《計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書實(shí)驗(yàn)1 運(yùn)算器組成實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)序號：1 實(shí)驗(yàn)名稱：運(yùn)算器組成實(shí)驗(yàn)適用專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 學(xué) 時 數(shù)：4學(xué)時一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 掌握簡單運(yùn)算器的數(shù)據(jù)傳送通路。2、 驗(yàn)證運(yùn)算功能發(fā)生器（74LS181）的組合功能。二、 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)中所用的運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路如圖1-1所示。其中運(yùn)算器由兩片74LS181以并/串形式構(gòu)成8位字長的ALU。運(yùn)算器經(jīng)過一個三態(tài)門（74LS245）和數(shù)據(jù)總線相連，運(yùn)算器的兩個數(shù)據(jù)輸入端分別由二個鎖存器（74LS373）鎖存，鎖存器的輸入連至數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)開關(guān)（“INPUT DEVICE”）用來給出參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)，并經(jīng)過一三態(tài)門（74LS245

2、）和數(shù)據(jù)總線相連，數(shù)據(jù)顯示燈（“BUS UNIT”）已和數(shù)據(jù)總線相連，用來顯示數(shù)據(jù)總線內(nèi)容。圖11 運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路圖中已將用戶需要連接的控制信號用圓圈標(biāo)明（其他實(shí)驗(yàn)相同，不再說明），其中除T4為脈沖信號，其他均為電平信號。由于實(shí)驗(yàn)電路中的時序信號均已連至“W/R UNIT”的相應(yīng)時序信號引出端，因此，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，只需將“W/R UNIT”的T4接至“STATE UNIT”的微動開關(guān)KK2的輸出端，按動微動開關(guān)，即可獲得實(shí)驗(yàn)所需的單脈沖，而S3、S2、S1、S0、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU-B、SW-B各電平控制信號用“SWITCH UNIT”中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)開關(guān)來模擬，其中Cn、

3、ALU-B、SW-B為低電平有效，LDDR1、LDDR2為高電平有效。三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 按照圖1-2連接實(shí)驗(yàn)線路，仔細(xì)查線無誤后，接通電源。圖12 實(shí)驗(yàn)連接圖2、 用二進(jìn)制數(shù)碼開關(guān)向DR1和DR2寄存器置數(shù)。具體操作步驟圖示如下：數(shù)據(jù)開關(guān)(10100111)寄存器DR1(01100101)寄存器DR2(10100111)三態(tài)門數(shù)據(jù)開關(guān)(01100101)ALU-B=1SW-B=0LDDR1=0LDDR2=1T4=LDDR1=1LDDR2=0T4=檢驗(yàn)DR1和DR2中存的數(shù)據(jù)是否正確，具體操作為：關(guān)閉數(shù)據(jù)輸入三態(tài)門（SW-B1），打開ALU輸出三態(tài)門（ALU-B0），當(dāng)置S3、S2、S1、S0

4、、M為11111時，總線指示燈顯示DR1中的數(shù)，而置成10101時總線指示燈顯示DR2中的數(shù)。3、 驗(yàn)證74LS181的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算功能（采用正邏輯） 在給定DR165、DR2A7的情況下，改變運(yùn)算器的功能設(shè)置，觀察運(yùn)算器的輸出，填入下表1-1中，并和理論分析進(jìn)行比較、驗(yàn)證。表11DR1DR2S3 S2 S1 S0M=0（算術(shù)運(yùn)算）M=1（邏輯運(yùn)算）Cn=1無進(jìn)位Cn=0有進(jìn)位65A70 0 0 0F=(65)F=(66)F=(9A)65A70 0 0 1F=(E7)F=(E8)F=(18)65A70 0 1 0F=(7D)F=(7E)F=(82)0 0 1 1F=( )F=( )F=(

5、 )0 1 0 0F=( )F=( )F=( )0 1 0 1F=( )F=( )F=( )0 1 1 0F=( )F=( )F=( )0 1 1 1F=( )F=( )F=( )1 0 0 0F=( )F=( )F=( )1 0 0 1F=( )F=( )F=( )1 0 1 0F=( )F=( )F=( )1 0 1 1F=( )F=( )F=( )1 1 0 0F=( )F=( )F=( )1 1 0 1F=( )F=( )F=( )1 1 1 0F=( )F=( )F=( )1 1 1 1F=( )F=( )F=( )四、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備TDN-CM+計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一臺，排線若干

