jù)A7。設(shè)置：SW-B = 1從輸入開關(guān)輸入：10100111打開輸入

8、三態(tài)門：SW-B = 0設(shè)置DR2有效：LDDR2 = 1LDDR1 = 0將數(shù)據(jù)打入DR1按KK2發(fā)T4脈沖將總線上的數(shù)據(jù)在數(shù)碼管上顯示：LED-B = 0發(fā)W/R脈沖結(jié)果是：(3) 檢查輸入DRl和DR2寄存器中的數(shù)據(jù)是否正確。操作步驟如下，設(shè)置：關(guān)閉輸入三態(tài)門：SW-B = 1關(guān)閉暫存器的輸入：LDDR1=0 LDDR2=0打開ALU輸出三態(tài)門：ALU-B = 0設(shè)置運算器直傳方式：S3S2S1S0M = 11111 將總線上的數(shù)據(jù)在數(shù)碼管上顯示：LED-B = 0發(fā)W/R脈沖結(jié)果(顯示DR1中的數(shù)據(jù))：設(shè)置：關(guān)閉輸入三態(tài)門：SW-B = 1打開ALU輸出三態(tài)門：ALU-B = 0設(shè)置運

9、算器直傳方式：S3S2S1S0M = 10101 將總線上的數(shù)據(jù)在數(shù)碼管上顯示：LED-B = 0發(fā)W/R脈沖 結(jié)果(顯示DR2中的數(shù)據(jù))：3將輸入DR1和DR2中的兩個數(shù)進行算術(shù)邏輯運算，驗證ALU的功能，結(jié)果在數(shù)據(jù)顯示燈和數(shù)碼顯示管LED上顯示(1) 接線圖同2，保持DR1,DR2中的數(shù)據(jù)不變，若不知道DR1,DR2中是否有數(shù)據(jù)，可按實驗步驟2中的(3)去檢查； (2) 通過“SWITCH UNIT”改變開關(guān)S3、S2、S1、S0、Cn、M的值，可將兩數(shù)進行不同的運算，例如：設(shè)置S3S2S1S0CnM=10010，運算器進行加法運算，設(shè)置S3S2S1S0CnM=01100，運算器進行減法運

10、算。具體設(shè)置的值見74LS181的功能表。然后根據(jù)運算結(jié)果填寫下表：六思考題1 在運算器數(shù)據(jù)通路圖中,DR1、DR2連接到74LS181時為什么要交叉？2 兩個4位的74LS181是如何構(gòu)成8位的ALU的？3 “+”和“加”的區(qū)別是什么？4 兩個三態(tài)門74LS245的控制有何限制？數(shù)據(jù)輸入DR1、DR2時控制有何限制？5 運算器是如何完成多種不同的功能的？怎樣控制它？6 你認(rèn)為計算機是怎樣實現(xiàn)連續(xù)運行的？實驗二 運算器實驗：進位控制實驗一實驗?zāi)康?驗證帶進位控制的運算器的組成結(jié)構(gòu)；2驗證帶進位控制的運算器的功能；3觀察給定數(shù)據(jù)是否產(chǎn)生進位，以及如何進行帶進位運算。二實驗設(shè)備TDNCM+計算機組

11、成原理教學(xué)實驗系統(tǒng)一臺，排線若干。三實驗原理進位控制運算器的實驗原理如圖21所示，在實驗一的基礎(chǔ)上增加進位控制部分，基本原理是：兩數(shù)在181中進行運算后最高位的進位C(n+4)連接到一個74鎖存器的輸入端D，是否鎖存由T4和AR(低電平有效)信號控制。T4是脈沖信號，實驗時將T4連至“STATE UNIT”的微動開關(guān)KK2上。當(dāng)T4脈沖到來時，進位結(jié)果就被鎖存到74鎖存器中了。如果鎖存器中已有進位保存，可以控制下一次在181中的運算是否帶進位運算。這是通過改變Cn和AR的值來進行的。本實驗中運算結(jié)果是否產(chǎn)生進位、結(jié)果是否為0是根據(jù)進位指示燈CY和零標(biāo)志指示燈ZI的狀態(tài)來判斷的。進位標(biāo)志指示燈C

