計算機組成原理實驗之運算器和存儲器實驗

1、實驗一 運算器實驗一、實驗?zāi)康模?1 掌握運算器的組成及工作原理；2了解4位函數(shù)發(fā)生器74LS181的組合功能，熟悉運算器執(zhí)行算術(shù)操作和邏輯操作的具體實現(xiàn)過程；3 驗證帶進位控制的74LS181的功能。二、實驗設(shè)備： EL-JY-II型計算機組成原理實驗系統(tǒng)一套，排線若干。三、預(yù)習(xí)要求： 復(fù)習(xí)本次實驗所用的各種數(shù)字集成電路的性能及工作原理； 預(yù)習(xí)實驗步驟，了解實驗中要求的注意之處。四、實驗原理： 運算器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1-1示。 圖1-1 運算器的結(jié)構(gòu)框圖 算術(shù)邏輯單元ALU是運算器的核心。此處由四片74LS181（U7、U8、U9、U10）以并串形式構(gòu)成16位運算器。它可以對兩個16位二進制數(shù)

2、進行多種算術(shù)或邏輯運算，74LS181 有高電平和低電平兩種工作方式，高電平方式采用原碼輸入輸出，低電平方式采用反碼輸入輸出，這里采用高電平方式。算術(shù)邏輯單元ALU是74LS181的功能控制條件由S3、S2、S1、S0、 M、Cn決定。高電平方式的74LS181的功能、管腳分配和引出端功能符號詳見表1-1、圖1-2和表1-2。 四片74LS273（U3、U4、U5、U6）構(gòu)成兩個16位數(shù)據(jù)暫存器，其控制信號分別為LDR1和LDR2，當(dāng)LDR1和LDR2 為高電平有效時，在T4脈沖的前沿，總線上的數(shù)據(jù)被送入暫存器保存。74LS273的管腳分配和引出端功能符號詳見圖1-3兩個三態(tài)門74LS244（

3、U11、U12）作為運算器的輸出緩沖器由ALU-G信號控制，ALU-G 為“0”時，三態(tài)門開通，此時其輸出等于其輸入；ALU-G 為“1”時，三態(tài)門關(guān)閉，此時其輸出呈高阻。其管腳分配和引出端功能符號詳見圖1-4。 74LS181功能表見表11，其中符號“”表示邏輯“或”運算，符號“*”表示邏輯“與”運算，符號“/”表示邏輯“非”運算，符號“加”表示算術(shù)加運算，符號“減”表示算術(shù)減運算。 選擇 M=1 邏輯操作 M=0 算術(shù)操作S3 S2 S1 S0Cn=1（無進位）Cn=0（有進位）0 0 0 0F=/A F=AF=A加10 0 0 1F=/(A+B)F=A+BF=(A+B)加10 0 1 0

4、F=/A*BF=A+/BF=(A+/B)加10 0 1 1F=0F=1F=00 1 0 0F=/(A*B)F=A加A*/BF=A加A*/B加10 1 0 1F=/BF=(A+B)加A*/BF=(A+B) 加A*/B加1 0 1 1 0F=(/A*B+A*/B) F=A減B減1F=A減B0 1 1 1F=A*/BF=A*/B減1F=A*/B1 0 0 0F=/A+BF=A加A*BF=A加A *B加1 1 0 0 1F=/(/A*B+A*/B)F=A加BF=A加B加1 1 0 1 0F=BF=(A+/B)加A*BF=(A+/B)加A*B加11 0 1 1 F=A*BF=A*B減1F=A*B 1 1

5、 0 0F=1F=A加AF=A加A 加11 1 0 1F=A+/BF=(A+B)加AF=(A+B)加A加1 1 1 1 0F=A+BF=(A+/B)加AF=(A+/B)加A加11 1 1 1F=AF=A減1F=A表1-1 74LS181功能表 圖1-2 74LS181管腳分配 表1-2 74LS181輸出端功能符號 圖1-3（a） 74LS273管腳分配 圖1-3（b）74LS273功能表 圖1-4（a） 74LS244管腳分配 圖1-4（b） 74LS244功能五、實驗內(nèi)容：驗證74LS181運算器的邏輯運算功能和算術(shù)運算功能。六、實驗步驟：說明：本次實驗采用開關(guān)控制操作方式，為了避免總線沖