6、。五、 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)要求1、 復(fù)習(xí)運(yùn)算器的基本組成與工作原理。2、 掌握74LS181的工作原理。六、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、 按照表1-1填寫實(shí)驗(yàn)結(jié)果2、分析、總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)2 存儲器實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)序號：2 實(shí)驗(yàn)名稱：存儲器實(shí)驗(yàn)適用專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 學(xué) 時 數(shù)：4學(xué)時一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆侦o態(tài)隨機(jī)存儲器RAM工作特性及數(shù)據(jù)的讀寫方法。二、 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)所用的半導(dǎo)體靜態(tài)存儲器電路原理如圖2-1所示，實(shí)驗(yàn)中靜態(tài)存儲器一片6116(2K×8)構(gòu)成，其數(shù)據(jù)線接至數(shù)據(jù)總線，地址線由地址鎖存器（74LS273）給出。地址燈AD0AD7與地址線相連，顯示地址線內(nèi)容。數(shù)據(jù)開關(guān)經(jīng)一三態(tài)門（74LS245）連至數(shù)據(jù)總

7、線，分時給出地址和數(shù)據(jù)。圖21 存儲器實(shí)驗(yàn)原理圖因地址寄存器為8位，接入6116的地址A7A0,而高三位A8A10接地，所以其實(shí)際容量為256字節(jié)。6116有三個控制線：CE(片選線)、OE（讀線）、WE（寫線）。當(dāng)片選有效（CE0）時，OE=0時進(jìn)行讀操作，WE=0時進(jìn)行寫操作。本實(shí)驗(yàn)中將OE常接地，在此情況下，當(dāng)CE=0、WE=0時進(jìn)行讀操作，CE=0、WE=1時進(jìn)行寫操作，其寫時間與T3脈沖寬度一致。實(shí)驗(yàn)時將T3脈沖接至實(shí)驗(yàn)板上時序電路模塊的TS3相應(yīng)插孔中，其脈沖寬度可調(diào)，其它電平控制信號由“SWITCH UNIT”單元的二進(jìn)制開關(guān)模擬，其中SW-B為低電平有效，LDAR為高電平有效。

8、三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 形成時鐘脈沖信號T3，具體接線方法和操作步驟如下：1） 接通電源，用示波器接入方波信號源的輸出插孔H24，調(diào)節(jié)電位器W1，使H24端輸出實(shí)驗(yàn)所期望的頻率的方波。2） 將時序電路模塊中的和H23排針相連。圖22 實(shí)驗(yàn)連線圖3） 在時序電路模塊中有兩個二進(jìn)制開關(guān)“STOP”和“STEP”。將“STOP”開關(guān)置為“RUN”狀態(tài)、“STEP”開關(guān)置為“EXEC”狀態(tài)時，按動微動開關(guān)START，則T3輸出為連續(xù)的方波信號，此時調(diào)節(jié)電位器W1，用示波器觀察，使T3輸出實(shí)驗(yàn)要求的脈沖信號。當(dāng)“STOP”開關(guān)置為“RUN”狀態(tài)，“STEP”開關(guān)置為“STEP”狀態(tài)時，每按動一次微動開關(guān)ST

9、ART，則T3輸出一個單脈沖，其脈沖寬度與連續(xù)方式相同。4） 關(guān)閉電源。2、 按圖2-2連接實(shí)驗(yàn)線路，仔細(xì)查線無誤后接通電源。由于存儲器模塊內(nèi)部的連線已經(jīng)接好，因此只需要完成實(shí)驗(yàn)電路的形成、控制信號模擬開關(guān)、時鐘脈沖信號T3與存儲模塊的外部連接。3、 給存儲器的00、01、02、03、04地址單元中分別寫入數(shù)據(jù)11、12、13、14、15,具體操作步驟如下：（以向0號單元寫入11為例）依次讀出第00、01、02、03、04號單元中的內(nèi)容，觀察上述各單元中的內(nèi)容是否寫前面寫入的一致。具體操作步驟如下：（從0號單元讀出11數(shù)據(jù)為例）四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備TDN-CM+計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一臺，排線若干

