計算機組成原理全部實驗

計算機科學技術系 王玉芬2012年11月3日《計算機組成原理實驗》自編講義基礎實驗部分該篇章共有五個基礎實驗組成，分別是：實驗一 運算器實驗實驗二 存儲器實驗實驗三 數(shù)據(jù)通路組成與故障分析實驗實驗四 微程序控制器實驗實驗五 模型機CPU組成與指令周期實驗2《計算機組成原理實驗》自編講義實驗一 運算器實驗運算器又稱作算術邏輯運算單元（ALU），是計算機的五大基本組成部件之一，主要用來完成算術運算和邏輯運算。運算器的核心部件是加法器，加減乘除運算等都是通過加法器進行的，因此，加快運算器的速度實質上是要加快加法器的速度。機器字長n位，意味著能完成兩個n位數(shù)的各種運算。就應該由n個全加器構成n位并行加法器來實現(xiàn)。通過本實驗可以讓學生對運算器有一個比較深刻的了解。一、實驗目的1．掌握簡單運算器的數(shù)據(jù)傳輸方式。2．掌握算術邏輯運算部件的工作原理。熟悉簡單運算器的數(shù)據(jù)傳送通路。給定數(shù)據(jù)，完成各種算術運算和邏輯運算。二、實驗內容：完成不帶進位及帶進位的算術運算、邏輯運算實驗?？偨Y出不帶進位及帶進位運算的特點。三、實驗原理：實驗電路圖3圖4-1運算器實驗電路圖實驗數(shù)據(jù)流圖CNM0S1ALUS0S2S3DR1 DR2LDDR1 LDDR2T4 T4圖4-2運算器實驗數(shù)據(jù)流圖實驗原理運算器實驗是在ALUUNIT單元進行；單板方式下，控制信號，數(shù)據(jù)，時序信號由實驗儀的邏輯開關電路和時序發(fā)生器提供，SW7－SW0八個邏輯開關用于產生數(shù)據(jù)，并發(fā)送到總線上；系統(tǒng)方式下，其控制信號由系統(tǒng)機實驗平臺可視化軟件通過管理 CPU來進行控制，SW7－SW0八個邏輯開關由可視化實驗平臺提供數(shù)據(jù)信號。1）DR1，DR2：運算暫存器，2）LDDR1：控制把總線上的數(shù)據(jù)打入運算暫存器DR1，高電平有效。3）LDDR2：控制把總線上的數(shù)據(jù)打入運算暫存器DR2，高電平有效。（4）S3，S2，S1，S0：確定執(zhí)行哪一種算術運算或邏輯運算（運算功能表見附錄1或者課本第49頁）。5）M：M＝0執(zhí)行算術操作；M＝1執(zhí)行邏輯操作。6）/CN：/CN＝0表示ALU運算時最低位加進位1；/CN＝1則表示無進位。7）ALU－BUS：控制運算器的運算結果是否送到總線BUS，低電平有效。8）SW－BUS：控制8位數(shù)據(jù)開關SW7－SW0的開關量是否送到總線，低電平有效。四、實驗步驟：實驗前首先確定實驗方式（是手動方式還是系統(tǒng)方式），如果在做手動方式實驗則將方式選擇開關置手動方式位置（31個開關狀態(tài)置成單板方式）。實驗箱已標明手動方式和系統(tǒng)方式標志。所有的實驗均由手動方式來實現(xiàn)。如果用系統(tǒng)方式，則必須將系統(tǒng)軟件安裝到系統(tǒng)機上。將方式標志置系統(tǒng)模式位置。學生所做的實驗均在系統(tǒng)機上完成。其中包括高《計算機組成原理實驗》自編講義低電平的按鈕開關信號輸入，狀態(tài)顯示均在系統(tǒng)機上進行。下面實驗以手動方式為例進行。我們相信學生在手動方式下完成各項實驗后，進入系統(tǒng)方式會變的更加得心應手。具體步驟如下：1．實驗前應將MF－OUT輸出信號與MF相連接。2．如果進行單板方式狀態(tài)實驗，應將開關方式狀態(tài)設置成單板方式；同時將位于EDA設計區(qū)一上方P0K開關設置成手動方式位置，P1K，P2K開關位置均設置成手動方式位置。3．如果進行系統(tǒng)方式調試，則按上述方式相反狀態(tài)設置。4．頻率信號輸出設置：在 CPU1UNIT區(qū)有四個f0-f4 狀態(tài)設置，在進行實驗時應保證f0-f4四個信號輸出只能有一個信號輸出，及f0-f4只有一開關在On的位置。5．不管是手動方式還是系統(tǒng)方式，31個按鈕開關初始狀態(tài)應為“1”即對應的指示燈處于發(fā)光的狀態(tài)。6．位于UPCUNIT區(qū)的J1跳線開關應在右側狀態(tài)。說明：開關AL－BUS；SW－BUS標識符應為“/AL-BUS;/SW-BUS”注意事項：AL－BUS；SW－BUS不能同時按下；因為同時按下會發(fā)生總線沖突，損壞器件。實驗前把TJ，DP對應的邏輯開關置成 11狀態(tài)（高電平輸出），并預置下列邏輯電平狀態(tài)：/ALU－BUS＝1，/PC－BUS＝1，R0－BUS＝1，R1－BUS＝1，R2－BUS＝1時序發(fā)生器處于單拍輸出狀態(tài)，實驗是在單步狀態(tài)下進行 DR1，DR2的數(shù)據(jù)寫入及運算，以便能清楚地看見每一步的運算過程。實驗步驟按表1進行。實驗時，對表中的邏輯開關進行操作置 1或清0，在對DR1，DR2存數(shù)據(jù)時，按單次脈沖 P0（產生單拍T4信號）。表1中帶X的為隨機狀態(tài)，無論是高電平還是低電平，它都不影響運算器的運算操作?？偩€ D7－D0上接電平指示燈，顯示參與運算的數(shù)據(jù)結果。表中列出運算器實驗任務的步驟同表 4相同，16種算術操作和 16種邏輯操作只列出了前面4種，其它實驗步驟同表 4相同。帶“↑”的地方表示需要按一次單次脈沖 P0，無“↑”的地方表示不需要按單次脈沖 P0。