6、突，首先將控制開關(guān)電路的ALU-G和C-G撥到輸出高電平“1”狀態(tài)(所對應(yīng)的指示燈亮。)本實驗中所有控制開關(guān)撥動，相應(yīng)指示燈亮代表高電平“1”，指示燈滅代表低電平“0”。 1、 按圖15接線圖接線： 連線時應(yīng)注意：為了使連線統(tǒng)一，對于橫排座，應(yīng)使排線插頭上的箭頭面向自己插在橫排座上；對于豎排座，應(yīng)使排線插頭上的箭頭面向左邊插在豎排座上。 運算器接口 S3S2S1S0MCn ALU-G AR LDR1 LDR2 BD15 . BD8數(shù)據(jù)總線BD7 . BD0 DIJ1 DIJ-G DIJ2 數(shù)據(jù)輸入電路 C-G S3S2S1S0MCn ALU-G AR LDR1 LDR2控制總線T4 控制開關(guān)電

7、路 T+ fin f/8 脈沖源及時序電路 圖15 實驗一 開關(guān)實驗 接線圖 2、 通過數(shù)據(jù)輸入電路的撥開關(guān)開關(guān)向兩個數(shù)據(jù)暫存器中置數(shù)：注意：本實驗中ALU-G和C-G不能同時為0，否則造成總線沖突，損壞芯片！故每次實驗時應(yīng)時刻保持只有一路與總線相通。1）撥動清零開關(guān)CLR，使其指示燈滅。再撥動CLR，使其指示燈亮。置ALU-G1：關(guān)閉ALU的三態(tài)門；再置C-G=0：打開數(shù)據(jù)輸入電路的三態(tài)門；2） 向數(shù)據(jù)暫存器LT1（3、U4）中置數(shù)：（1）設(shè)置數(shù)據(jù)輸入電路的數(shù)據(jù)開關(guān)“D15D0”為要輸入的數(shù)值；（2）置LDR11：使數(shù)據(jù)暫存器LT1（3、U4）的控制信號有效，置 LDR20：使 數(shù)據(jù)暫存器L

8、T2（5、U6）的控制信號無效；（3）按一下脈沖源及時序電路的【單脈沖】按鈕，給暫存器LT1送時鐘，上升沿有效，把數(shù)據(jù)存在LT1中。 3）向數(shù)據(jù)暫存器LT2（5、U6）中置數(shù)：（1）設(shè)置數(shù)據(jù)輸入電路的數(shù)據(jù)開關(guān)“D15D0”為想要輸入的數(shù)值；（2）置LDR10：數(shù)據(jù)暫存器LT1的控制信號無效；置LDR21：使數(shù)據(jù)暫存器LT2的控制信號有效。（3）按一下脈沖源及時序電路的“單脈沖”按鈕，給暫存器LT2送時鐘，上升沿有效，把數(shù)據(jù)存在LT2中。 （4）置LDR10、LDR20，使數(shù)據(jù)暫存器LT1、LT2的控制信號無效。 4 ）根據(jù)功能表選擇功能，觀察運算結(jié)果。（1）置C-G=1，關(guān)閉數(shù)據(jù)輸入電路的三態(tài)

9、門，然后再置ALU-G=0，打開ALU的三態(tài)門 ；（2）置“S3S2S1S0MCn”為“XXXXXX”，觀察數(shù)據(jù)總線顯示燈顯示數(shù)據(jù)并記錄結(jié)果。 3、驗證74LS181的算術(shù)和邏輯功能:根據(jù)上述實現(xiàn)步驟，參考表11的功能表，選擇合適“S3S2S1S0MCn”填入下表，并將通過數(shù)據(jù)總線指示燈顯示來讀出運算器的輸出值F，填入上表中，參考表11的功能表，分析輸出F值是否正確。LT1（A）LT2（B）實現(xiàn)功能功能選擇（S3S2S1S0MCn）實驗結(jié)果1234H5678HF=AF=BF=A*BF=0F=1F=1F=A減BF=A加BF=A減B減1F=A加B加1七、思考題1、如何利用4位并行算術(shù)邏輯運算單元7