12、Y亮(cy=0)時表示進位標(biāo)志為假此時運算沒有產(chǎn)生進位；標(biāo)志指示燈CY滅(cy=1)時表示進位標(biāo)志為真此時運算產(chǎn)生了進位。零標(biāo)志指示燈ZI燈亮?xí)r表示零標(biāo)志為假此時運算結(jié)果不為“0”，燈滅時表示零標(biāo)志為真此時運算結(jié)果為“0”。圖2-1 進位控制實驗原理圖四實驗內(nèi)容 通過輸入幾組不同的數(shù)據(jù)(一組產(chǎn)生進位，一組不產(chǎn)生進位)，完成指定的運算，觀察進位標(biāo)志和零標(biāo)志燈的狀態(tài)，以及進位對ALU下一步操作的影響五實驗步驟(1) 按圖22連接實驗線路，仔細(xì)查線無誤后，接通電源。圖2-2 實驗接線圖(2) 用二進制數(shù)碼開關(guān)向DR1和DR2寄存器置數(shù)55H和AAHH，具體方法同實驗一。輸入流程如下：(3) 按照實驗

13、一的方法檢查DR1和DR2中的數(shù)。觀察結(jié)果： (DR1)=_ (DR2)=_ (4) 進位標(biāo)志清零，具體操作方法是：讓CLR開關(guān)做101操作。實驗板中“SWITCH UNIT”單元中的CLR開關(guān)為標(biāo)志CY、ZI的清零開關(guān)，它為零時是清零狀態(tài)，所以將此開關(guān)做101操作，即可使標(biāo)志位清零。(5) 驗證帶進位的運算及進位鎖存功能。設(shè)置Cn=l，Ar=O進行帶進位算術(shù)運算。此時數(shù)據(jù)總線上顯示的數(shù)據(jù)為DR1加DR2加當(dāng)前進位標(biāo)志的值，相加的結(jié)果是否產(chǎn)生進位,檢查CY燈，若進位標(biāo)志燈亮，表示無進位，反之，有進位；本次運算結(jié)果是否為0，檢查ZI燈，若零標(biāo)志燈亮，運算結(jié)果不為0，反之，結(jié)果為0。關(guān)閉輸入三態(tài)門

14、：SW-B = 1打開ALU輸出三態(tài)門：ALU-B = O 關(guān)閉寄存器的輸入：LDDR1 = 0LDDR2 = 0 進行帶進位加法運算：Cn = l Ar = OS3 S2 Sl S0 M = l 0 0 1 0觀察結(jié)果(此時只能觀察到本位和)：按動微動開關(guān)KK2，觀察進位標(biāo)志燈CY，零標(biāo)志燈ZI的變化。（此時將顯示鎖存器74中的內(nèi)容，同時也會將鎖存內(nèi)容加到ALU的低位），現(xiàn)象是：(6) 輸入另一組數(shù)據(jù)11111111，00000001到DR1和DR2中，重復(fù)(2)、(3)、(4)、(5)的步驟，觀察CY，ZI顯示燈以及運算結(jié)果。結(jié)果是：(7) 當(dāng)剛才運算的進位已經(jīng)鎖存到74LS74時，輸入另

15、一組數(shù)據(jù)11111111，00000001到DR1和DR2中，觀察進位燈及結(jié)果。結(jié)果是：(8) 輸入另一組數(shù)據(jù)00001110，00000001到DR1和DR2中，觀察進位燈及結(jié)果。結(jié)果是：六思考題1 本次運算的進位是如何進行鎖存的？2 AR，Cn是如何控制帶進位加法的？控制信號Cn設(shè)為0與鎖存信號為0的含義是否相同？3 進行加法運算時為什么要關(guān)閉DR1,DR2?4 敘述帶進位的加法的實現(xiàn)原理。實驗三 移位運算實驗一 實驗?zāi)康尿炞C移位控制的組合功能。二實驗設(shè)備TDN-CM+計算機組成原理教學(xué)實驗系統(tǒng)一臺，排線若干。三實驗內(nèi)容1實驗原理圖移位運算實驗原理圖移位運算實驗原理如圖所示，使用了一片74

