计算机组成原理实验.doc

计算机组成原理实验指导实验一　运算器部件实验一、实验目的⒈ 掌握简单运算器的数据传输方式⒉ 验证运算功能发生器(74LS181)及进位控制的组合功能二、实验要求完成不带进位及带进位算术运算实验、逻辑运算实验，了解算术逻辑运算单元的运用三、实验原理实验中所用的运算器数据通路如图2-1-1所示其中运算器由两片74LS181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)以8芯扁平线方式和数据总线相连，运算器的2个数据输入端分别由二个锁存器(74LS273)锁存，锁存器的输入亦以8芯扁平线方式与数据总线相连，数据开关(INPUT DEVICE)用来给出参与运算的数据，经一三态门(74LS245)以8芯扁平线方式和数据总线相连，数据显示灯(BUS UNIT)已和数据总线相连，用来显示数据总线内容图2-1-1　运算器电原理图图2-1-1中T2、T4为时序电路产生的节拍脉冲信号，通过连接时序启停单元时钟信号“”来获得，剩余均为电平控制信号进行实验时，首先按动位于本实验装置右中侧的复位按钮使系统进入初始待令状态，在LED显示器闪动位出现“P.”的状态下，按【增址】命令键使LED显示器自左向右第4位切换到提示符“L”，表示本装置已进入手动单元实验状态，在该状态下按动【单步】命令键，即可获得实验所需的单脉冲信号，而LDDR1、LDDR2、ALU-B、SW-B、S3、S2、S1、S0、CN、M各电平控制信号用位于LED显示器上方的26位二进制开关来模拟，均为高电平有效。

四、实验连线 图2-1-2　实验连线示意图按图2-1-2所示，连接实验电路：① 总线接口连接：用8芯扁平线连接图2-1-2中所有标明“”或“”图案的总线接口② 控制线与时钟信号“”连接：用双头实验导线连接图2-1-2中所有标明“”或“”图案的插孔（注：Dais-CMH的时钟信号已作内部连接）五、实验系统工作状态设定在闪动的“P.”状态下按动【增址】命令键，使LED显示器自左向右第4位显示提示符“L”，表示本装置已进入手动单元实验状态在“L”状态下，如图2-1-3所示系统用位于实验系统“ 二进制开关单元”的26只拨动开关来模拟与微控制器相对应的控制信号用手动加载正逻辑控制电平（即高电平信号“H”）和按【单步】命令键产生的单周期4拍时序信号T1、T2、T3、T4的方法来实现和完成各单元实验所需的控制信号操作图2-1-3　二进制开关模拟控制原理图六、手动实验提示（一）初始化操作一旦进入“L”状态，首先应把“ 二进制开关单元”的26只模拟开关拨至下方（即低电平信号“L”），使26只微控制状态指示灯处“暗”，然后按【单步】命令键关闭全部控制信号锁存输出位，用手动方法完成微控制器的初始清零操作在“L”状态下直接按【复位】按钮亦可完成微控制器的初始清零操作。

二）控制信号的打入方法⑴ 有效状态的特征：本系统提供的是“正逻辑”控制电路，通常情况下把高电平“H”定义为有效状态，以点亮发光二极管为标志⑵ 有效状态的建立：结合实验项目，按实验要求把相关的二进制开关拨向上方，点亮对应的发光二极管⑶ 有效状态的控制：在建立有效状态的基础上，按【单步】命令键单次启动时序节拍信号T1、T2、T3、T4，模型机按时序要求在相关时刻发出控制信号，以手动方式实现相关单元实验三）总线输入/输出约定⑴ 输入约定对于计算机各部件的数据输出必须通过数据总线来完成，为了避免总线冲突与竞争，模型机规定在同一机器周期内只能允许一个部件的数据占用总线结合手动控制列举如下约定：① 数据开关送总线：令SW-B=1，CBA=000，CE=0② 存储器内容送总线：令CE=1，SW-B=0，CBA=000③ 其它部件送总线：令CBA=001~111，SW-B=0，CE=0⑵ 输出共享对于计算机各部件的数据输入可共享总线内容，即在同一机器周期内允许把当前数据同时送2个以上部件单元，结合手动控制举例如下：例：把数据开关的内容送通用寄存器R0、运算寄存器DR1、地址寄存器AR、指令寄存器IR，令SW-B=1，LDR0=1，LDDR1=1，LDAR=1，LDIR=1，然后按【单步】命令键即可实现总线数据共享。

七、实验内容（一）算术运算实验⑴ 写操作（置数操作）拨动二进制数据开关向DR1和DR2寄存器置数，具体操作步骤如下： 注：【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍单周期脉冲 图2-1-4　寄存器置数操作步骤 ⑵ 读操作（运算寄存器内容送总线）首先关闭数据输入三态控制端(SW-B=0)，存储器控制端CE保持为0，令LDDR1=0、LDDR2=0，然后打开ALU输出三态门(CBA=010)，置M、S0、S1、S2、S3为11111，再按【单步】键，数据总线单元显示DR1的内容，若把M、S0、S1、S2、S3置为10101，再按【单步】键，数据总线单元显示DR2的内容⑶ 算术运算（不带进位加）置CBA=010，CN、M、S0、S1、S2、S3状态为101001，按【单步】键，此时数据总线单元应显示00001100（0CH） （二）进位控制实验进位控制运算器的实验原理如实验四图2-4-1所示，其中181的进位位进入74LS74锁存器D端，该端的状态锁存受AR和T4信号控制，其中AR为进位位允许信号，高电平有效；T4为时序脉冲信号，当AR=1时在T4节拍将本次运算的进位结果锁存到进位锁存器中，实现带进位控制实验。

