東北大學計算機組成原理實驗報告.doc

機器號_計算機組成原理 實驗報告專業(yè)班級 姓 名 機器號:學 號E-mail分步成績實驗表現(xiàn)實驗報告總成績實驗一 寄存器及數(shù)據(jù)輸出實驗一、實驗目的1、掌握寄存器器件的工作原理，了解COP2000模型機所用主要寄存器的位置、作用、數(shù)據(jù)通路及控制信號；2、掌握寄存器組的工作原理；3、了解計算機中多個寄存器不能同時向內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送出數(shù)據(jù)的事實COP2000實驗儀選擇某個寄存器（允許其向DBUS上輸出數(shù)據(jù)）的方法。二、實驗原理（一） 寄存器COP2000用74HC574來構(gòu)成寄存器，74HC574的功能如下：1， 在CLK的上升沿將輸入端的數(shù)據(jù)打入到8個觸發(fā)器中。2， 當OC=1時觸發(fā)器的輸出被關(guān)閉，當OC=0時觸發(fā)器輸出數(shù)據(jù)。 74HC574工作波形圖1、累加器A、暫存器W實驗2、地址寄存器MAR、堆棧寄存器ST、輸出寄存器OUT實驗寄存器MAR原理圖 寄存器ST原理圖寄存器OUT原理圖（二）寄存器組寄存器組R原理圖74HC139含有兩個獨立的24譯碼器，其引腳與內(nèi)部邏輯、功能表見實驗指導書。（三）數(shù)據(jù)輸出實驗COP2000實驗儀中有7個寄存器可以向DBUS輸出數(shù)據(jù)，但在某一特定時刻只能有一個寄存器輸出數(shù)據(jù)。由X0、X1、X2控制信號決定那一個寄存器向數(shù)據(jù)總線輸出數(shù)據(jù)，而這三個控制信號為74HC138譯碼器的三個選擇輸入端。74HC138用于選片。數(shù)據(jù)輸出選擇器原理圖X2 X1 X0輸出寄存器0 0 0IN-OE 外部中斷0 0 1IA-OE 中斷向量0 1 0ST-OE 堆棧寄存器0 1 1PC-OE PC寄存器1 0 0D-OE 直通門1 0 1R-OE 右移門1 1 0L-OE 左移門1 1 1沒有輸出三、實驗內(nèi)容1、A、W的寫入按下表連線連接信號孔接入孔1J1座J3座2AENK03WENK14ALUCKCLOCK(1) 將數(shù)據(jù)寫入A寄存器用手動開關(guān)K23K16進行DBUS7：0的數(shù)據(jù)輸入(87)K23K22K21K20K19K18K17K1610000111置控制信號：K0（AEN）K1（WEN）10給CLOCK跳變信號：按住CLOCK脈沖鍵，注意哪個寄存器的黃色指示燈亮起，就是你所選的要寫入的寄存器。放開CLOCK鍵，一個上升沿即產(chǎn)生，觀察寄存器寫入的值。(2) 將數(shù)據(jù)寫入W寄存器置數(shù)據(jù)：K23K22K21K20K19K18K17K1601010101置控制信號：K0（AEN）K1（WEN）01給CLOCK跳變信號，觀察寄存器寫入的值。2、R？的寫入與讀出按下表連接線連接信號孔接入孔1J1座J3座2RRDK113RWRK104SBK15SAK06RCKCLOCK(1) R？的寫入寫入R0：（55H）置數(shù)據(jù)：K23K22K21K20K19K18K17K1601010101置控制信號：K11（RRD）K10（RWR）K1（SB）K0（SA）1000給出CLOCK脈沖上升沿。寫入R1：（57H)置數(shù)據(jù)：K23K22K21K20K19K18K17K1601010111置控制信號：K11（RRD）K10（RWR）K1（SB）K0（SA）1001給出CLOCK脈沖上升沿。(58h)寫入R2：置數(shù)據(jù)：K23K22K21K20K19K18K17K1601011000置控制信號：K11（RRD）K10（RWR）K1（SB）K0（SA）1010給出CLOCK脈沖上升沿。寫入R3：(59h)置數(shù)據(jù)：K23K22K21K20K19K18K17K1601011001置控制信號：K11（RRD）K10（RWR）K1（SB）K0（SA）1011給出CLOCK脈沖上升沿。(2) R？的讀出自己設置RRD、RWR、SB及SA信號，觀察R？的紅色指示燈及液晶顯示內(nèi)容。讀R0：置控制信號：K11（RRD）K10（RWR）K1（SB）K0（SA）0100液晶顯示為：55H讀R1：置控制信號：K11（RRD）K10（RWR）K1（SB）K0（SA）0101液晶顯示為：57H讀R2：置控制信號：K11（RRD）K10（RWR）K1（SB）K0（SA）0110液晶顯示為：58H讀R3：置控制信號：K11（RRD）K10（RWR）K1（SB）K0（SA）0111液晶顯示為：59H3、MAR、ST、OUT寄存器實驗按下表連接線連接信號孔接入孔1J2座J3座2MAROEK143MARENK154STENK125OUTENK136MARCKCLOCK(1) MAR的寫入(55h)置數(shù)據(jù)：K23K22K21K20K19K18K17K1601010101置控制信號：K14（MAROE）K15（MAREN）K12（STEN）K13（OUTEN）0011給出CLOCK脈沖上升沿。