《計(jì)算機(jī)組成原理》實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)一、運(yùn)算實(shí)驗(yàn)算術(shù)邏輯一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 掌握簡單運(yùn)算器的數(shù)據(jù)傳送通路2、 驗(yàn)證運(yùn)算功能發(fā)生器（74LS181）的組合功能二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備CCT-IV計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一臺(tái)，排線若干。三、 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)算器由兩片74LS181構(gòu)成。運(yùn)算器的輸出經(jīng)過一個(gè)三態(tài)門74LS245和數(shù)據(jù)總線相連，運(yùn)算器的兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端，分別由二個(gè)鎖存器74LS273鎖存，鎖存器的輸入端和數(shù)據(jù)總線相連，數(shù)據(jù)輸入輸出都通過總線完成；數(shù)據(jù)顯示燈（“BUSUNIT”）與數(shù)據(jù)總線相連，用來顯示數(shù)據(jù)總線內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)輸入由數(shù)據(jù)開關(guān)（“INPUTDEVICE”）給出，并經(jīng)過三態(tài)門74LS245和數(shù)據(jù)總線相連，數(shù)據(jù)輸出可

2、以經(jīng)總線輸出至七段數(shù)碼管（“OUTPUT DEVICE”）顯示W(wǎng)/R UNITT4STATE UNITKK2ALU UNITAR AUJ3ALU-BS3-CN LDDR1LDDR2 BUS UNIT SW-BALU-B S3-CN LDDR1LDDR2 ARSWITCH UNIT SWJ3 SW-BINPUT DEVICE 圖1-1算術(shù)邏輯運(yùn)算實(shí)驗(yàn)接線圖數(shù)據(jù)顯示燈CNALU-BF3F0 CNCN+4 ALU(181)M A3A0B3B0B7B074LS245A7A0CN+4 F3F0ALU(181) CNM A3A0B3B0S3S2S1S0MQ7Q4 Q3Q0DR(273)D7D0Q7Q4 Q

3、3Q0DR(273)D7D0LDDR1 T4LDDR2三態(tài)門245SW-B數(shù)據(jù)開關(guān)圖1-2運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路圖12中T4為脈沖信號(hào)，其它均為電平信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)中，只需將“W/R UNIT”的T4接至“STATEUNIT”的微動(dòng)開關(guān)的輸出端，按動(dòng)微動(dòng)開關(guān)，即可獲得實(shí)驗(yàn)所需的單脈沖，而S3、S2、S1、S0、Cn、M、LDDR、ALU-B、SW-B各電平控制信號(hào)用“SWITCH UNIT”中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)開關(guān)來模擬，其中Cn、ALU-B、SW-B為低電平有效，LDDR1，LDDR2為高電平有效CnCyQ74LS74D+5VART4CnCn+4圖1-3進(jìn)位控制部件進(jìn)位控制運(yùn)算的實(shí)驗(yàn)，是在前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加

4、進(jìn)位控制部分（如1-3圖所示），其中181的進(jìn)位進(jìn)入一個(gè)74鎖存器，其寫入是由T4的AR信號(hào)控制，T4是脈沖信號(hào)，實(shí)驗(yàn)時(shí)將T4連至“STATE UNIT”的微動(dòng)開關(guān)KK2上。AR是電平控制信號(hào)，可用于實(shí)現(xiàn)帶進(jìn)位控制實(shí)驗(yàn)，而T4脈沖是將本次運(yùn)算的進(jìn)位結(jié)果鎖存到進(jìn)位鎖存器中。四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、按圖1-1實(shí)驗(yàn)接線圖連接線路，仔細(xì)查線無誤后，接通電源。2、用二進(jìn)制數(shù)碼開關(guān)分別向DR1和DR2寄存器置數(shù)01100101，10100111。打開數(shù)據(jù)輸入三態(tài)門SW-B=0 關(guān)閉運(yùn)算器輸出三態(tài)門ALU-B=1向寄存器DR1傳送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)開關(guān)置01100101，LDDR1=1，LDDR2=0，按下KK2，產(chǎn)生T

