计算机组成原理实验指导书.doc

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1、2004-2005学年度第一学期计算机组成原理实验指导书实验一 运算器实验（一）算术逻辑运算实验一实验目的1掌握简单运算器的数据传送通路。2验证运算功能发生器(74LSl81)的组合功能。二预习内容掌握74181芯片的功能及使用方法。三实验设备与环境CCTIV计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。四实验内容1实验原理 实验中所用的运算器数据通路图11所示。其中运算器由两片74LSl 81以并串形式构成8位字长的ALU。运算器的输出经过一个三态门(74LS245)和数据总线相连，运算器的两个数据输入端分别由二个锁存器(74LS373)锁存，锁存器的输入连至数据总线，数据开并(“INPUT D

2、EVICE”)用来给出参与运算的数据，并经过一三态门(74LS245)和数据总线相连，数据显示灯(“BUS UNIT”)和数据总线相连，用来显示数据总线内容。 图中已将用户需要连接的控制信号用圆圈标明(其他实验相同，不再说明)，其中除T4为脉冲信号，其它均为电平信号。由于电路中的时序信号均已连至“WR UNIT的相应时序信号引出端，因此，在进行实验时，只需将WR UNIT”的T4接至“STATE UNIT”的微动开关KK2的输出端，按动微动开关，即可获得实验所需的单脉冲，而S3、S2、S1、 So、Cn、M、LDDRl、LDDR2、ALUB、SWB各电平控制信号用“SWITCH UNIT”中的

3、二进制数据开关来模拟，其中Cn、ALUB、SWB为低电平有效，LDDRl、LDDR2为高电平有效。2实验步骤 (1 ) 按图12连接路线，仔细查线无误后，接通电源。 (2 ) 用二进制数码开关向DRl和DR2寄存器置数。具体操作步骤图示如下： 检验DRl和DR2中存的数是否正确，具体操作为：关闭数据输入三态门(SW-B=1)， 打开ALU输出三态门(ALU-B=0)。当置S3、S2、S1、So、M为1 1 1 1 l时，总线指示灯显示DR1中的数，而置成1 0 1 0 1时总线指示灯显示DR2中的数。(3) 验证74LSl81的算术运算和逻辑运算功能(采用正逻辑)在给定DRl=65、DR2=A

4、7的情况下，改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，填入下表中，并和理论分析进行比较、验证。五、注意事项1.本次实验内容适用于计划学时数为68。2.上机课时要求必须带本次实验课的指导书以及相关的教材资料。 3.实验指导书每人一份，为平时实验课的依据，注意保管。4.实验指导书仅作为上机时的步骤提要，不能作为唯一的依据，以教材代码和课堂讲授为准。六、填写实验报告要求 1.填写课程名称:网络操作系统，然后填写日期。 2.实验内容为本次实验的题目。 3.课时填写是这样的:如果本次实验课时间为一次课，则填写2；两次则为4，以此类推。 4.成绩一栏和最后的指导教师评语为教师填写。 5.实验报告部分为主体部

5、分，其中主要填写本人上机过程所调试程序的步骤和程序的执行结果，以及自己的实验体会和收获。 6.最后要填写上自己所在的班级、姓名、学号。 7.实验报告要自己独立填写完成，字迹要工整，并注意保存好，按照教师规定日期准时提交，作为平时成绩的重要依据和期末考试的参考。(二) 进位控制实验 一实验目的 1验证带进位控制的算术运算功能发生器的功能。2按指定数据完成几种指定的算术运算。二预习内容熟悉进位控制运算器原理图 二实验设备 CCTIV计算机组成原理教学实验系统一台，排线若于。 三实验内容1 实验原理进位控制运算器的实验原理如图13所示，在实验(1)的基础上增加进位控制部分，其中18l的进位进入一个7

6、4锁存器，其写入是由T4和AR信号控制，T4是脉冲信号，实验时将T4连至“STATE UNIT”的微动开关KK2上。AR是电平控制信号 (低电平有效)，可用于实现带进位控制实验，而T4脉冲是将本次运算的进位结果锁存到进位锁存器中。 2实验步骤 (1) 按图14连接实验线路，仔细查线无误后，接通电源。(2)用二进制数码开关向DRl和DR2寄存器置数，具体方法： 关闭ALU输出三态门 (ALU-B=1)，开启输入三态门 (SW-B=0)，设置数据开关 例如向DRl存入01010101，向DR2存入10101010。具体操作步骤如下：(3) 进位标志清零具体操作方法如下：S3S2SlS0M的状态置为