10、。五、 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)要求1、 復(fù)習(xí)靜態(tài)隨機(jī)存儲器RAM工作特性2、 了解三態(tài)門以及地址鎖存器和6116的工作原理及組成六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 要認(rèn)真記錄存儲器進(jìn)行讀寫的步驟實(shí)驗(yàn)3 微控制器實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)序號：3 實(shí)驗(yàn)名稱：微控制器實(shí)驗(yàn)適用專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 學(xué) 時 數(shù)：4學(xué)時一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 掌握時序產(chǎn)生器的組成原理2、 掌握微程序控制器的組成原理3、 掌握微程序的編制、寫入，觀察微程序的運(yùn)行二、 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)所用的時序電路原理如圖3-1所示，可產(chǎn)生4個等間隔的時序信號TS1TS4，其中為時鐘信號，由實(shí)驗(yàn)臺右上方的方波信號源提供，可產(chǎn)生頻率及脈寬可調(diào)的方波信號。為了便于控制程序的運(yùn)行，時序電路發(fā)生器也設(shè)置了

11、一個啟停控制觸發(fā)器Cr，使TS1-TS4信號輸出可控。圖中STEP（單步）、STOP（停機(jī)）分別是來自實(shí)驗(yàn)板上方中部的兩個二進(jìn)制開關(guān)STEP、STOP模擬信號。START鍵是來自實(shí)驗(yàn)板上方中部的一個微動開關(guān)START的按鍵信號。當(dāng)STEP開關(guān)為0時（EXEC），一旦按下啟動鍵，運(yùn)行觸發(fā)器Cr一直處于“1”狀態(tài)，因此時序信號TS1TS4將周而復(fù)始的發(fā)送出去。當(dāng)STEP為1(STEP)時，一旦按下啟動鍵，機(jī)器便處于單步運(yùn)行狀態(tài)，即此時只發(fā)送一個CPU周期的時序信號的停機(jī)。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(dāng)前微指令的執(zhí)行結(jié)果。另外，當(dāng)機(jī)器連續(xù)運(yùn)行時，如果STOP開關(guān)置“1”（

12、STOP），也會使機(jī)器停機(jī)。圖31 時序電路原理圖由于時序電路的內(nèi)部線路已經(jīng)連好，所以只需將時序電路與方波信號源連接（即將時序電路的時鐘脈沖輸入端接至方波信號發(fā)生器輸出端H23）,時序電路的CLR已接至實(shí)驗(yàn)板左下方的CLR模擬開關(guān)上。微程序控制器的組成見圖3-2，其中控制存儲器采用3片2816的E2PROM，具有調(diào)電保護(hù)功能，微命令寄存器18位，用兩片8D觸發(fā)器（273）和一片4D（175）觸發(fā)器組成。微地址寄存器6位，用三片正沿觸發(fā)的雙D觸發(fā)器（74）組成，他們帶有清“0”端和預(yù)置端。在不判別測試的情況下，T2時刻打入微地址寄存器的內(nèi)容即為下一條微指令地址。在T4時刻進(jìn)行測試判別時，轉(zhuǎn)移邏輯

13、滿足條件后輸出的負(fù)脈沖通過強(qiáng)置端將某一觸發(fā)器置為“1”狀態(tài)，完成地址修改。在該實(shí)驗(yàn)電路中設(shè)有一個編程開關(guān)（位于實(shí)驗(yàn)板右上方），它具有三種狀態(tài)：PROM（編程）、READ（校驗(yàn)）、RUN（運(yùn)行）。當(dāng)處于“編程狀態(tài)”時，學(xué)生可根據(jù)微地址和微指令格式將微指令二進(jìn)制代碼寫入到控制存儲器2816種。當(dāng)處于“校驗(yàn)狀態(tài)”時，可以對寫入控制器的二進(jìn)制代碼進(jìn)行校驗(yàn)，從而可以判斷寫入的二進(jìn)制代碼是否正確。當(dāng)處于“運(yùn)行狀態(tài)”時，只要給出微程序的入口微地址，則可根據(jù)微程序流程圖自動執(zhí)行微程序。圖中微地址寄存器輸出端增加了一組三態(tài)門，目的是隔離觸發(fā)器的輸出，增加抗干擾能力，并用來驅(qū)動微地址顯示燈。微指令字長共24位，其

14、控制順序如下：表 31其中UA5-UA0為6位的后續(xù)微地址，A、B、C為三個譯碼字段，分別由三個控制位譯碼出多位。C字段中的P(1)-P(4)是四個測試字位。其功能是根據(jù)機(jī)器指令及其相應(yīng)微代碼進(jìn)行譯碼，使微程序轉(zhuǎn)入相應(yīng)的微地址入口，從而實(shí)現(xiàn)微程序的順序、分支、循環(huán)運(yùn)行，其原理如圖33所示，圖中I7-I2為指令寄存器圖32 微控器實(shí)驗(yàn)原理圖的72位輸出，SE5-SE1為微控制單元微地址鎖存器的強(qiáng)置端輸出。AR為算術(shù)運(yùn)算是否影響進(jìn)位及判零標(biāo)志控制位，其為零有效。B字段中的RS-B、R0-B、RI-B分別為源寄存器選通信號、目的寄存器選通信號及變址寄存器選通信號，其功能是根據(jù)機(jī)器指令來進(jìn)行三個工作寄