5、4信號(hào)向寄存器DR2傳送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)開關(guān)置10100111，LDDR1=0，LDDR2=1，按下KK2，產(chǎn)生T4信號(hào)關(guān)閉數(shù)據(jù)輸入三態(tài)門SW-B=1，打開運(yùn)算器輸出三態(tài)門ALU-B=0當(dāng)置S3、S2、S1、S0、M為11111時(shí)，總線指示燈DR1中的數(shù)，而置成10101時(shí)總線指示DR2中的數(shù)。3、驗(yàn)證74LS181的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算功能，在給定DR1=65，DR2=A7的情況下，改變運(yùn)算器的功能設(shè)置，觀察運(yùn)算器的輸出，填入表中，并和理論分析進(jìn)行比較、驗(yàn)證，更改DR1，DR2的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證輸入輸出DR1:A=65、DR2:B=A7M=0M=1S3 S2 S1 S0Cn=1Cn=0C

6、n=*0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1表1-14、進(jìn)位標(biāo)志清零操作,S3S2S1S0M的狀態(tài)置為00000，AR狀態(tài)置為0，按動(dòng)開關(guān)KK2。5、驗(yàn)證帶進(jìn)位運(yùn)算及進(jìn)位鎖存功能，使Cn=1，Ar=0，SW-B=1來進(jìn)行帶位算術(shù)運(yùn)算,做加法運(yùn)算，首先向DR1，DR2置數(shù)，然后使ALU-B=0，S3S2S1S0，M狀態(tài)為10010（加）及01100（減），此時(shí)數(shù)據(jù)總線上顯示的數(shù)據(jù)為DR1加DR2加當(dāng)前進(jìn)位標(biāo)志，這

7、個(gè)結(jié)果是否產(chǎn)生進(jìn)位，則要按動(dòng)開關(guān)KK2，若進(jìn)位標(biāo)志燈亮，表示沒進(jìn)位；反之，有進(jìn)位，更改DR1，DR2的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證，并將結(jié)果記錄到下表。S3 S2 S1 S0 M=1 0 0 1 0S3 S2 S1 S0 M=0 1 1 0 0ABCn=1Cn=0Cn=1Cn=0DR1DR2CyFCyFCyFCyF表1-2實(shí)驗(yàn)二、存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆侦o態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM工作特性及數(shù)據(jù)的讀寫方法二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備CCT-IV計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一臺(tái)，排線若干。三、 實(shí)驗(yàn)原理數(shù)據(jù)燈 OED7D06116A10A8A7A0CEWE T3地址燈AD7AD0AR（273）LDART3三態(tài)門245S

8、W-B數(shù)據(jù)開關(guān)圖2-1存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)原理圖實(shí)驗(yàn)所用的半導(dǎo)體靜態(tài)存儲(chǔ)器電路原理如圖所21所示，實(shí)驗(yàn)中的靜態(tài)存儲(chǔ)器由一片（）構(gòu)成，其數(shù)據(jù)線接至數(shù)據(jù)總線，位置線由位置鎖存器（74LS273）給出。位置燈AD0-AD7與位置線相連，顯示位置線內(nèi)容。數(shù)據(jù)開關(guān)經(jīng)一三態(tài)門（74LS245）連至數(shù)據(jù)總線，分時(shí)給出位置和數(shù)據(jù)。因位置寄存器為8位，6116的位置A7-A0，而高三位A8-A10接地，所以其實(shí)際容量為256字節(jié)。6116有三個(gè)控制線：CE（片選線）、OE（讀線）、WE（寫線）。當(dāng)片選取有效（CE=0）時(shí)，OE=0時(shí)進(jìn)行讀操作，CE=0、WE=1時(shí)進(jìn)行寫操作，其寫時(shí)間與T3脈沖寬度一致。實(shí)驗(yàn)時(shí)將T3脈沖接

9、至實(shí)驗(yàn)板上時(shí)序電路模塊的TS3相應(yīng)的插孔中，其脈沖寬度可調(diào)，其它電平控制信號(hào)由“SWITCH UNIT”單元的二進(jìn)制開關(guān)模擬，其中SW-B為低電平有效，LDAR為高電平有效。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容W/R UNITT3 WE STATE UNIT TS3 SIGNAL UNITH23MAIN MEND7D0 A7A0 W/R CE W/R EXT BUS AD0AD7 BUS UNIT D0D7 ADDRES UNITLDAR SW-B LDAR CE WESWITCH UNIT SWJ3 SW-BINPUT DEVICE2-2存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)接線圖1. 形成時(shí)鐘脈沖信號(hào)T3，具體接線方法和操作步驟如下：接通電