7、0 0 0 0 0，AR状态置为0(清零时DRl寄存器中的数应不等于FF)按动微动开关KK2。注：进位标志指示灯CY亮时表示进位标志为“0”，无进位；标志指示灯CY灭时表示进位为“1”，有进位。(4)验证带进位运算及进位锁存功能，使Cn=l，Ar=0，SWB=1来进行带进位算术运算。例如：做加法运算，首先向DRl、DR2置数，然后使ALUB=0，S3S2S1S0M状态为l 0 0 1 0，此时数据总线上显示的数据为DRl加DR2加当前进位标志，这个结果是否产生进位，则要按动微动开关KK2，若进位标志灯亮，表示进位；反之，有进位。五、注意事项1.本次实验内容适用于计划学时数为68的学时。2.上机

8、课时要求必须带本次实验课的指导书以及相关的教材资料。 3.实验指导书每人一份，为平时实验课的依据，注意保管。4.实验指导书仅作为上机时的步骤提要，不能作为唯一的依据，以教材代码和课堂讲授为准。六、填写实验报告要求 1.填写课程名称:网络操作系统，然后填写日期。 2.实验内容为本次实验的题目。 3.课时填写是这样的:如果本次实验课时间为一次课，则填写2；两次则为4，以此类推。 4.成绩一栏和最后的指导教师评语为教师填写。 5.实验报告部分为主体部分，其中主要填写本人上机过程所调试程序的步骤和程序的执行结果，以及自己的实验体会和收获。 6.最后要填写上自己所在的班级、姓名、学号。 7.实验报告要自

9、己独立填写完成，字迹要工整，并注意保存好，按照教师规定日期准时提交，作为平时成绩的重要依据和期末考试的参考。(三)移位运算实验一实验目的验证移位控制的组合功能。二预习内容 掌握ALU及移位寄存器的功能。三实验设备与环境CCT-IV计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。四实验内容1实验原理移位运算实验原理如图l一5所示，使用了一片74LS299作为移位发生器，其输入输出端以排针方式和总线单元连接。299一B信号控制其使能端，T4时序为其时钟脉冲，实验时将“WR UNIT”中的T4接至“STATE UNIT”中的KK2单脉冲发生器， 由S0Sl M控制信号控制其功能状态，其列表如下：299一B

10、S1S0M功 能000任 意保持0100循环右移0101带进位循环右移0010循环左移0011带进位循环左移任 意11任 意装数2实验步骤(1)按图16连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。(2)移位操作：置数，具体步骤如下：移位，参照上表改变S0Sl M 299-B的状态，按动微动开关KK2，观察移位结果。五、注意事项1.本次实验内容适用于计划学时数为68。2.上机课时要求必须带本次实验课的指导书以及相关的教材资料。 3.实验指导书每人一份，为平时实验课的依据，注意保管。4.实验指导书仅作为上机时的步骤提要，不能作为唯一的依据，以教材代码和课堂讲授为准。六、填写实验报告要求 1.填写课程名称

11、:网络操作系统，然后填写日期。 2.实验内容为本次实验的题目。 3.课时填写是这样的:如果本次实验课时间为一次课，则填写2；两次则为4，以此类推。 4.成绩一栏和最后的指导教师评语为教师填写。 5.实验报告部分为主体部分，其中主要填写本人上机过程所调试程序的步骤和程序的执行结果，以及自己的实验体会和收获。 6.最后要填写上自己所在的班级、姓名、学号。 7.实验报告要自己独立填写完成，字迹要工整，并注意保存好，按照教师规定日期准时提交，作为平时成绩的重要依据和期末考试的参考。实验二 存储器实验一. 实验目的掌握静态随机存储器RAM工作特性及数据的读写方法。二预习内容了解实验原理图2-1中的各控制

12、信号作用三实验设备CCTIV计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。四实验内容1实验原理 实验所用的半导体静态存储器电路原理如图21所示，实验中的静态存储器由片6116(2K x 8)构成，其数据线接至数据总线，地址线由地址锁存器(74LS273)给出。地址灯AD0-AD7与地址线相连，显示地址线内容。数据开并经一三态门 (74LS245)连至数据总线，分时给出地址和数据。 因地址寄存器为8位，接入6116的地址A7一A0， 而高三位A8一A10接地，所以其实际容量为256字节。6116有三个控制线：CE(片选线)、OE(读线)、WE(写线)。当片选有效(CE=0)时，OE=0时进行读操作，

13、CE=0，WE=1时进行写操作，其写时间与T3脉冲宽度一致。 实验时将T3脉冲接至实验板上时序电路模块的TS3相应插孔中，其脉冲宽度可调， 其它电平控制信号由“SWITCH UNIT”单元的二进制开关模拟，其中SWB为低电平有效，LDAR为高效电平有效。2实验步骤 (1)形成时钟脉信号T3，具体接线方法和操作步骤如下: 接通电源，用示波器接入方波信号源的输出插孔H24，调节电位器W1，使H24端输出实验所期望的频率的方波。 将时序电路模块中的和H23排针相连，CLR置“1”。 在时序电路模块中有两个二进制开关“STOP”和“STEP”。将“STOP”开关置为“RUN”状态、“STEP”开关置为