16、LS299作為移位發(fā)生器，其八輸入輸出端以排針方式和總線單元連接。299-B信號控制其使能端，T4時序為其時鐘脈沖，實驗時將“W/R UNIT”中的T4接至“STATE UNIT”中的KK2單脈沖發(fā)生器，由S0 S1 M控制信號控制其功能狀態(tài)，其列表如下：299-B S1S0M功能000任意保持0100循環(huán)右移0101帶進位循環(huán)右移0010循環(huán)左移0011帶進位循環(huán)左移任意1任意裝數(shù)實驗步驟（） 連接實驗線路，仔細(xì)查線無誤后接通電源。（） 移位操作： 置數(shù)，具體步驟如下：三態(tài)門三態(tài)門 置數(shù) （01101011）數(shù)據(jù)開關(guān)（01101011） SW-B=0 S0=1 SW-B=1 S1=1 T4=

17、 移位，參照上表改變S0 S1 M 299-B的狀態(tài)，按動微動開關(guān)KK2，觀察移位結(jié)果。實驗四 靜態(tài)隨機存儲器實驗一實驗?zāi)康?掌握靜態(tài)隨機存儲器RAM的工作特性及數(shù)據(jù)的讀寫方法。二實驗設(shè)備 TDNCM+計算機組成原理教學(xué)實驗系統(tǒng)一臺，排線若干。三實驗原理 實驗所用的半導(dǎo)體靜態(tài)存儲器電路原理如圖3-1所示，實驗中的靜態(tài)存儲器由一片6116(2K×8)構(gòu)成，其數(shù)據(jù)線接至數(shù)據(jù)總線，地址線由地址鎖存器(74LS273)給出。地址燈ADOAD7與地址線相連，顯示地址線內(nèi)容。數(shù)據(jù)開關(guān)經(jīng)三態(tài)門(74LS245)連至數(shù)據(jù)總線，分時給出地址和數(shù)據(jù)。因地址寄存器為8位，接入6116的地址A7-AO，而高

18、三位A8A1O接地，所以其實際容量為256字節(jié)。6116有三個控制線；CE(片選線)、0E(讀線)、WE(寫線)。當(dāng)片選有效(CE=O)時，OE=O時進行讀操作，WE=0時進行寫操作。本實驗中將0E常接地，因此6116的引腳信號WE=0時進行讀操作， WE=1時進行寫操作。在此情況下，要對存儲器進行讀操作，必須設(shè)置控制端CE=O、WE=O，同時由T3脈沖到來，要對存儲器進行寫操作，必須設(shè)置控制端CE=O、WE=1，同時由T3脈沖到來，其讀寫時間與T3脈沖寬度一致。實驗時將T3脈沖接至實驗板上時序電路模塊的TS3相應(yīng)插孔中，其脈沖寬度可調(diào)，其它電平控制信號由“SWITCH UNIT”單元的二進制

19、開關(guān)模擬，其中SW-B為低電平有效，LDAR為高電平有效。圖3-1 存儲器實驗原理圖四實驗內(nèi)容1. 向存儲器中指定的地址單元輸入數(shù)據(jù),地址先輸入AR寄存器，在地址燈上顯示;再將數(shù)據(jù)送入總線后，存到指定的存儲單元，數(shù)據(jù)再數(shù)據(jù)顯示燈和數(shù)碼顯示管顯示。2. 從存儲器中指定的地址單元讀出數(shù)據(jù), 地址先輸入AR寄存器,在地址燈顯示; 讀出的數(shù)據(jù)送入總線, 通過數(shù)據(jù)顯示燈和數(shù)碼顯示管顯示。五實驗步驟(1)將時序電路模塊中的和H23排針相連。 將時序電路模塊中的二進制開關(guān)“STOP”設(shè)置為“RUN”狀態(tài)、將“STEP”設(shè)置為"STEP"狀態(tài)。(2)按圖32連接實驗線路，仔細(xì)查線無誤后接通

