计算机组成原理实验报告.doc

福建农林大学金山学院信息工程类实验报告系： 电子信息系 专业： 计算机科学与技术 年级： 2008级 姓名： 学号： 实验课程： 计算机组成原理 实验室号：_田家炳404 实验设备号： B1 实验时间： 2010-4-26 指导教师签字： 成绩： 实验一 算术逻辑运算实验1实验目的和要求1、掌握简单运算器的组成以及数据传送通路。2、验证运算功能发生器（74LS181）的组合功能。2实验原理 实验中所用的运算器数据通路如图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。运算器的两个数据输入端分别由两个锁存器（74LS273）锁存，锁存器的输入连至数据总线，数据输入开关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。运算器的输出经过一个三态门（74LS245）和数据总线相连。数据显示灯已和数据总线相连，用来显示数据总线内容。图1-l 运算器数据通路图图1-2中已将实验需要连接的控制信号用箭头标明（其他实验相同，不再说明）。其中除T4为脉冲信号，其它均为电平控制信号。实验电路中的控制时序信号均已内部连至相应时序信号引出端，进行实验时，还需将S3、S2、S1、S0、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU_G、SW_G各电平控制信号与开关单元中的二进制数据开关进行跳线连接,其中ALU_G、SW_G为低电平有效，LDDR1、LDDR2为高电平有效。按动微动开关START，即可获得实验所需的单脉冲。3主要仪器设备（实验用的软硬件环境）1、ZY15CompSys12BB 计算机组成原理及系统结构教学实验箱一台2、排线若干4操作方法与实验步骤l、按图1-2连接实验线路，仔细检查无误后，接通电源。（图中箭头表示需要接线的地方，接总线和控制信号时要注意高低位一一对应，可用彩排线的颜色来进行区分）图1-2 算术逻辑运算实验接线图2、 用输入单元的二进制数据开关向寄存器DR1和DR2置数，数据开关的内容可以用与开关对应的指示灯来观察，灯亮表示开关量为“1”，灯灭表示开关量为“0”。以向DR1中置入11000001（C1H）和向DR2中置入01000011（43H）为例，具体操作步骤如下：首先使各个控制电平的初始状态为：CLR=1，LDDR1=0，LDDR2=0，ALU_G=1，SW_G=1，S3 S2 S1 S0 M CN=111111，并将控制台单元的开关SP05打在“NORM”状态，然后按下图所示步骤进行。上面方括号中的控制电平变化要按照从上到下的顺序来进行，其中T4的正脉冲是通过按动一次控制台单元的触动开关START来产生的。置数完成以后，检验DR1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_G=1），打开ALU输出三态门（ALU_G=0），使ALU单元的输出结果进入总线。当设置S3、S2、S1、S0、M、CN的状态为111111时，数据单元的指示灯显示DR1中的数；而设置成101011时，数据单元的指示灯显示DR2中的数，然后将指示灯的显示值与输入的数据进行对比。3、 验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能（采用正逻辑）74LS181的功能见表1-1，可以通过改变S3 S2 S1 S0 M CN的组合来实现不同的功能，表中“A”和“B”分别表示参与运算的两个数，“+”表示逻辑或，“加”表示算术求和。表1-1 74LS181功能表S3S2S1S0M=0（算术运算）M=1（逻辑运算）CN=1无进位CN=0有进位0000F=F=A加1F=0001F=F=（）加1F=0010F=F=（）加1F=0011F=0减1F=0F=0100F=加F=加加1F=0101F=（）加F=（）加加1F=0110F=减减1F=减F=0111F=减1F=F=1000F=加F=加加1F=1001F=加F=加加1F=1010F=（）加F=（）加加1F=1011F=减1F=F=1100F=加F=加加1F=11101F=（）加F=（）加加1F=1110F=（）加F=（）加加1F=1111F=减1F=F=5实验内容及实验数据记录 通过前面的操作，我们已经向寄存器DR1写入C1H，DR2写入43H，即A=C1H，B=43H。然后改变运算器的控制电平S3 S2 S1 S0 M CN的组合，观察运算器的输出，填入表1-2中，并和理论值进行比较、验证74LS181的功能。