6《計算機組成原理實驗》自編講義表1運算器實驗步驟與顯示結果表S3S2S1S0M/CnLDDR1LDDR2SW→AL→SW7D7P0注釋BUSBUS―－SW0D0XXXXXX000155H55HXXXXXX0001AAAAHHXXXXXX100155H55H↑向DR1送數(shù)XXXXXX0101AAAAH↑向DR2送H數(shù)11111X0010XX55H讀出DR1H數(shù)10101X0010XXAAH讀出DR2H數(shù)XXXXXX1001AAAAH↑向DR1送H數(shù)XXXXXX010155H55H↑向DR2送數(shù)0000010010XXAAH算術運算H0000000010XXABH算術運算H00001X0010XX55H邏輯運算H0001010010XXFFH算術運算H0001000010XX00H算術運算H00011X0010XX00H邏輯運算H0010010010XXAAH算術運算H0010000010XXABH算術運算H00101X0010XX55H邏輯運算H0011010010XXFFH算術運算H0011000010XX00H算術運算H00111X0010XX00H邏輯運算H7《計算機組成原理實驗》自編講義注意：運算器實驗時，把與T4信號相關而本實驗不用的LDR0，LDR1，LDR2接低電平，否則影響實驗結果。其它注意事項：進行系統(tǒng)方式實驗時應注意如下幾點：實驗前應將MF-OUT輸出信號與MF相連接。1、檢查通訊電纜是否與計算機連接正確。2、開關方式狀態(tài)應置成系統(tǒng)方式；（31個開關）。3、P0K、P1K、P2K都置成系統(tǒng)方式；4、信號連接線必須一一對應連接好。 即在實驗機左上方的信號接口與實驗機右下方的信號接口分別一一對應連接。左上方 右下方地址指針 ――――――――――― 地址指針地址總線 ―――――――――――地址總線（在實驗機右側中部）數(shù)據(jù)總線 ―――――――――――數(shù)據(jù)總線（在實驗機右側中部）運算暫存器DR1―――――――――運算暫存器 DR1運算暫存器DR2―――――――――運算暫存器 DR2微地址―――――――――――――微地址檢查完畢可以通電；注意事項：1、計算機屏幕上所有的按鈕與實驗機上的按鈕完全對應。2、在做實驗時，要保證總線不發(fā)生沖突。即對總線操作時只有一個操作狀態(tài)有效。3、運算器、存儲器、數(shù)據(jù)通路，三個實驗按操作步驟操作即可8《計算機組成原理實驗》自編講義實驗二 、存儲器實驗一、實驗目的掌握存儲器的數(shù)據(jù)存取方式。了解CPU與主存間的讀寫過程。掌握半導體存儲器讀寫時控制信號的作用。二、實驗內容：向RAM中任一存儲單元存入數(shù)據(jù)；并讀出任一單元的數(shù)據(jù)。三、實驗原理實驗電路（見下圖）實驗原理存貯器實驗電路由 RAM（6116），AR（74LS273）等組成。SW7－SW0為邏輯開關量，與產生地址和數(shù)據(jù)；寄存器AR輸出A7－A0提供存貯器地址，通過顯示燈可以顯示地址，D7－D0為總線，通過顯示燈可以顯示數(shù)據(jù)。當LDAR為高電平，SW－BUS為低電平，T3信號上升沿到來時，開關 SW7－SW09《計算機組成原理實驗》自編講義產生的地址信號送入地址寄存器AR。當CE為低電平，WE為高電平，SW－BUS為低電平，T3上升沿到來時，開關SW7－SW0產生的數(shù)據(jù)寫入存貯器的存貯單元內，存貯器為讀出數(shù)據(jù)，D7－D0顯示讀出數(shù)據(jù)。實驗中，除T3信號外，CE，WE，LDAR，SW－BUS為電位控制信號，因此通過對應開關來模擬控制信號的電平，而LDAR，WE控制信號受時序信號T3定時。四、實驗步驟（在完成一個實驗后，應將所有的信號狀態(tài)置成“ 1”高電平狀態(tài)）實驗前將TJ，DP對應的邏輯開關置成 11狀態(tài)（高電平輸出），使時序發(fā)生器處于單拍輸出狀態(tài)，每按一次 P0輸出一拍時序信號，實驗處于單步狀態(tài)，并置 ALU－BUS＝1。實驗步驟按表 2進行，實驗對表中的開關置 1或清0，即對有關控制信號置 1或清0。表格中只列出了存貯器實驗步驟中的一部分，即對幾個存貯器單元進行了讀寫，其它單元的步驟同表格相同。表中帶－的地方表示需要按一次單次脈沖 P0。注意：表中列出的總線顯示D7－D0及地址顯示A7－A0，顯示情況是：在寫入RAM地址時，由SW7－SW0開關量地址送至D7－D0，總線顯示SW7－SW0開關量，而A7－A0則顯示上一個地址，在按P后，地址才進入RAM，即在單次脈沖（T3）作用后，A7－A0同D7－D0才顯示一樣。表2存貯器實驗步驟顯示結果表SWLDARCEWESW7－D7－D0P0A7－A0注釋→SW0BU011100H00H↑00H地址00寫入AR000100H00H↑00H數(shù)據(jù)00寫入RAM011110H10H↑10H地址10寫入AR000110H10H↑10H數(shù)據(jù)10寫入RAM011100H00H↑00H地址00寫入AR100000H00H↑00H讀RAM011110H10H↑10H地址10寫入AR100010H10H↑10H讀RAM011140H40H↑40H地址40寫入AR0001FFHFFH↑40H數(shù)據(jù)FF寫入RAM10《計算機組成原理實驗》自編講義011142H42H↑42H地址42寫入AR000155H55H↑42H數(shù)據(jù)55寫入RAM011144H44H↑44H地址44寫入AR0001AAHAAH↑44H數(shù)據(jù)AA寫入RAM011140H40H↑40H地址40寫入AR100040HFFH↑40H讀RAM內容011142H42H↑42H地址42寫入AR100042H55H↑42H讀RAM內容011144H44H↑44H地址44寫入AR100044HAAH↑44H讀RAM內容說明：實驗機中符號“CE”；當CE信號為“0”低電平時，表示存儲器 6264的數(shù)據(jù)輸入為有效狀態(tài)。11《計算機組成原理實驗》自編講義實驗三、數(shù)據(jù)通路組成與故障分析實驗一、實驗目的熟悉計算機的數(shù)據(jù)通路掌握數(shù)據(jù)運算及相關數(shù)據(jù)和結果的存儲的工作原理二、實驗內容：利用sw0-sw7數(shù)據(jù)輸入開關向 DR1、DR2預置數(shù)據(jù)，做運算后將結果存入 RAM，并實現(xiàn)任一單元的讀出。例如：將數(shù)據(jù)做如下操作44H+AAH=EEH結果放在RAM的AAH單元44H⊕EEH=AAH結果放在RAM的ABH單元三、實驗原理：實驗電路實驗原理數(shù)據(jù)通路實驗是將前面進行過的運算器實驗模塊和存貯器實驗模塊兩部分電路連在一起組成的。