⑴ 进位位清零操作在“L”状态下，按动【复位】按钮，进位标志灯CY“灭”，实现对进位位的清零操作当进位标志灯“亮”时，表示CY=1）⑵ 用二进制数据开关向DR1和DR2寄存器置数首先关闭ALU输出三态门(CBA=000)、CE=0，开启输入三态门(SW-B=1)，设置数据开关，向DR1存入01010101(55H)，向DR2存入10101010(AAH)操作步骤如下：注：【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍单周期脉冲 图2-1-5　寄存器置数操作步骤⑶ 验证带进位运算的进位锁存功能关闭数据输入三态门(SW-B=0)、CE=0，使CBA=010，AR=1，置CN、M、S0、S1、S2、S3的状态为101001，按【单步】键，此时数据总线单元显示的数据为DR1加DR2，若进位标志灯CY“亮”，表示有进位；反之无进位三）逻辑运算实验⑴ 写操作（置数操作）拨动二进制数据开关向DR1和DR2寄存器置数，具体操作步骤如下： 注：【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍单周期脉冲 图2-1-6　寄存器置数操作步骤⑵ 读操作（运算寄存器内容送总线）首先关闭数据输入三态控制端(SW-B=0)，存储器控制端CE保持为0，令LDDR1=0、LDDR2=0，然后打开ALU输出三态门(CBA=010)，置M、S0、S1、S2、S3为11111，再按【单步】键，数据总线单元显示DR1的内容，若把M、S0、S1、S2、S3置为10101，再按【单步】键，数据总线单元显示DR2的内容。

⑶ 逻辑或非运算逻辑或非运算的方法是置CBA=010，M、S0、S1、S2、S3状态为11000，按【单步】键，此时数据总线单元应显示00011000（18H） 注：①加法运算时，CY=1表示运算结果有进位，CY=0表示运算结果无进位；减法运算时，CY=1表示运算结果无借位，CY=0表示运算结果有借位实验二　移位寄存器实验一、实验目的⒈ 了解移位寄存器的硬件电路，验证移位控制与寄存的组合功能⒉ 利用寄存器进行数据传输二、实验要求实现寄存器移位操作，了解通用寄存器的运用三、实验原理图2-2-1　带进位移位寄存器电原理图上图所示，使用了一片74LS299作为移位发生器，其中8位输入／输出端以8芯扁平线连接形式和总线接口连接299-B信号控制其使能端（0有效），T4为时序节拍脉冲，实验时按【单步】命令键产生由S0 、S1、M 控制信号设置其运行状态，其控制特性列表如下：表2-2-1299-BS1S0M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任意装数说明：令CBA=011时表中299-B=0四、实验连线 图2-2-2　实验连线示意图按图2-2-2所示，连接实验电路：① 总线接口连接：用8芯扁平线连接图2-2-2中所有标明“”或“”图案的总线接口。

② 控制线与时钟信号“”连接：用双头实验导线连接图2-2-2中所有标明“”或“”图案的插孔（注：Dais-CMH的时钟信号已作内部连接）五、实验内容（一）移位寄存器置数首先置CBA=000，然后按下面所列流程图操作：注：【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍单周期脉冲（二）寄存器移位首先置CBA=011(299-B=0)、SW-B=0、CE=0，然后参照表7-2-1改变S0、S1、M的状态，按动【单步】命令键观察移位结果三）移位结果的寄存把移位寄存器移位后的内容寄存到通用寄存器（以R0为例），首先按图7-2-2所示连接实验电路在移位操作后保持CBA=011（即299-B=0）、置S0=0、S1=0，令LDR0=1，再按动【单步】命令键即可完成移位结果保存到通用寄存器R0的操作四）移位结果的读出置CBA=100、SW-B=0、CE=0，按【单步】键，数据总线单元显示R0寄存器的内容，该内容应与移位寄存器的内容一致实验三　通用寄存器实验一、实验目的⒈ 熟悉通用寄存器概念⒉ 熟悉通用寄存器的组成和硬件电路二、实验要求完成3个通用寄存器的数据写入与读出三、实验原理实验中所用的通用寄存器数据通路如图2-3-1所示。

由三片8位字长的74LS374组成R0、R1、R2寄存器组成三个寄存器的输入接口用一8芯扁平线连至BUS总线接口，而三个寄存器的输出接口用一8芯扁平线连至BUS总线接口图中R0-B、R1-B、R2-B经CBA二进制控制开关译码产生数据输出选通信号（详见表2-3-1），LDR0、LDR1、LDR2为数据写入允许信号，由二进制控制开关模拟，均为高电平有效；T4信号为寄存器数据写入脉冲，上升沿有效在手动实验状态（即“L”状态）每按动一次【单步】命令键，产生一次T4信号图2-3-1　通用寄存器单元电路表2-3-1　通用寄存器单元选通真值表CBA选择100R0-B101R1-B110R2-B四、实验连线　　图2-3-2　实验连线示意图按图2-2-2所示，连接实验电路：① 总线接口连接：用8芯扁平线连接图2-3-2中所有标明“”或“”图案的总线接口② 控制线与时钟信号“”连接：用双头实验导线连接图2-3-2中所有标明“”或“”图案的插孔（注：Dais-CMH的时钟信号已作内部连接）五、实验内容（一）通用寄存器的写入拨动二进制。