15、存器R0、R1及R2的選通譯碼，其原理圖如圖34，圖中I0-I4為指令寄存器的第04位，LDRi為打入寄存器信號的譯碼器使能控制位。圖33圖34三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 圖35為幾條機(jī)器指令對應(yīng)的參考微程序流程圖，將全部微程序按微指令格式變成二進(jìn)制代碼，可得到表32的二進(jìn)制代碼表。圖35 微程序流程圖2、 按圖36連接實(shí)驗(yàn)線路，仔細(xì)檢查無誤后接通電源。圖36 實(shí)驗(yàn)線路圖3、 觀測時序信號用雙蹤示波器（或PC示波器功能）觀察方波信號源的輸出，時序電路中的“STOP”開關(guān)置為“RUN”，“STEP”開關(guān)置為“EXEC”。按動START按鍵，從方波器上可觀察到TS1、TS2、TS3、TS4各點(diǎn)的波形，比較

16、他們的相互關(guān)系，畫出其波形，并標(biāo)注測量所得的脈沖寬度，見圖37。表32 二進(jìn)制代碼表4、 觀察微程序控制器的工作原理 編程A. 將編程開關(guān)置為PROM狀態(tài)B. 將實(shí)驗(yàn)板上“STATE UNIT”中的“STEP”開關(guān)置為“STEP”，“STOP”開關(guān)置為“RUN”。C. 用二進(jìn)制模擬開關(guān)置微地址MA5-MA0。D. 在MK24-MK1開關(guān)上置微代碼，24位開關(guān)對應(yīng)24位顯示燈，開關(guān)量為“0”時燈亮，開關(guān)量為“1”時燈滅。E. 啟動時序電路（按動啟動按鈕“START”）即將微代碼寫出到E2PROM 2816的相應(yīng)地址對應(yīng)的單元中。F. 重復(fù)C-E步驟，將表32的微代碼寫出2816。圖37 校驗(yàn)A.

17、 將編程開關(guān)置為READ（校驗(yàn)）狀態(tài)B. 將實(shí)驗(yàn)板上的“STEP”開關(guān)置為“STEP”，“STOP”開關(guān)置為“RUN”。C. 用二進(jìn)制模擬開關(guān)置微地址MA5-MA0。D. 按動啟動按鈕“START”鍵，讀出微代碼，觀察顯示燈MD24-MD1的狀態(tài)（燈亮為0，燈滅為1），檢查讀出的微代碼是否與寫入相同。如不同，則將開關(guān)置于PROM編程狀態(tài)，重新執(zhí)行即可。 單步運(yùn)行A. 將編程開關(guān)置為RUN（運(yùn)行）狀態(tài)。B. 實(shí)驗(yàn)板的“STEP”及“STOP” 開關(guān)保持原裝。C. 操作CLR開關(guān)，使CLR信號101，微地址寄存器MA5-MA0清零，從而明確本機(jī)的運(yùn)行入口微地址為000000（二進(jìn)制）。D. 按動啟

18、動按鈕“START”鍵，啟動時序電路，則每按動一次啟動鍵，讀出一條微指令后停機(jī)，此時實(shí)驗(yàn)臺上的微地址顯示燈將顯示所讀出的一條指令。 連續(xù)運(yùn)行A. 將編程開關(guān)置為RUN（運(yùn)行）狀態(tài)。B. 將實(shí)驗(yàn)板上 “STEP”開關(guān)置為“EXEC”狀態(tài)。C. 使CLR信號101，此時微地址寄存器清零，從而明確本機(jī)的運(yùn)行入口微地址為000000（二進(jìn)制）。D. 啟動時序電路，則可連續(xù)讀出微指令。四、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備TDN-CM+計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一臺，排線若干。五、 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)準(zhǔn)備1預(yù)習(xí)時序電路工作原理2預(yù)習(xí)微程序控制器的組成原理六、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告1記錄微程序執(zhí)行的具體狀態(tài)2分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)四 總線控制實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)序號：4 實(shí)驗(yàn)名稱：總線控制實(shí)驗(yàn)適用專業(yè)：計(jì)算機(jī)科