10、源,調(diào)節(jié)電位器W1使H24端輸出實(shí)驗(yàn)所期望的頻率的方波（可用示波器觀察）將時(shí)序電路模塊中的和H23排針相連，CLR置1在時(shí)序電路模塊中有兩個(gè)二進(jìn)制開關(guān)“STOP”和“STEP”。將“STOP”開關(guān)置為“RUN”狀態(tài)、“STEP”開關(guān)置為“EXEC”狀態(tài)時(shí)，按動(dòng)微動(dòng)開關(guān)START，則T輸出連續(xù)的方波信號(hào)民，此時(shí)調(diào)節(jié)電位器W1，用示波器觀察，使T3輸出實(shí)驗(yàn)要求的脈沖信號(hào)。當(dāng)“STOP”開關(guān)置為“RUN”狀態(tài)、“STEP”開關(guān)置為“STEP”狀態(tài)時(shí)，每按動(dòng)一次微動(dòng)開關(guān)START，則T3輸出一個(gè)單脈沖，其脈沖寬度與連續(xù)方式相同。2. 按圖22連接實(shí)驗(yàn)線路，仔細(xì)查線無誤后接通電源。由于存儲(chǔ)器模塊內(nèi)部連線

11、已經(jīng)好，因此只需完成實(shí)驗(yàn)電路的形成，控制倍模擬開關(guān)、時(shí)鐘脈沖信號(hào)T3與存儲(chǔ)模塊的外部連接。3. 給存儲(chǔ)器的00、01、02、37位置單元中分別寫入數(shù)據(jù)11、12、，具體步驟如下：(以向0號(hào)單元寫入11為例)數(shù)據(jù)開關(guān)置00000000，SW-B=1打開輸入三態(tài)門SW-B=0，不選內(nèi)存CE1傳送至位置寄存器LDAR1，按下START數(shù)據(jù)開關(guān)置數(shù)00010001,打開內(nèi)存位置輸入門LDAR0選擇內(nèi)存CE0，寫入內(nèi)存WE1，按下START4. 依次讀出第00、01、02、37單元中的內(nèi)容，觀察上述各單元中的內(nèi)容是否與前面寫入的一致。具體操作步驟如下：(以從0號(hào)單元讀出11數(shù)據(jù)為例)數(shù)據(jù)開關(guān)置00000

12、000，SW-B=1打開輸入三態(tài)門SW-B=0，不選內(nèi)存CE1傳送至位置寄存器LDAR1，按下START關(guān)閉輸入三態(tài)門SW-B=1，選擇內(nèi)存CE0，讀內(nèi)存WE0重復(fù)上面四步，開關(guān)數(shù)據(jù)每次加1比較前面輸入數(shù)據(jù)及后面輸出數(shù)據(jù)是否一致，并填入下表位置內(nèi)容位置內(nèi)容位置內(nèi)容位置內(nèi)00000000-10000000-00000010-00000011-00000000-00010001-00000000-10010010-00010011-00010000-00100000-10100000-10100000-00010010-00100011-00100000-001100

13、10-00000000-10110010-00110011-00110000-01000000-10110000-11000010-01000011-01000000-01010011-00000000-11010010-01010011-01010000-01100000-10110000-11100010-01100011-01100000-01110100-00000000-11110010-01110011-0111表2-1實(shí)驗(yàn)四、模型機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 掌握部件單元實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將其組成系統(tǒng)構(gòu)造一臺(tái)基本模型計(jì)算機(jī)2、 為其定義五條機(jī)器指令，并編寫相應(yīng)的微程序，具體上機(jī)