表l-2 运算器功能实验表DR1DR2S3S2S1S0M=0（算术运算）M=1（逻辑运算）CN=1无进位CN=0有进位C1430000F=11000001F=11000010F=00111110C1430001F=11000011F=11000100F=00111100C1430010F=11111101F=11111110F=00000010C1430011F=11111111F=00000000F=00000000C1430100F=01000001F=01000010F=10111110C1430101F=01000011F=01000100F=10111100C1430110F=01111101F=01111110F=10000010C1430111F=01111111F=10000000F=10000000C1431000F=00000010F=00000011F=01111111C1431001F=00000100F=00000101F=01111101C1431010F=00111110F=00111111F=01000011C1431011F=01000000F=01000001F=01000001C1431100F=10000010F=10000011F=11111111C1431101F=10000100F=10000101F=11111101C1431110F=10111110F=10111111F=11000011C1431111F=11000000F=11000001F=110000016实验数据处理与分析 实验二 存储器实验1实验目的和要求 1、掌握静态随机存储器RAM工作特性。2、掌握静态随机存储器RAM的数据读写方法。2实验原理 实验所用的半导体静态存储器电路原理如图1-9所示，实验中的静态存储器由一片6116（2KX8）构成，其数据线接至数据总线，地址由地址锁存器（74LS273）给出。地址灯LI01LI08与地址总线相连，显示地址内容。输入单元的数据开关经一三态门（74LS245）连至数据总线，分时给出地址和数据。图1-9 存储器实验原理图地址总线为8位，接入6116的地址A7A0，将6116的高三位A8A10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）。本实验中将OE常接地，在此情况，当CE=0、WE=0时进行写操作，CE=0、WE=1时进行读操作，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相应插针中，其它电平控制信号由开关单元的二进制开关给出，其中SW_G为低电平有效，LDAR为高电平有效。3主要仪器设备（实验用的软硬件环境） 1、ZY15CompSys12BB计算机组成原理及系统结构教学实验箱一台2、排线若干4操作方法与实验步骤1、形成时钟脉冲信号T3，具体接线方法和操作步骤如下：（1） 将信号源单元中的CLOCK和CK，TS3和T3用排线相连。（2） 将信号源单元中的两个二进制开关 “SP03”设置为“RUN”状态、“SP04”设置为“RUN”状态（当“SP03”开关设置为“RUN”状态、“SP04”开关设置为“RUN”状态时，每按动一次触动开关START，则T3的输出为连续的方波信号。当“SP03”开关设置为“STEP”状态、“SP04”开关设置为“RUN”状态时，每按动一次触动开关START，则T3输出一个单脉冲，其脉冲宽度与连续方式相同。）2、按图1-10连接实验线路，仔细检查无误后接通电源。（图中箭头表示需要接线的地方，接总线和控制信号时要注意高低位一一对应，可用彩排线的颜色来进行区分）图1-10 存储器实验接线图3、 给存储器的00、01、02、03、04地址单元中分别写入数据11、22、33、44、55，具体操作步骤如下：（以向00号单元写入11为例）首先使各个控制电平的初始状态为：SW_G=1，CE=1，WE=1，LDAR=0，CLR= l01，并将控制台单元的开关SP05打在“NORM”状态，然后按下图所示步骤进行。图中方括号中的控制电平变化要按照从上到下的顺序来进行，其中T3的正脉冲是通过按动一次控制台单元的触动开关START来产生的，而WE的负脉冲则是通过让开关单元的WE开关做l01变化来产生的。 4、 依次读出第00、01、02、03、04号单元中的内容，在数据总线单元的指示灯上进行显示，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00号单元读出11数据为例） 其中AR的值在地址总线单元的指示灯上显示，RAM相应单元的值在数据总线单元的指示灯上显示。5实验内容及实验数据记录 分别给存储器的00、01、02、03、04地址单元中分别写入数据11、22、33、44、55.按照如上步骤进行，最终存储器输出的结果与先前输入的一样。实验验证成功。6实验数据处理与分析 实验三 总线控制实验1实验目的和要求1、理解总线的概念及其特性。2、掌握总线传输控制特性。2实验原理总线是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路，是构成计算机系统的骨架。借助总线连接，计算机在系统各部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作。因此，所谓总线就是指能为多个功能部件服务的一组公用信息线。地址总线数据总线输入单元地址寄存器寄存器输出单元存储器总线传输实验框图如图1-11所示，它将几种不同的设备挂至总线上，有存储器、输入设备、输出设备、寄存器。这些设备都需要有三态输出控制，按照传输要求恰当有序的控制它们，就可实现总线信息传输。