14、“EXEC”状态时，按动微动开关START，则T3输出连续的方波信号，此时调节电位器W1，用示波器观察，使T3输出实验要求的脉冲信号。当“STOP”开关置为“RUN”状态、“STEP”开关置为“STEP”状态时，每按动一次微动开关START，则T3输出一个单脉冲，其脉冲宽度与连续方式相同。关闭电源。(2) 按图22连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。由于存储器模块内部连线已经接好，因此只需完成实验电路的形成、控制信号模拟开关、时钟脉冲信号T3与存储模块的外部连接。(3)给存储器的00、01、02、03、04地址单元中分别写入数据11、12、13、14、15，具体操作步骤如下： (以向0号单元

15、写入11为例)依次读出第00、01、02、03、04号单元中的内容，观察上述各单元中的内容是否与前面写入的一致。具体操作步骤如下：(以从0号单元读出11数据为例)五、注意事项1.本次实验内容适用于计划学时数为68。2.上机课时要求必须带本次实验课的指导书以及相关的教材资料。 3.实验指导书每人一份，为平时实验课的依据，注意保管。4.实验指导书仅作为上机时的步骤提要，不能作为唯一的依据，以教材代码和课堂讲授为准。六、填写实验报告要求 1.填写课程名称:网络操作系统，然后填写日期。 2.实验内容为本次实验的题目。 3.课时填写是这样的:如果本次实验课时间为一次课，则填写2；两次则为4，以此类推。

16、4.成绩一栏和最后的指导教师评语为教师填写。 5.实验报告部分为主体部分，其中主要填写本人上机过程所调试程序的步骤和程序的执行结果，以及自己的实验体会和收获。 6.最后要填写上自己所在的班级、姓名、学号。 7.实验报告要自己独立填写完成，字迹要工整，并注意保存好，按照教师规定日期准时提交，作为平时成绩的重要依据和期末考试的参考。实验三 微控制器实验一实验目的 1掌握时序产生器的组成原理。2掌握微程序控制器的组成原理。3掌握微程序的编制、写入，观察微程序的运行。二预习内容 掌握微程序控制器的基本原理及执行过程二实验设备与环境CCTIV计算机组成原理教学实验系统一台。三实验内容1实验原理 实验所用

17、的时序电路原理如图3-1所示，可产生4个等间隔的时序信号TSl-TS4，其中为时钟信号，由实验台左上方的方波信号源提供，可产生频率及脉宽可调的方波信号。学生可根据实验自行选择方波信号的频率及脉宽。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TSlTS4信号输出可控。图中STEP(单步)、STOP(停机)分别是来自实验板上方中部的两个二进制开关STEP、 STOP的模拟信号。当STEP开关为0时 (EXEC)，一旦按下启动键，运行触发器Cr一直处于“1”状态，因此时序信号TSlTS4将周而复始地发送出去。当STEP为1(STEP)时， 一旦按下启动键，机器便处于单步

18、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STOP开关置“1” (STOP)，也会使机器停机。 由于时序电路的内部线路已经连好，所以只需将时序电路与方波信号源连接 (即将时序电路的时钟脉冲输入端由接至方波信号发生器输出端H23)，时序电路的CLR已接至实验板左下方的CLR模拟开关上。2微程序控制电路与微指令格式 (1)微程序控制电路 微程序控制器的组成见图32， 其中控制存储器采用3片2816的E2PROM，具有掉电保护功能，微命令寄存器18位，用两片8D触发器(273)和一片

19、4D(175)触发器组成。微地址寄存器6位，用三片正沿触发的双D触发器(74)组成。 它们带有清“0”端和预置端。在不判别测试的情况下，T2时刻打入微地址寄存器的内容即为下一条微指令地址。当T4时刻进行测试判别时，转移逻辑满足条件后输出的负脉冲通过强置端将某一触发器置为“1”状态，完成地址修改。在该实验电路中设有一个编程开关(位于实验板右上方)，它具有三种状态： PROM(编程)、READ(校验)、RUN(运行)。 当处于“编程状态”时，学生可根据微地址和微指令格式将微指令二进制代码写入到控制存储器2816中。当处于“校验状态”时，可以对写入控制存储器中的二进制代码进行验证，从而可以判断写入的