20、電源。圖3-2 存儲器實驗接線圖(注意:關(guān)于stop和step的說明: 將“STOP”開關(guān)置為“Run"狀態(tài)、“STEP”開關(guān)置為“EXEC”狀態(tài)時，按動微動開關(guān)START，則T3輸出為連續(xù)的方波信號，此時調(diào)節(jié)電位器W1，用示波器觀察，使T3輸出實驗要求的脈沖信號。當(dāng)“STOP”開關(guān)置為“RUN”狀態(tài)、“STEP”開關(guān)置為"STEP"狀態(tài)時，每按動一次微動開關(guān)START，則T3輸出一個單脈沖，其脈沖寬度與連續(xù)方式相同。)(3) 向存儲器指定的地址送入數(shù)據(jù)，如:向00單元中輸入11, 步驟如下: 向地址寄存器AR中輸入地址00的流程如下： 操作步驟是，設(shè)置：SW-B

21、 = 1從輸入開關(guān)輸入：00000000打開輸入三態(tài)門：SW-B = 0將地址打入地址鎖存器中：LDAR = 1按START 發(fā)T3脈沖觀察地址燈的變化: 輸入要存放的數(shù)據(jù)11的流程如下：操作步驟是，設(shè)置：SW-B = 1從輸入開關(guān)輸入：00010001打開輸入三態(tài)門：SW-B = 0關(guān)閉地址寄存器：LDAR =0將數(shù)據(jù)寫入存儲單元：CE = 0WE = 1按START 發(fā)T3脈沖輸入數(shù)據(jù)在數(shù)碼管上顯示：LED-B = 0發(fā)W/R脈沖觀察數(shù)據(jù)顯示燈和數(shù)碼顯示管的變化: 按照的步驟繼續(xù)向下面的幾個地址中輸入下述數(shù)據(jù):地址數(shù)據(jù)0112021303140415(4) 從存儲器指定的地址中讀出數(shù)據(jù).

22、如從00中讀出的流程如下：操作步驟是，設(shè)置:SW-B = 1禁止存儲器讀寫：CE = 1從輸入開關(guān)輸入：00000000打開輸入三態(tài)門：SW-B = 0將地址打入地址鎖存器中：LDAR = 1按START 發(fā)T3脈沖關(guān)閉輸入三態(tài)門：SW-B = 1關(guān)閉地址寄存器：LDAR = 0從存儲器中讀出數(shù)據(jù)：CE = 0WE = 0數(shù)據(jù)在數(shù)碼顯示管顯示：LED-B = 0發(fā)W/R脈沖同樣從其它4個地址: 01 ,02 ,03 , 04中讀出數(shù)據(jù)，觀察地址顯示燈, 數(shù)據(jù)顯示燈和數(shù)碼顯示管的變化，并檢查是否和輸入的數(shù)據(jù)一致。六思考題1OE, A10 A8為什么要接地, 不接地有何影響?2本實驗中存儲器能夠存

23、儲的最大容量是多少？PC、AR寄存器的位數(shù)是多少？存儲器的每個單元能存放的最大整數(shù)和最小整數(shù)是多少？3存儲器本身是怎樣存取數(shù)據(jù)的？本實驗中是如何控制內(nèi)存的讀和寫？實驗五 總線傳送控制實驗一實驗?zāi)康?理解總線的概念及其特性: 三態(tài)控制,單向雙向傳送等。2掌握總線傳輸控制特性。二實驗設(shè)備 TDNCM+計算機組成原理教學(xué)實驗系統(tǒng)一臺，排線若干。三實驗原理總線是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路，是構(gòu)成計算機系統(tǒng)的骨架。借助總線連接，計算機在系統(tǒng)各部件之間實現(xiàn)傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息的操作。因此，總線就是指能為多個功能部件服務(wù)的一組公用信息線。本實驗所用總線傳輸實驗框圖如圖41所示，需要用排線連接，使幾種不同的設(shè)備掛至總線上，有存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、寄存器。這些設(shè)備都需要有三態(tài)輸出控制，按照傳輸要求恰當(dāng)有序的控制它們，就可實線總線信息的傳輸。圖4-1 總線傳送實驗框圖四實驗內(nèi)容1輸入設(shè)備將一個數(shù)打入R0寄存器。2輸入設(shè)備將另一個數(shù)(存儲器地址)打入地址寄存器AR。3將R0寄存器中的數(shù)寫入到地址寄存器指定的存儲器地址單元中。4將存儲器指定地址單元中的數(shù)讀出用LED數(shù)