原理圖見圖 7。實驗中，除T4，T3信號外，所有控制信號為電平控制信號，這些信號由邏輯開關來模擬，其信號的含義與前兩個實驗相同。我們按圖 7進行實驗。四、實驗步驟（在完成一個實驗后，應將所有的信號狀態(tài)置成“ 1”高電平狀態(tài)）實驗前將TJ，DP開關置11，使時序發(fā)生器處于單拍狀態(tài)， 按一次P時序信號輸出12《計算機組成原理實驗》自編講義一拍信號，使實驗為單步執(zhí)行。實驗步驟見表 3。13SW→ALUCEWELDALDDLDDRS3S2S1M/CNSW7→A7－D0－D7BUS→BUSRR12S0SW0A00111010XXXXX144HXXX44HX011X001XXXXX1AAHXXXAAHX101X000111011XXHXXXEEHX101X001111011XXHXXXEEHX101X000011011XXHXXXAAHX101X010011011XXHXXXAAH→X44H011X100XXXXX1AAHAAHAAH

表3 數(shù)據(jù)通路實驗過程表單次按 注釋鈕P↑ 44H存入DR1AAH存入DR2DR1+DR2＝EEH(或運算)EEH存入DR2DR1⊕DR2＝AAH(異或運算)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內容存入 RAM《計算機組成原理實驗》自編講義0111100XXXXX1ABHABHABH↑地址ABH存入AR1001000111111XXHABHAAH↑DR1內容存入RAM0111100XXXXX1AAHAAHAAH↑地址AAH存入AR1100010XXXXX1XXHAAHEEH↑讀RAM內容送DR10111100XXXXX1ABHABHABH↑地址ABH存入AR1100001XXXXX1XXHABHAAH↑讀RAM內容送DR20111100XXXZXX1ACHACHACH↑地址ACH存入AR0101000XXXXX1FFHACHFFH↑數(shù)據(jù)FFH存入RAM0111100XXXXX1ADHADHADH↑地址ADH存入AR0101000XXXXX100HADH00H數(shù)據(jù)00H存入RAM15表3中，列出了數(shù)據(jù)通路組成實驗的一部分實驗步驟，其它部分同表中的實驗步驟相同，只是實驗的數(shù)據(jù)及存貯單元不同。表中帶 X的內容是隨機狀態(tài)，它的電平不影響實驗結果。表中帶“－”的地方表示需要按單次脈沖 P，無“－”的地方則表示不需要按單次脈沖 P。注意：A7－A0所接的地址顯示情況是按單次脈沖 P后的狀態(tài)，A7－A0的顯示才與表中相同，否則顯示的是上一個地址?！队嬎銠C組成原理實驗》自編講義實驗四 微程序控制器實驗一、實驗目的熟悉微指令格式的定義。掌握微程序控制器的基本原理。二、實驗內容：分別完成輸入指令、加法指令、存數(shù)指令、輸出指令、無條件轉移指令、強迫RAM讀、強迫RAM寫的微指令流程，并觀察微地址的變化。三、實驗原理：3.1實驗電路圖圖4-4微程序控制器電路圖3.2實驗原理一條指令由若干條微指令組成，而每一條微指令由若干個微指令及下一微地址信號組成。不同的微指令由不同的微命令和下一微指令地址組成。它們存放在控制存貯器（2764）中，因此，用不同的微指令地址讀出不同的微命令，輸出不17《計算機組成原理實驗》自編講義同的控制信號。微程序控制器的電路圖見圖 4-4，UA4－UA0為微地址寄存器?？刂拼尜A器由3片2764組成，從而微指令長度為 24位。微命令寄存器為20位，由2片8D觸發(fā)器74LS273和1片4D觸發(fā)器74LS175組成。微地址寄存器5位，由3片正沿觸發(fā)的雙D觸發(fā)器74LS74組成，它們帶有清零端和預置端。在不判別測試的情況下，T2時刻打入的微地址寄存器內容為下一條指令地址。在需要判別測試的情況下，T2時刻給出判別信號P（1）＝1及下一條微指令地址01000。在T4上升沿到來時，根據(jù)P（1）IR7，IR6，IR5的狀態(tài)條件對微地址01000進行修改，然而按修改的微地址讀出下一條微指令，并在下一個T2時刻將讀出的微指令打入到微指令寄存器和微地址寄存器。CLR（即P2）為清零信號。當 CLR為低電平時，微指令寄存器清零，微指令信號均無效。微指令格式見下表：表4-4微指令格式表23222120191817161514131211S3S2S1S0M/CNLOADCEWELDROLDDR1LDDR2LDIR選擇運算器運算模式打入PCRAMRAM寫打入打入打入打入IR片選R0DR1DR2109876543210LDPCLDARALU→PC→R0→BUSSW→P（1）UAUAUAUAUABUSBUSBUS43210PC＋1打入AR運算器結PC內容R0內容開關內判別字下一微指令地址果送總線送總線送總線容送總線18《計算機組成原理實驗》自編講義圖4-5微指令流程圖如圖4-5所示，微程序控制器在清零后，總是先給出微地址為 00000的微指令（啟動程序）。讀出微地址為 00000的微指令時，便給出下一條微指令地址00001。微指令地址00001及00010的兩條微指令是公用微指令。微指令地址00001的微指令執(zhí)行的是 PC的內容送地址寄存器 AR及PC加1微指令。同時給出下一條微指令地址 00010。微指令地址00010的微指令在T2時序信號是，執(zhí)行的是把RAM的指令送到指令寄存器，同時給出判別信號 P（1）及下一條微 指令地址01000，在T4時序信號時，根據(jù)P（1）IR7，IR6，IR5，修改微地址01000，產生下一條微指令地址，不同的指令（ IR7，IR6，IR5也就不同）產生不同的下一條微指令地址。在 IR7，IR6，IR5為000（即無指令輸入時），仍執(zhí)行01000的微指令。從而可對 RAM進行連續(xù)讀操作。