图1-11 总线示意图3主要仪器设备（实验用的软硬件环境）1、ZY15CompSys12BB计算机组成原理及系统结构教学实验箱 一台2、排线 若干4操作方法与实验步骤1、 根据挂在总线上的几个基本部件，设计一个简单的流程：（1）输入设备将一个数写入地址寄存器。（2）输入设备将另一个数写入到存储器的当前地址单元中。（3）将存储器当前地址单元中的数用LED数码管显示。2、 按照图1-12实验接线图进行连线，仔细检查无误后，接通电源。（图中箭头表示需要接线的地方，接总线和控制信号时要注意高低位一一对应，可用彩排线的颜色来进行区分）图1-12 总线控制实验接线图3、 具体操作步骤图示如下：首先使各个控制电平的初始状态为：SW_G=1，CE=1，WE=1，LDAR=0，299_G（LED_G）=1，PC_G（WE）=1，CLR= l01，并将控制台单元的开关SP05打在“NORM”状态，然后按下图所示步骤进行。图中方括号中的控制电平变化要按照从上到下的顺序来进行，其中LDAR的正脉冲是通过让开关单元的LDAR开关做010变化来产生的，而WE和PC_G（WE）的负脉冲则是通过让开关单元的WE和PC_G开关做101变化来产生的。 完成上述操作后，在输出单元的数码管上观察结果。5实验内容及实验数据记录 打开三态门，将数据00000001写入地址寄存器；然后将数据11100111写入存储器RAM，再将RAM中的数据送到LED显示出来。 显示的结果为E7.6实验数据处理与分析 通过输入单元分别输入如下数据，并按步骤顺序置位控制开关，检验输入与输出数据是否相同：顺序输入数据为：输入单元各输入电平为：00000001输入单元各输入电平为：11100111预期输出：数据总线电平指示灯状态为：11100111实际输出：数据总线电平指示灯状态为：11100111分析结果：预期输出与实际输出相一致，说明上述各实验步骤在实现过程中是正确的。7质疑、建议、问题讨论 实验四 微程序控制器的组成与微程序设计实验1实验目的和要求1、掌握微程序控制器的组成原理。2、掌握微程序的编制、写入，观察微程序的运行。3、为整机实验打好基础。2实验原理实验所用的时序电路原理可以参考时序实验。由于时序电路的内部线路已经连好（时序电路的CLR已接到实验板中下方的CLR清零开关上），所以只需将时序电路与方波信号源连接即可。1、 微程序控制电路微程序控制器的组成见图1-16其中控制存储器采用3片2816 E2PR0M，具有掉电保护功能。微命令寄存器18位，用两片8D触发器（74LS273）和一片4D（74LS175）触发器组成。微地址寄存器6位，用三片上升沿触发的双D触发器（74LS74）组成，它们带有清“0”端和置“1”端。在不进行判别测试的情况下，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时刻进行判别测试时，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设置为“1”状态，完成地址修改。在该实验电路中，在控制台单元有一个编程开关SP06，它具有三种状态：WRITE（编程）、READ（校验）、RUN（运行）。当处于“编程状态”时，实验者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74LS245，目的是隔离触发器的输出，增加抗干扰能力，并用来驱动微地址显示灯。2、微指令格式微指令字长24位，其控制位顺序如下：表1-4 微指令结构图微程序242322212019181716151413121110987654321控制信号S3S2S1S0MCNRDM17M16ABPuA5uA4uA3uA2uA1uA0A字段B字段P字段151413控制信号121110控制信号987控制信号000000000001LDRI001RS_G001P1010LDDR1010RD_G010P2011LDDR2011RI_G011P3100LDIR100299_G100P4101LOAD101ALU_G101AR110LDAR110PC_G110LDPCM17M16控制信号00Y001Y110Y211Y3 图1-16 微控制器实验原理图其中uA5一uA0为6位的后续微地址，A、B、P为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位。P字段中的Pl一P4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。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RS_G、RD_G、RI_G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。3主要仪器设备（实验用的软硬件环境）1、ZY15CompSys12BB计算机组成原理及系统结构教学实验系统 一台2、排线 若干4操作方法与实验步骤 1、 图1-17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1-5的二进制代码表。