(2) ST的寫入(57H)置數(shù)據(jù)：K23K22K21K20K19K18K17K1601010111置控制信號：K14（MAROE）K15（MAREN）K12（STEN）K13（OUTEN）1101給出CLOCK脈沖上升沿。(3) OUT置數(shù)據(jù)：K23K22K21K20K19K18K17K1601010101置控制信號：K14（MAROE）K15（MAREN）K12（STEN）K13（OUTEN）1110給出CLOCK脈沖上升沿。4、數(shù)據(jù)輸出實驗按下表連線連接信號孔接入孔1J1座J3座2X0K03X1K14X2K2置下表的控制信號，寫出指示燈的狀態(tài)：X2 X1 X0指示燈液晶顯示（數(shù)據(jù)總線值）0 0 0IN輸入門（K23K16）0 0 1IA中斷向量（由撥動開關(guān)給出）0 1 0ST堆棧寄存器0 1 1PCPC寄存器1 0 0DD直通門1 0 1RR右移門1 1 0LL左移門1 1 1IR沒有輸出 實驗二 計數(shù)器實驗一、實驗目的1、掌握程序計數(shù)器PC和微程序計數(shù)器PC的工作原理；2、掌握COP2000中需要對PC進行置數(shù)的條件；二、實驗原理（一）微程序計數(shù)器PCCOP2000實驗儀中，微程序計數(shù)器uPC由2片74HC161組成的。指令總線IBUS7：0的高六位被接到PC預置輸入的高六位，PC預置的低兩位被置為0。兩片161的連接為同步連接。低片161的CEP、CET已置為有效，而其進位輸出端TC接至高片161的CEP、CET。PC原理圖當RES=0時，PC被清0；當IREN=0時，在CK的上升沿，預置數(shù)據(jù)被打入PC。指令總線（IBUS）上的數(shù)據(jù)可來自一片74HC245。當IREN=1時，在CK的上升沿，PC加1。（二）程序計數(shù)器PC 程序計數(shù)器PC由2片74HC161組成，能完成加1和預置數(shù)功能。程序計數(shù)器的輸出由74HC245保存，74HC245與74HC161的輸出相連，74HC245（2）的輸出連接地址總線，74HC245（1）的輸出接到數(shù)據(jù)總線（當LDPC=0時）。程序計數(shù)器原理圖 當指令正常執(zhí)行時，程序計數(shù)器完成加1操作；當執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時，74HC161用預置數(shù)功能，從數(shù)據(jù)總線接收要跳轉(zhuǎn)的地址。當RES=0時，PC計數(shù)器被清0。當PC+1=1時，在CK的上升沿，PC計數(shù)器加一；當LDPC=0時，在CK的上升沿，預置數(shù)據(jù)被打入PC計數(shù)器；當PCOE=0時，PC值送地址總線。在COP2000中，計數(shù)允許控制端PC+1由PCOE取反產(chǎn)生。PC跳轉(zhuǎn)控制電路原理：在COP2000中，虛擬一片74HC151器件（做在控制芯片CPLD95108中）來決定PC是否被預置。74HC151為八選一數(shù)據(jù)選擇器，其真值表及工作原理如下圖所示。 PC預置控制原理圖 當ELP=1時，LDPC=1，不允許PC被預置；當ELP=0，IR3=0，IR2=0時，且Cy=1時，LDPC=非Cy，當PC被預置；當ELP=0，IR3=0，IR2=1時，且Z=1時，LDPC=非Z，當PC被預置；當ELP=0，IR3=1，IR2=X時，LDPC=0，PC被預置。三、實驗內(nèi)容（一）PC實驗1、PC加一實驗連接線表連接信號孔接入孔作用有效電平1J2座J3座將K23K16接入DBUS7：02JRCK0C標志輸入3JRZK1Z標志輸入4PCOE K2PC輸出到地址總線低電平有效5JIR2K3預置選擇6JIR3K4預置選擇7ELPK5預置允許低電平有效8PCCKCLOCKPC工作脈沖上升沿打入置控制信號為：K2（PCOE）K5（ELP）00按一次CLOCK脈沖鍵，CLOCK產(chǎn)生一個上升沿，數(shù)據(jù)PC被加一。2、PC預置實驗二進制開關(guān)K23K16置入數(shù)據(jù)：K23K22K21K20K19K18K17K1601010101置控制信號為：ELP（K5）IR3（K4）IR2（K3）JRZ（K1）JRC（K0）LDPCPC預置指示燈狀態(tài)1XXXX1N000X10Y000X01N0011X0Y0010X1N01XXX0Y每置控制信號后，按一下CLOCK鍵，觀察PC的變化。