當執(zhí)行完一條指令的全部微指令，即一個微程序的最后一條微指令時，均給出下一微指令地址00001，接著執(zhí)行微指令地址00001，00010的公共微指令，讀下條指令的內容，再由微程序控制器判別產生下一條微指令地址，以后的下一19《計算機組成原理實驗》自編講義條微指令地址全部由微指令給出，直到執(zhí)行完一條指令的若干條微指令，給出下一條微指令地址00001。實驗時，先把J1插座的短路塊向右短接，然后用開關AN25，AN26，AN27模擬指令的代碼（即IR7，IR6，IR5），不斷改變AN25，AN26，AN27狀態(tài)，模擬不同的指令，從而讀出不同的微指令。微指令輸出狀態(tài)由各對應的指示燈顯示。實驗用單步的方式，將啟動程序5條指令，強迫RAM讀，，強迫RAM寫的微指令逐條讀出?？捎秒娖街甘緹麸@示每條微指令的微命令。從微地址UA4－UA0和判別標志上可以觀察到微程序的縱向變化。四、實驗步驟：在做微程序實驗時應將“ UPC－OUT”和“UBIN”用26芯電纜連起來在進行微程序控制器實驗時兩種方式（系統(tǒng)方式和單板方式）31個開關設置如下：1、J1跳線位置應在右側連接。2、實驗在系統(tǒng)機上進行時，應將“ UP”信號設置成低電平。3、SWE：微程序控制器的微地址修改信號，微地址修改為 10000，使機器處于寫RAM狀態(tài)。4、SRD：微程序控制器的微地址修改信號，微地址修改為01000，使機器處于讀RAM狀態(tài)。1）觀察時序信號將TJ，DP置00按單次脈沖按鈕P0，使時序信號輸出連續(xù)波形。2）觀察微程序控制器工作原理將TJ，DP置11，微程序控制器處于單步狀態(tài)，按一次單步按鈕產生一拍時序信號T1，T2，T3，T4。將UP置0使微程序控制器輸出微地址。SWE，SRD置11，將IR7置0，IR6置0，IR5值0，表示無指令輸入。實驗步驟如下：1，按一次P2（CLR清零按鈕），使UA4－UA0為00000。2，按一次 P0執(zhí)行微指令地址為 00000的啟動程序，給出一條微指令地址UA4－UA0為00001。3，將IR7，IR6，IR5置為001，按一次P0，執(zhí)行微指令地址00001的微指令，同時給出下一條微指令地址00010，以后再按P0，一直執(zhí)行到一條指令的全20《計算機組成原理實驗》自編講義部微指令結束給出下一條微指令地址 00001，輸入指令的微指令流程請參閱附錄3，微指令的微命令輸出顯示應同附錄 3的微指令代碼對應，微地址的輸出顯示也應相同。4，在執(zhí)行至微地址 UA4－UA0顯示為00001時，置IR7，IR6，IR5＝010為加法指令的若干條微指令，直至執(zhí)行到微地址 UA4－UA0顯示00001結束。5，重復4執(zhí)行IR7，IR6，IR5為011（存貯器存數(shù)指令）的指令。6，重復4執(zhí)行為執(zhí)行IR7，IR6，IR5為100（輸出指令）的指令。7，重復4執(zhí)行IR7，IR6，IR5為101（無條件轉移指令）的指令。8，在執(zhí)行到微地址 UA4－UA0顯示為00001時，或在開機時，按清零鍵 P2使UA4－UA0顯示為00000，置IR7＝0，IR6＝0，IR5＝0，SWE置1，SRD置1，把SWE開關從“1”－“0”－“1”，使微地址UA4－UA0顯示10000，強迫處于RAM寫，執(zhí)行微指令地址為10000，10001，10010的三條微指令，電平指示燈顯示微指令的微命令及微地址。執(zhí)行時為循環(huán)重復執(zhí)行微指令，以便不斷對RAM寫入數(shù)據(jù)，直到有 CLR清零信號作用時才停止。9，按清零鍵P2，使UA4－UA0顯示為00000，置IR7，IR6，IR5＝000，SWE＝1，SWD＝1，把SRD開關從“1”－“0”－“1”，使微地址UA4－UA0顯示01000，強迫機器處于RAM讀，執(zhí)行微指令地址為01000，01110，01111的三條微指令，電平指示顯示微指令的微命令及微地址。 執(zhí)行時為循環(huán)重復執(zhí)行微指令，不斷讀RAM內容。（3）連續(xù)方式讀出微指令將時序發(fā)生器處于連續(xù)時序循環(huán)狀態(tài)，就可連續(xù)讀出微指令。將 TJ，DP置00，按P0時序發(fā)生器連續(xù)輸出時序信號。此時，微程序控制器按某一序列的微指令地址固定的重復地讀出微指令序列。21實驗五 模型機CPU組成與指令周期實驗一、實驗目的將運算器模塊，存貯器模塊、微程序控制器模塊組合在一起，聯(lián)成一臺簡單的計算機。用微程序控制器控制模型機的數(shù)據(jù)通路。二、實驗內容執(zhí)行由5條指令組成的簡單程序，掌握指令與微指令的關系，建立計算機的整機概念。三、實驗原理前面幾個實驗中，控制信號是由實驗者用邏輯開關來模擬，以完成對數(shù)據(jù)通路的控制。而這次實驗，數(shù)據(jù)通路的控制信號全部由微程序控制器自動完成。CPU從內存取出一條機器指令到執(zhí)行指令的一個指令周期， 是由微指令組成的序列來完成，取一條機器指令對應一個微程序。 我們將5條機器指令及有關數(shù)據(jù)寫入RAM中，通過CPU運行5條機器指令組成的簡單程序，掌握機器指令與微指令的關系。四、實驗步驟（一）實驗設置實驗時，（在完成一個實驗后，應將所有的信號狀態(tài)置成“1”高電平狀態(tài)）將J1設置成左側連接。將UP信號置成低電平“0”。在做模型機實驗時應將“UPC-OUT”和“UBIN”用26芯電纜連接起來。1、對31個開關設置應按下面方式設置：單板方式位置：（開關位置處于單板方式的位置有如下幾個： ）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）；系統(tǒng)方式位置：（開關位置處于系統(tǒng)方式的位置有如下幾個： ）、、UP、KSW7、KSW6、KSW5、KSW4、KSW3、KSW2、KSW1、KSW0、、DP、TJ、、、SWE、SRD；1、J1跳線位置應在左側連接。2、實驗在系統(tǒng)機上進行時，應將“ UP”信號設置成低電平?！