10、4LS181實現(xiàn)16位二進制數(shù)運算？有哪些解決方案？ 八、實驗報告要求： 實驗后及時完成實驗報告，要求用專用的實驗報告紙書寫，具體應(yīng)包括以下幾方面內(nèi)容：實驗題目、實驗?zāi)康?、實驗儀器、實驗原理圖、實驗記錄（所有的運算結(jié)果，故障現(xiàn)象及排除經(jīng)過）、思考題、本次實驗的收獲及想法。實驗二 存儲器實驗 一、實驗?zāi)康模?、掌握半導(dǎo)體靜態(tài)隨機存儲器RAM的特性和使用方法。2、掌握地址和數(shù)據(jù)在計算機總線的傳送關(guān)系。3、了解運算器和存儲器如何協(xié)同工作。二、預(yù)習(xí)要求：預(yù)習(xí)半導(dǎo)體靜態(tài)隨機存儲器6116的功能 。三、實驗設(shè)備： EL-JY-II型計算機組成原理實驗系統(tǒng)一套，排線若干。四、實驗原理：電路圖見圖2-1，61

11、16的管腳分配和功能見圖2-2。圖2-1 存儲器電路 圖2-2（a） 6116管腳分配 圖2-2（b） 6116功能 實驗中的靜態(tài)存儲器由2片6116（2K8）構(gòu)成，其數(shù)據(jù)線D0D15接到數(shù)據(jù)總線，地址線A0A7由地址鎖存器74LS273(集成于EP1K10內(nèi))給出。黃色地址顯示燈A7-A0與地址總線相連，顯示地址總線的內(nèi)容。綠色數(shù)據(jù)顯示燈與數(shù)據(jù)總線相連，顯示數(shù)據(jù)總線的內(nèi)容。 圖2-3 讀寫控制及地址寄存器電路6116有三個控制線，/CE（片選）、/R（讀）、/W（寫）。其寫時間與T3脈沖寬度一致。當(dāng)LARI為高時，T3的上升沿將數(shù)據(jù)總線的低八位打入地址寄存器。當(dāng)WEI為高時，T3的上升沿使6

12、116進入寫狀態(tài)。五、實驗內(nèi)容：學(xué)習(xí)靜態(tài)RAM的存儲方式，往RAM的任意地址里存放數(shù)據(jù)，然后讀出并檢查結(jié)果是否正確。六、實驗步驟說明：為了避免總線沖突，首先將控制開關(guān)電路的所有開關(guān)撥到輸出高電平“1”狀態(tài)，所有對應(yīng)的指示燈亮。1、 按圖24接線圖接線：圖2-3 實驗接線圖2、撥動清零開關(guān)CLR，使其指示燈顯示狀態(tài)為亮滅亮。3、往存儲器寫數(shù)據(jù)： 以往存儲器的（FF） 地址單元寫入數(shù)據(jù)“AABB”為例，操作過程如下： (操作) (顯示) (操作) (顯示) (操作) 1.C G=1 2.置數(shù)據(jù)輸入電路D15D0 “000000001111 1111”3.CE=14.C-G=0綠色數(shù)據(jù)總線顯示燈顯示

13、 “000000001111 1111”1.LAR=12.T3=1（按【單步】） 地址寄存器電路黃色地址顯示燈顯示 “11111111”1.C-G=12.置數(shù)據(jù)輸入電路D15D0 “”3. LAR=04. C-G=0 (顯示) (操作)綠色數(shù)據(jù)總線顯示燈顯示 “”1.WE=1 2.CE=03.T3=1 (按【單步】)4 WE=04、依據(jù)上述步驟按表21所列地址寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)表2-1地址（二進制）數(shù)據(jù)（二進制） 00000000 01110001 01000010 01011010 10100011 11001111 11111000 111001105、從存儲器里讀數(shù)據(jù)：以從存儲器的（FF） 地址單元讀出數(shù)據(jù)“AABB”為例，操作過程如下： (操作) (顯示) (操作) (顯示) (操作) (顯示) 1.C-G=1 2. 置數(shù)據(jù)輸入電路D15D00000000011111111” 3.CE=14.C-G=0綠色數(shù)據(jù)總線顯示燈顯示 “0000000011111111”1.LAR=12.T3=1 (按【單步】)MAR電路黃色地址顯示燈顯示 “11111111”1. C-G=12. LAR=0