表1-5 微程序时序控制实验二进制代码表微地址S3 S2 S1 S0 M CNRDM17M16 A B P uA5 uA4 uA3 uA2 uA1uA0 0 00000000110000001000100000 10000000111101101100000100 20000000011000000010010000 30000000011100000000001000 40000000010110000000001010 50000000110100010000001100 61001010110011010000000010 70000000011100000000011011 00000000000010000000000011 10000000111101101100000111 20000000111101101100001111 30000000111101101100011101 40000000111101101100101101 50000001010000010000000011 60000000011100000000011111 70000000010100000000101012 00000000111101101100100102 10000000111101101100101002 20000000010100000000101112 30000000110000000000000012 40000000000100000000110002 50000011100001010000000012 60000000011010001100000012 70000011100001010000100003 00000011010001010000100012、 按图1-18接实验线路，仔细检查无误后接通电源。（图中箭头表示需要接线的地方，接控制信号时要注意各信号一一对应，可用彩排线的颜色来进行区分）3、 观察微程序控制器的工作原理：（1）编程A、将控制台单元的编程开关SP06设置为WRITE（编程）状态。B、将实验板上“信号源单元”中的“SP03”设置为“STEP”，“SP04”设置为“RUN”状态。SWITCH UNIT的开关CLR置为高电平。C、用开关单元的二进制模拟开关设置微地址UA5UA0。D、在微控制器单元的开关SM24SM01上设置微代码，24位开关对应24位显示灯，开关量为“1”时灯亮，开关量为“0”时灯灭。E、启动时序电路（按动控制台单元 的“START” 触动开关），即将微代码写入到E2PR0M 28C16的相应地址对应的单元中。F、重复CE步骤，将表1-5的微代码写入28C16。（2）校验A、 将控制台单元的编程开关SP06设置为READ（校验）状态。B、 将实验板“信号源单元”中的“SP03”开关设置为“STEP”状态，“SP04”开关设置为“RUN”状态。C、 用开关单元的二进制开关设置要检验的微地址UA5UA0。D、 按动控制台单元的“START” 触动开关，启动时序电路，读出微代码，观察微控制器单元的显示灯LM24LM01的状态（灯亮为“1”，灭为“0”），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“WRITE”编程状态，重新执行（1）即可。 图1-17 微程序流程图（3）单步运行A、 将控制台单元的编程开关SP06置于“RUN（运行）”状态。B、 将实验板“信号源单元”中的“SP03”开关设置为“STEP”状态，“SP04”开关设置为“RUN”状态。C、 操作开关单元的CLR开关，使CLR信号状态依次为101，将微地址寄存器74LS74（1）74LS74（3）清零，从而明确本机的运行入口微地址为000000（二进制）。D、 按动控制台单元 的“START”触动开关，启动时序电路，则每按动一次“START”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：在当前条件下，将微控制器单元的SE6SE1接至开关单元中的UA5UA0对应二进制开关上，可通过强置端SE6SE1人为设置分支地址。首先将SE6SE1对应二进制开关设置为“1”，当需要人为设置分支地址时，将需要改变的某个或几个二进制开关设置“0”，相应的微地址位即被强置为“1”，从而改变下一条微指令的地址。（二进制开关设置为“0”，相应的微地址位将被强置为“1”）5实验内容及实验数据记录控制场 下地址场微指令寄存器MIR微地址形成电路控存CM 微操作控制信号 微指令 微地址 状态条件 指令操作码 图为：断定方式微程序控制部件示意图A、B、P三个字段的编码方案如下表 A字段B字段P字段 15 14 13选择 12 11 10选择 9 8 7选择 0 0 0LDRi0 0 0RAG0 0 0P1 0 0 1LOAD0 0 1ALU-G0 0 1AR0 1 0LDR20 1 0RCG0 1 0P30 1 10 1 10 1 11 0 0LDR11 0 0RBG1 0 0P21 0 1LAR1 0 1PC-G1 0 1LPC1 1 0LDIR1 1 0299-G1 1 0P4其中的连续的11种指令功能及格式，如下表：名称类型助记符功能 指令格式加法运算指令ADD Rd,RsRd+Rs-Rd0 0 0 0RS1 RS