队嬎銠C組成原理實驗》自編講義通過邏輯開關AN30（即SWE）將SWE從“1”－“0”－“1”，使微程序控制器的微指令地址為 10000，強迫機器處于 RAM寫，重復執(zhí)行微指令地址為10000，10001，10100微指令，把所寫的程序寫入RAM。再通過邏輯開關AN31（即SRD），將SRD從“1”－“0”－“1”，使微程序控制器的指令地址為01000，強迫機器處于RAM讀，執(zhí)行微指令地址01000，01110，01111的微指令。讀出所寫的程序，以校對寫入的程序和數(shù)據(jù)是否正確，然后再運行程序。（二）指令系統(tǒng)：（1）INA，DATA。指令碼20，A指R0，DATA指SW7－SW0上的數(shù)據(jù)輸入到R0寄存器。是輸入指令。（2）ADDA，（ADD）。指令碼40ADD，A指R0，ADD為存貯器地址。將R0寄存器的內容與內存中以ADD為地址單元內數(shù)相加，結果送R0，是加法指令。（3）STA（ADD），A。指令碼60ADD，A指R0，ADD為存貯器地址。將R0寄存器的內容存到以ADD為地址的內存單元中。（4）OUT BUS，（ADD）。指令碼80（ADD），BUS為數(shù)據(jù)總線，ADD為存貯器地址。將內存中以 ADD為地址的數(shù)據(jù)讀到總線上。（5）JMPADD。指令碼A0ADD。ADD指存貯器地址。程序無條件地轉移到ADD所指定的內存單元地址。（6）WE存貯器寫命令。（7）RD存貯器讀命令。(三)存貯器寫操作（1）所寫程序IN R0，DATA （輸入指令）ADD R0，（ADD） （加法指令）STA （ADD），R0 （存貯器存數(shù)指令）OUT BUS，（ADD） （輸出指令）JMP ADD （無條件轉換指令）（2）起始地址從00開始23《計算機組成原理實驗》自編講義地址指令碼注釋0020←add090140addadd←0B0360addadd←0A0580addadd←0007A0add09550AAA（3）操作過程AN26，AN23，AN24，AN30，AN31設置為01111，即UP＝0。DP，TJ＝11為單步狀態(tài)，SWE＝1，SRD＝1。SW7－SW0設置00000000。按清零鍵P2，AN30從“1”－“0”－“1”即，這時，UA4－UA0顯示為10000，然后按表5進行存貯操作。存貯器寫是在單步狀態(tài)下進行， 其控制信號全部由微程序控制器提供， 因此只需操作SW7－SW0（置數(shù)據(jù)）及按P0（單步操作）。以上為存貯器寫入全過程，起始地址是 00H。如果從30H開始，只要在開始用SWE開關置UA4為“1”，UA4－UA0顯示為10000，SW7－SW0開關置30H，寫過程相同。不同之處在于顯示地址為30－3AH，總線顯示為30－3AH。寫過程結束后，按清零鍵P2。(四)存貯器讀操作（在完成一個實驗后，應將所有的信號狀態(tài)置成“ 1”高電平狀態(tài)）狀態(tài)設置為01111，即UP＝0，DPTJ＝11，SWE＝1，SRD＝1，為單步操作。SRD從“1”－“0”－“1”即，此時，UA4－UA0顯示為01000。存貯器讀操作是在單步狀態(tài)下進行。同樣只需按表6操作SW0－SW7及按P0（單步操作）。24《計算機組成原理實驗》自編講義表5存貯器操作過程及顯示結果表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《計算機組成原理實驗》自編講義表6存貯器讀操作過程及顯示結果表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《計算機組成原理實驗》自編講義↑0BH0CH011110CH↑0BHXXH011100CH↑0CH0DH011110DH在XX處，程序未讀出時是隨機數(shù)，當執(zhí)行后讀方法讀出時， XX處顯示指SW7－SW0＋（09H）即8A＋55＝DFH。如果程序寫在 30H單元內，只需在開始時將 SW7－SW0開關置30H，A7－A0顯示則從30H開始，其它不變。(五)執(zhí)行過程執(zhí)行過程可以用單步或連續(xù)執(zhí)行。當單步執(zhí)行時，狀態(tài)設置為 01111，即UP＝0，DP，TJ＝11，SWE＝1，SRD＝1，按清零鍵P2。然后按表7進行操作，操作只需對SW0－SW7及P0操作，此時J1插座短路塊接向左方。表7執(zhí)行過程操作及顯示結果表P0SW7～A7～A0D7～D0UA4～PC7～PC0SW0UA00000000↑00H0000100H↑00H01H0001001H↑Data(8A)00H20H0100101H↑00H8AH0000101H↑01H02H0001002H↑01H40H0101002H↑02H03H0001103H↑09H55H0010003H↑09H55H0010103H↑09H8AH0011003H↑09HDFH0000103H↑03H04H0001004H↑03H60H0101104H27《計算機組成原理實驗》自編講義↑04H05H0011105H↑0BHXXH1011005H↑0BHDFH0000105H↑05H06H0001006H↑05H80H0110006H↑06H07H1001107H↑0AHAAH1010007H↑0AHAAH0000107H↑07H08H0001008H↑07HA0H0110108H↑08H09H1010109H↑08H00H0000109H(六)運行情況：（1）先執(zhí)行INR0，DATA輸入指令將開關8A送入R0寄存器。（2）執(zhí)行ADDR0，（ADD）加法指令將存貯器地址09中的內容（55）同R0中的數(shù)據(jù)（8A）相加，結果為DF送R0寄存器。（3）執(zhí)行STA（ADD），R0指令將R0的內容DFH送以ADD為地址的內存，ADD為0B，DF送R0存儲器0B中。（4）執(zhí)行OUTBUS，（ADD）指令將ADD為地址的內容送總線，ADD為0A中存AA，AA送總線。