注意：X表示為任意值（二）PC實驗按下表所示連線連接信號孔接入孔作用有效電平1J2座J3座將K23K16接入DBUS702IRENK0預置PC低電平有效3EMENK1EM存儲器工作使能低電平有效4EMWRK2EM存儲器寫能低電平有效5EMRDK3EM存儲器讀能低電平有效6IRCKCLOCKPC工作脈沖上升沿打入1、PC加一實驗設置控制信號為：K3(EMRD)K2(EMWR)K1(EMEN)K0(IREN)0001按一次CLOCK一次，CLOCK產(chǎn)生一個上升沿，PC的輸出數(shù)據(jù)被加一。2、PC預置數(shù)據(jù)實驗用二進制開關(guān)K23K16將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線（DBUS），置數(shù)據(jù)57HK23K22K21K20K19K18K17K1601010111設置控制信號為：K3(EMRD)K2(EMWR)K1(EMEN)K0(IREN)0000 按住CLOCK鍵，CLOCK由高變低，這時PC的黃色預置指示燈亮，表明PC被預置數(shù)。放開CLOCK鍵，CLOCK產(chǎn)生下降沿，數(shù)據(jù)?H被寫入PC寄存器。四、思考題寄存器1、 AEN、WEN同時為高電平或同時為低電平時，給出CLOCK上升沿，會有什么結(jié)果？并解釋之 答：AEN、WEN同為低電平時AW寄存器同時寫入數(shù)據(jù)，AEN、WEN同時為高電平時，AW寄存器都不寫入數(shù)據(jù)。由圖可知AENWEN分別與CK相連進行或運算，CLOCK上升沿時同進同不進。2、 寄存器組的數(shù)據(jù)讀出與CLOCK脈沖是否有關(guān)系？由此說明寄存器的數(shù)據(jù)打入與讀出在控制上的差別。 答： 無關(guān)寄存器輸入需要CLOCK提供上升沿信號，而讀出不需要，因為OC始終接地為低電平有效。3、 總結(jié)寄存器部分實驗有多少個控制信號，并寫出其作用。 答：答：AEN、WEN為寄存器A、W寫入控制信號，低有效。RRD、RWR為寄存器組寫入讀出控制信號，1、0代表寫入，0、1代表讀出。SB、SA為寄存器組選定信號，00-R0、01-R1、10-R2、11-R3。MAROE、MAREN、STEN、OUTEN為MAR、ST、OUT寄存器控制信號。MAROE：控制MAR內(nèi)容是否輸出到ABUS。 MAREN、STEN、OUTEN分別控制DBUS中數(shù)據(jù)寫入寄存器的選定。011-MAR、101-ST、110-OUT。計數(shù)器1、 請敘述程序計數(shù)器PC、微程序計數(shù)器PC工作原理，兩者在預置條件上有何區(qū)別？ 答：程序計數(shù)器PC工作原理如下：程序計數(shù)器是包含當前正在執(zhí)行的指令的地址，當某個指令被獲取，程序計數(shù)器的存儲地址加一，指向順序中的下一個指令。在程序開始執(zhí)行前，必須將它的起始地址，即第一條指令所在的內(nèi)存單元地址送入程序計數(shù)器。當執(zhí)行指令時，處理器將自動修改PC的內(nèi)容，即每執(zhí)行一條指令PC增加一個量，這個量等于指令所含的字節(jié)數(shù)，以便使其保持的總是將要執(zhí)行的下一條指令的地址。由于大多數(shù)指令都是按順序來執(zhí)行的，所以修改的過程通常只是簡單的對PC加1，但是，當遇到轉(zhuǎn)移指令如JMP指令時，后繼指令的地址必須從指令寄存器中的地址字段取得。在這種情況下，下一條從內(nèi)存取出的指令將由轉(zhuǎn)移指令來規(guī)定，而不像通常一樣按順序來取得。微程序計數(shù)器PC工作原理如下：一般情況下，由PC+1來指向下條微指令在控存中的地址，只有遇到轉(zhuǎn)移類微指令才會改變PC的內(nèi)容以實現(xiàn)微程序的轉(zhuǎn)移。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是微指令的字長有效縮短，從而可減少控制存儲器的容量。兩者在預置條件上的區(qū)別如下：（1）對于PC，當RES=0時，PC被清0；當IREN=0時，在CK的上升沿，預置數(shù)據(jù)被打入PC。指令總線（IBUS）上的數(shù)據(jù)可來自一片74HC245。當IREN=1時，在CK的上升沿，PC加1。（2）對于PC，當ELP=1時，LDPC=1，不允許PC被預置；當ELP=0，IR3=0，IR2=0時，且Cy=1時，LDPC=非Cy，當PC被預置；當ELP=0，IR3=0，IR2=1時，且Z=1時，LDPC=非Z，當PC被預置；當ELP=0，IR3=1，IR2=X時，LDPC=0，PC被預置。2、 在程序計數(shù)器PC中ELP控制信號的作用；設置什么控制信號可實現(xiàn)PC計數(shù)操作？ 答：設置什么控制信號可實現(xiàn)PC計數(shù)操作：ELP=1，不允許PC被預置，ELP=0，允許PC被預置。3、