14、調(diào)試掌握整機(jī)概念二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備CCT-IV計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一臺(tái)，排線若干。三、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(hào)是人為模擬產(chǎn)生的，而本次實(shí)驗(yàn)將能在微程序控制下自動(dòng)產(chǎn)生名部件單元控制信號(hào)，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)器指令到一條機(jī)器指令執(zhí)行結(jié)束的一個(gè)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(duì)應(yīng)一個(gè)微程序。本實(shí)驗(yàn)采用五條機(jī)器指令：IN（輸入）、ADD（二進(jìn)制加法）、STA（存數(shù)）、OUT（輸出）、JMP（無條件轉(zhuǎn)移）其指令格式如下（前4位為操作碼）：助記符機(jī)器指令碼說明IN0000-0000“INPUT

15、 DEVICE”中的開關(guān)狀態(tài)R0ADD addr0001-0000*-*R0+addrR0STA addr0010-0000*-*R0addrOUT addr0011-0000*-*addrBUSJMP addr0100-0000*-*AddrPC其中IN為單字長（8位），其余為雙字長指令，*-*為addr對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制位置碼。為了向RAM中裝入程序和數(shù)據(jù)，檢查寫入是否正確，并能啟動(dòng)程序執(zhí)行，還必須設(shè)計(jì)三個(gè)控制臺(tái)操作微程序。存儲(chǔ)器讀操作(KRD)：撥動(dòng)總清開關(guān)CLR后，控制臺(tái)開關(guān)SWB、SWA為“00”時(shí)，按START微動(dòng)開關(guān)，可對(duì)RAM連續(xù)手動(dòng)讀操作。存儲(chǔ)器寫操作(KWE)：撥動(dòng)總清開關(guān)CLR

16、后，控制臺(tái)開關(guān)SWB、SWA為“01”時(shí)，按START微動(dòng)開關(guān)，可對(duì)RAM連續(xù)手動(dòng)寫入。啟動(dòng)程序(RP)：撥動(dòng)總清開關(guān)CLR后，控制臺(tái)開關(guān)SWB、SWA為“11”時(shí)，按START微動(dòng)開關(guān)，即可轉(zhuǎn)入到第01號(hào)“取址”微指令，啟動(dòng)程序運(yùn)行。上述三條控制臺(tái)指令用兩個(gè)開關(guān)SWB、SWA的狀態(tài)來設(shè)置，其定義如下：SWBSWA控制臺(tái)指令001011讀內(nèi)存(KRD)寫內(nèi)存(KWE)啟動(dòng)程序(RP) 表6-1根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通路框圖，微代碼定義如表6-2所示242322212019181716151413121110987654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCA5A5A5A5A5A015選擇

17、000001LDRi010LDDR1011LDDR2100LDIR101LOAD110LDAR 987選擇000001P(1)010011100P(4)101110LDPC 121110選擇000001RS-B010011100101ALU-B110PC-B 表6-2當(dāng)擬定“取指”微指令時(shí)，該微指令的判別測(cè)試為P(1)測(cè)試。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)的測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)多路分支。本機(jī)用指令寄存器的前4位(IR7-IR4)作為測(cè)試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個(gè)固定微位置單元。控制臺(tái)操作為P(4)測(cè)試，它以控制臺(tái)開關(guān)SWB、SWA作為測(cè)試條件，出現(xiàn)了3路分支，占用3個(gè)固

18、定微位置單元。當(dāng)分支微位置單元固定后，剩下的其它地方就可以一條微指令占用控存一個(gè)微位置單元。注意：微程序流程圖上的單元位置為8進(jìn)制。當(dāng)全部做程序設(shè)計(jì)完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化，表6-2即將圖6-3的微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的“二進(jìn)制代碼表”。下面介紹指令寄存器(IR)：指令寄存器用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。當(dāng)執(zhí)行一條指令時(shí)，先把它從內(nèi)存取到緩沖寄存器中，然后再傳送到指令寄存器。指令劃分為操作碼和位置碼，由二進(jìn)制數(shù)構(gòu)成，為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對(duì)操作碼進(jìn)行測(cè)試P(1)，通過節(jié)拍脈沖T4的控制以便識(shí)別所要求的操作?！爸噶钭g碼器”(實(shí)驗(yàn)板上標(biāo)有“INS DECODE”的芯片)，根據(jù)