（5）執(zhí)行JMPADD指令無條件轉換到以ADD為地址的內存中執(zhí)行指令。轉移到00地址。再執(zhí)行INR0，DATA輸入指令。28《計算機組成原理實驗》自編講義擴展實驗該篇章是設計性實驗共有兩個實驗組成，分別為：實驗六 時序與啟停實驗實驗七 基本模型機設計與實現(xiàn)實驗八 帶移位運算的模型機設計與實現(xiàn)實驗九 復雜模型機的設計與實現(xiàn)29《計算機組成原理實驗》自編講義實驗六 時序與啟停實驗一、實驗目的．掌握時序電路的原理．熟悉啟停電路的原理二、實驗要求通過時序電路的啟動了解以單步、連續(xù)方式運行時序電路的過程，觀察T1、T2、T3、T4各點的時序波形。三、實驗原理實驗所用的時序與啟停電路原理如圖所示，圖4-6 時序發(fā)生器及啟停電路其中時序電路由1/2片74LS74、1片74LS175及6個二輸入與門、2個二輸入與非門和3個反向器構成?？僧a生4個等間隔的時序信號T1、T2、T3、T4，30《計算機組成原理實驗》自編講義其中MF為時鐘輸入端，時鐘頻率可從F0、F1、F2、F3中選擇一個，由位于實驗裝置左下方的方波信號源提供。學生可根據(jù)實驗自行選擇方波信號的頻率。為了便于控制程序的運行，時序電路發(fā)生器也設置了一個啟?？刂朴|發(fā)器 CR，使T1－T4信號輸出可控。上圖中啟停電路由1/2片74LS74、74LS00及1個二輸入與門構成。TJ，DP為單步停機控制信號，當其中1個或2個都為高電平“1”時，此時，時序發(fā)生器處于停機或單步狀態(tài)，即每按一次啟動按鈕P0（P0和/P0；實驗時需用導線將MF－OUT與MF連接起來）產生一拍時序信號 T1，T2，T3，T4。當TJ，DP都為低電平時，按一次啟動按鈕 P0，產生連續(xù)時序信號，CLR接P2作清除按鈕。連續(xù)輸出時序波形如圖所示。圖4-7 連續(xù)輸出時序波形圖T1，T2，T3，T4有兩組輸出信號，以提高負載能力。因此時序信號 T1－T4將周而復始地發(fā)送出去。如果實驗系統(tǒng)處于系統(tǒng)方式下，當進入“單步”方式命令鍵時管理 CPU令“TJ、DP”處于單步控制方式，機器便處于單步運行狀態(tài)，即此時只發(fā)送一個 CPU周期的時序信號就停機。利用單步方式， 每次只讀一條微指令，可以觀察微指令的代碼與當前微指令的執(zhí)行結果。另外當機器連續(xù)運行時，如果按動“停機方式”命令鍵管理CPU令工作方式處于停機狀態(tài)，也會使機器停機。31《計算機組成原理實驗》自編講義實驗七 基本模型機設計與實現(xiàn)一、實驗目的．在掌握部件單元電路實驗的基礎上，進一步將其系統(tǒng)地組成一臺基本模型計算機。．為其定義五條機器指令，并編寫相應的微程序，上機調試掌握整機概念。二、實驗設備計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)一臺，排線若干。三、實驗內容1．實驗原理部件實驗過程中，各部件單元的控制信號是以人為模擬產生為主，而本次實驗將能在微程序控制下自動產生各部件單元的控制信號，實驗特定指令的功能。這里，計算機數(shù)據(jù)通路的控制將由微程序控制器來完成， CPU從內存中取出一條機器指令到指令執(zhí)行結束的一個指令周期全部由微指令組成的序列來完成， 即一條機器指令對應一個微程序 。本實驗采用五條機器指令： IN〔輸入〕、ADD〔二進制加法〕、STA〔存數(shù)〕、OUT〔輸出〕、JMP〔無條件轉移〕，其指令格式如下〔前四位為操作碼〕：助記符機器指令碼說明IN00100000“INPUTDEVICE”中的開關狀態(tài)――R0ADDaddr01000000××××××××R0＋〖addr〗--R0STAaddr01100000××××××××R0--〖addr〗OUTaddr10000000××××××××〖addr〗--BUSJMPaddr10100000××××××××addr—PC其中IN為單字節(jié)〔8位〕，其余為雙字節(jié)指令，××××××××為addr對應的二進制地址碼。根據(jù)以上要求設計數(shù)據(jù)通路框圖，如附錄 2圖所示。系統(tǒng)涉及到的微程序流程圖如下圖所示：32《計算機組成原理實驗》自編講義當擬定“取指”微指令時，該微指令的判別測試字段為 P〔1〕測試。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〕的測試結果出現(xiàn)多路分支。本機用指令寄存器的前三位〔IR7－IR5〕作為測試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個固定微地址單元。當全部微程序設計完畢后，應將每條微指令代碼化，表8即為將微程序流程圖按微指令格式轉化而成的“二進制微代碼表”。指令寄存器〔IR〕：指令寄存器用來保存當前正在執(zhí)行的一條指令。當執(zhí)行一條指令時，先把它從內存取到緩沖寄存器中，然后再傳送至指令寄存器。指令劃分為操作碼和地址碼字段，由二進制數(shù)構成，為了執(zhí)行任何給定的指令，必須對操作碼進行測試P〔1〕，通過節(jié)拍脈沖T4的控制以便識別所要求的操作?！爸噶钭g碼器”〔實驗板上標有“INSUNIT”的芯片〕根據(jù)指令中的操作碼譯碼強置微控器單元的微地址，使下一條微指令指向相應的微程序首地址。本系統(tǒng)有兩種外部 I/O 設備，一種是二進制代碼開關，它作為輸入設備INPUTDEVICE）；另一種是LED塊，它作為輸出設備〔OUTPUTDEVICE〕。例如：輸入時，二進制開關數(shù)據(jù)直接經(jīng)過三態(tài)門送到外部數(shù)據(jù)總線上，只要開關狀態(tài)不33《計算機組成原理實驗》自編講義變，輸入的信息也不變。輸出時，將輸出數(shù)據(jù)送到外部數(shù)據(jù)總線上，當寫信號〔W/R〕有效時，將數(shù)據(jù)打入輸出鎖存器，驅動 LED顯示。