20、二进制代码是否正确。 当处于“运行状态”时，只要给出微程序的入口微地址，则可根据微程序流程图自动执行微程序。图中微地址寄存器输出端增加了一组三态门，目的是隔离触发器的输出，增加抗于扰能力， 并用来驱动微地址显示灯。 (2)微指令格式微指令长共24位，其控制位顺序如下：其中UA5-UA0为6位的后续微地址，A、B、C三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位。C字段中的P(1)P(4)是四个测试字位。其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码，使微程序转入相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行，其原理如图3一3所示，图中I7一I2为指令寄存器的第72位输出，SE5SEl为微控器单元微

21、地址锁存器的强置端输出。AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位，其为零有效。B字段中的RSB、ROB、RI-B分别为源寄存器选通信号、目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号， 其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1及R2的选通译码，其原理如图34，图中I0一I4为指令寄存器的第04位，LDRi打入工作寄存器信号的译码器使能控制位。3 实验步骤 (1)图35为几条机器指令对应的参考微程序流程图， 将全部微程序按微指令格式变成二进制代码， 可得到表32的二进制代码表。(2)按图36连接实验线路， 仔细查线无误后接通源。(3) 观测时序信号 用双踪示波器(或用PC示波器功能)观察方波

22、信号源的输出， 时序电路中的 “STOP”开关置为“RUN”、“STEP”开关置为“EXEC”。按动START按键，从示波器上可观察到TSl、TS2、TS3，TS4各点的波形，比较它们的相互关系，画出其波形， 并标注测量所得的脉冲宽度，见图37。 (4) 观察微程序控制器的工作原理： 编程 A将编程开关置为PROM(编程)状态。 B将实验板上“STATE UNIT”中的“STEP”置为“STEP”， “STOP”置为“RUN”状态。 C用二进制模拟开关置微地址MA5MA0。 D在MK24-MKl开关上置微代码，24位开关对应24位显示灯，开关量为“0”时灯亮，开关量为“1”时灯灭。 E启动时序

23、电路(按动启动按钮“START”)，即将微代码写入到E2PROM 2816的相应地址对应的单元中。 F重复CE步骤， 将表32的微代码写入2816。 校验 A将编程开关设置为READ(校验)状态。 B将实验板的STEP开关置为STEP状态，STOP开关置为RUN状态。 C用二进制开关置好微地址MA5一MA0。 D按动“START键，启动时序电路，读出微代码，观察显示灯MD24-MDl的状态(灯亮为“0”， 灭为“1”)，检查读出的微代码是否与写入的相同。如果不同，则将开关置于PROM编程状态，重新执行即可。 单步运行 A将编程开关置于“RUN(运行)”状态。 B实验板的“STEP”及“STOP

24、开关保持原状。 C操作CLR开关(拨动开关在实验板右下角)使CLR信号l0l。微地址寄存器MA5一MA0清零，从而明确本机的运行入口微地址为000000(二进制)。 D按动“START”键，启动时序电路，则每按动一次启动键，读出一条微指令后停机，此时实验台上的微地址显示灯和微命令显示灯将显示所读出的一条指令。注意：在当前条件下，可将MICRO-CONTROLLER”单元的SE6-SE1接至SWITCH UNIT中的S3一Cn对应二进制开关上，可通过强置端SE1一SE6人为设置分支地址。将SEl一SE6对应二进制开关量为“1”， 当需要人为设置分支地址时，将某个或几个二进制开关置为“0”，相应的

25、微地址位即被强置为“1”，从而改变下一条微指令的地址。 (二进制开关置为“0”。相应的微地址位将被强置为“1”) 连续运行 A将编程开关置为“RUN(运行)”状态。 B将实验板的单步开关“STEP”置为“EXEC状态。 C使CLR从101，此时微地址寄存器清“0”，从而给出取指微指令的入口地址为000000(二进制)。 D启动时序电路，则可连续读出微指令。4设计一个微程序实现下列指令的功能。R0,R1,R2为寄存器。R0,R1中的数据可以手动拨入。R0+R1-R2R0-R1-R1R1+R2-R2 五、注意事项1.本次实验内容适用于计划学时数为68。2.上机课时要求必须带本次实验课的指导书以及相

26、关的教材资料。 3.实验指导书每人一份，为平时实验课的依据，注意保管。4.实验指导书仅作为上机时的步骤提要，不能作为唯一的依据，以教材代码和课堂讲授为准。六、填写实验报告要求 1.填写课程名称:网络操作系统，然后填写日期。 2.实验内容为本次实验的题目。 3.课时填写是这样的:如果本次实验课时间为一次课，则填写2；两次则为4，以此类推。 4.成绩一栏和最后的指导教师评语为教师填写。 5.实验报告部分为主体部分，其中主要填写本人上机过程所调试程序的步骤和程序的执行结果，以及自己的实验体会和收获。 6.最后要填写上自己所在的班级、姓名、学号。 7.实验报告要自己独立填写完成，字迹要工整，并注意保存好，按照教师规定日期准时提交，作为平时成绩的重要依据和期末考试的参考。