19、指令中的操作碼譯碼強(qiáng)置微控器單元的微位置，使下一條微指令指向相應(yīng)的微程序首位置。本系統(tǒng)有兩種外部I/O設(shè)備，一種是二進(jìn)制代碼開關(guān)，它作為輸入設(shè)備(INPUT DEVICE)另一種是數(shù)碼塊，它作為輸出 設(shè)備(OUTPUT DEVICE)。例如：輸入時(shí)，二進(jìn)制開關(guān)數(shù)據(jù)直接經(jīng)過三態(tài)門送到 外部數(shù)據(jù)總線上，只要開關(guān)狀態(tài)不變，輸入的信息也不變。輸出時(shí)，將輸出數(shù)據(jù)送到外部數(shù)據(jù)總線上，當(dāng)寫信號(hào)民(W/R)有效時(shí)，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼塊顯示。表6-3 二進(jìn)制代碼表微位置S3 S2 S1 S0 M Cn WE A9 A8A.BCUA5UA0000000000110 0 00 0 01 0 00 1 0

20、 0 0 0010000000111 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 0020000000011 0 00 0 00 0 10 0 1 0 0 0030000000011 1 00 0 00 0 00 0 0 1 0 0040000000010 1 10 0 00 0 00 0 0 1 0 1050000000110 1 00 0 10 0 00 0 0 1 1 0061001010110 0 11 0 10 0 00 0 0 0 0 1070000000011 1 00 0 00 0 00 0 1 1 0 110.0000000000 0 10 0 00 0 00 0 0 0

21、0 1110000000111 1 01 1 01 1 00 0 0 0 1 1120000000111 1 01 1 01 1 00 0 0 1 1 1130000000111 1 01 1 01 1 00 0 1 1 1 0140000000111 1 01 1 01 1 00 1 0 1 1 0150000001010 0 00 0 10 0 00 0 0 0 0 1160000000011 1 00 0 00 0 00 0 1 1 1 1170000000010 1 00 0 00 0 00 1 0 1 0 1200000000111 1 01 1 01 1 00 1 0 0 1 02

22、10000000111 1 01 1 01 1 00 1 0 1 0 0220000000010 1 00 0 00 0 00 1 0 1 1 1230000000110 0 00 0 00 0 00 0 0 0 0 1240000000000 1 00 0 00 0 00 1 1 0 0 0250000011100 0 01 0 10 0 00 0 0 0 0 1260000000011 0 10 0 01 1 00 0 0 0 0 1270000011100 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 0300000011010 0 01 0 10 0 00 1 0 0 0 1本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

23、機(jī)器指令程序如下：位置內(nèi)容助記符說0000IN“INPUT DEVICE”R00000-00010001-0000ADD0AHR0+0AHR00000-00100000-10100000-00110010-0000STA0BHR00B10110000-01010011-0000OUT0BH0BHBU10110000-01110100-0000JMP00H00HP00000000-10010000-10100000-00010000-1011四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、按連線圖連接實(shí)驗(yàn)線路

24、2、寫程序(手動(dòng)寫入)先將機(jī)器指令對(duì)應(yīng)的微代碼正確寫入2816中，由于在實(shí)驗(yàn)五微程序控制實(shí)驗(yàn)中已將微代碼寫入EEPROM苦盡甜來中，對(duì)照表6-2校驗(yàn)正確后就可使用。使用KWE和KRD微程序進(jìn)行機(jī)器指令程序的裝入和檢查。A 使編程開關(guān)處于“RUN”，STEP為“STEP”狀態(tài)，STOP為“RUN”狀態(tài)。B 撥動(dòng)總清開關(guān)CLR(01)，微位置寄存器清零，程序計(jì)數(shù)器清零。然后使控制臺(tái)SWB、SWA開關(guān)置為“01”，按動(dòng)一次啟動(dòng)開關(guān)START，微位置顯示燈顯示“010001”，再按動(dòng)一次啟動(dòng)開關(guān)START，微位置顯示燈顯示“010100”，此時(shí)數(shù)據(jù)開關(guān)的內(nèi)容置為要寫入的機(jī)器指令，按動(dòng)一次我START鍵，即完成該條指令的寫入。若仔細(xì)閱讀KWE的流程，就不難發(fā)現(xiàn)，機(jī)器指令的首位置只要第一次給入即可，PC會(huì)自動(dòng)加1，所以，每次按動(dòng)START，只有在微位置燈顯示“010100”時(shí)，才