本實驗設計機器指令程序如下：地址〔二進制〕內容〔二進制〕助記符號說明000000100000IN“INPUTDEVICE”－－R0000101000000ADD〖09H〗R0＋〖09H〗――R0001000001001001101100000STA〖0BH〗R0――〖0BH〗010000001011010110000000OUT〖OAH〗〖0AH〗――BUS011000001010011111000000JMP〖00H〗00H――PC100000000000100101010101自定101010101010自定1011求和結果四、實驗要求：1．利用系統(tǒng)實驗提供的實驗環(huán)境用 EDA軟件設計模型機內核。2．通過實驗儀提供的狀態(tài)指示相信和系統(tǒng)操作平臺觀察實驗結果。34表8模型機（一）微指令表微CBAALLAA代CLCMSSSS代PLLLLLLW代UUUUUUPS代說明地RDD98碼EDN0123碼（DDDDDDE碼AAAAAA（W碼址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模型機（一）微指令表微CBAALLAA代CLCMSSSS代PLLLLLLW代UUUUUUPS代說明地RDD98碼EDN0123碼（DDDDDDE碼AAAAAA（W碼址RRA2APIDDR0123451B21D〕RCRRR0〕2176543210765432107654321076543210100000000000010000004000100000201000100189SW→PC110010000020000000000001100000600100100048PC→AR，PC＋＋120000000000100000008000000001011000100189SW→RAM130000000000100000008001000000400010100028（RAM）→AR140000001103100000008000000000001000000080（RAM）→BUS15000000000011000000C000100000201000000080（RAM）→PC1610100000A0100000008000000001011000000080PC→（RAM）1700000000000000000000010000000010000000801800000000000000000000000000000010000000801900000000000000000000000000000010000000801A00000000000000000000000000000010000000801B00000000000000000000000000000010000000801C00000000000000000000000000000010000000801D00000000000000000000000000000010000000801E00000000000000000000000000000010000000801F0000000000000000000000000000001000000080帶移位運算的模型機設計與實現(xiàn)一、實驗目的．熟悉用微程序控制器控制模型機的數(shù)據(jù)通路。．學習設計與調試計算機的基本步驟及方法。二、實驗設備計算器組成原理教學實驗系統(tǒng)一臺，排線若干。三、實驗內容1．實驗原理本實驗在基本模型機的基礎上搭接移位控制電路，實驗移位控制運算。實驗中新增 4條移位運算指令：RL〔左環(huán)移〕、RLC〔帶進位左環(huán)移〕、RR〔右環(huán)移〕、RRC〔帶進位右環(huán)移〕，其指令格式如下；操作碼RR 10100100RRC 11000100RL 11100100RLC 00010100以上4條指令都為單字長〔8位〕。RR為將R0寄存器中的內容循環(huán)右移一位。RRC為將R0寄存器中的內容帶進位右移一位，它將 R0寄存器中的數(shù)據(jù)右邊第一位移入進位，同時將進位位移至 R0寄存器的左位。RL為將R0寄存器中的數(shù)據(jù)循環(huán)左移一位。RLC為將R0寄存器中的數(shù)據(jù)帶進位循環(huán)左移一位。實驗數(shù)據(jù)通路框圖如附錄 3圖所示，編寫微程序流程圖及確定微地址如附錄圖所示。本實驗設計機器指令程序如下；地址〔二進制〕內容〔二進制〕助記符號 說明《計算機組成原理實驗》自編講義0000000000000100IN“INPUTDEVICE”――R00000000100100100ADD〖0DH〗R0＋〖0DH〗――R000000010000011010000001100010100RLC0000010000000100IN0000010111000100RRC0000011011100100RL0000011101000100STA〖0EH〗R0――〖0EH〗00001000000011100000100101100100OUT〖0EH〗〖0EH〗――BUS00001010000011100000101110000100JMP00H00H――PC00001100000000000000110101000000自定00001110存數(shù)單元將微程序流程圖代碼化，本實驗給出的微程序二進制代碼轉化成十六進制格式文件。機器指令及微程序按照規(guī)定格式編寫成十六進制格式文件， 具體內容如下表所示：四、實驗要求：1．利用系統(tǒng)實驗提供的實驗環(huán)境設計模型機內核。2．通過實驗儀提供的狀態(tài)指示和系統(tǒng)操作平臺觀察實驗結果。38表9模型機（二）微指令表共3頁第1頁微CBAALLAA代CLCMSSSS代PLLLLLLW代UUUUUUPS代說明地RDD98碼EDN0123碼（DDDDDDE碼AAAAAA（W碼址RRA2APIDDR0123451B21D〕RCRRR0〕2176543210765432107654321076543210000000000000000000000000000000001000000080010010000020000000000001100000600100000040PC→AR，PC＋1020000000000100000008000010000100000011006RAM→IR030110000060000110001800000000000111000070299帶進位左移0400000000001000000080010000004010100000A0RAM→IR050000000000100000008000001000080110000060RAM→DR20610100000A00000000000000001000411100000E0RS→IDR1070101000050001000002900000010021000000080DR1＋DR2→RD080000000000100000008001000000401001000090RAM→AR0910100000A0100000008000000001011000000080RS→RAM000000000001000000080010000004011010000D0RAM→AR0B0000001103100000008000000000001000000080RAM→LED0C000000000011000000C000100000201000000080RAM→PC00110000060000001000400000000000111000070299右移1位0E0110000060000000000000000010021000000080299→RD0F0110000060000101001400000000000111000070299帶進位右移表9模型機（二）微指令表共3頁第2頁微CBAALLAA代CLCMSSSS代PLLLLLLW代UUUUUUPS代說明地RDD98碼EDN0123碼（DDDDDDE碼AAAAAA（W碼址RRA2APIDDR0123451B21D〕RCRRR0〕2176543210765432107654321076543210100011000060000010000800000000000111000070299左移一位1100000000000000000000000000000010000000801200000000000000000000000000000010000000801300000000000000000000000000000010000000801400000000000000000000000000000010000000801510000000000000000000000000000010000000801600000000000000000000000000000010000000801700000000000000000000000000000010000000801800000000000000000000000000000010000000801900000000000000000000000000000010000000801A00000000000000000000000000000010000000801B00000000000000000000000000000010000000801C00000000000000000000000000000010000000801D00000000080000000000000000000010000000801E00000000000000000000000000000010000000801F0000000000000000000000000000001000000080表9模型機（二）微指令表共3頁第3頁微CBAALLAA代CLCMSSSS代PLLLLLLW代UUUUUUPS代說明地RDD98碼EDN0123碼（DDDDDDE碼AAAAAA（W碼址RRA2APIDDR0123451B21D〕RCRRR0〕2176543210765432107654321076543210200000000000000000000000000010021000000181SW→RD2110100000A0000011000C000000000000100000C0Ri→299220010000020000000000001100000600010000020PC→AR，PC＋1230000000000000000000000000000001000000080240010000020000000000001100000600001000010PC→AR，PC＋1250000000000000000000000000000001000000080260010000020000000000001100000600101000050PC→AR，PC＋1270000000000000000000000000000001000000080280010000020000000000001100000600011000030Ri→2992900000000000000000000000000000010000000802A10100000A0000011000C000000000010110000B0Ri→2992B00000000000000000000000000000010000000802C10100000A0000011000C000000000011110000F0Ri→2992D00000000000000000000000000000010000000802E10100000A0000011000C00000000000000100008Ri→2992F0000000000000000000000000000001000000080實驗九 復雜模型機的設計與實現(xiàn)一、實驗目的綜合運用所學計算機原理知識，設計并實現(xiàn)較為完整的計算機。二、實驗設備計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)一臺，排線若干。三、數(shù)據(jù)格式及指令系統(tǒng)1．數(shù)據(jù)格式