計算機組成原理實驗指導書

一．計算機組成原理實驗的任務計算機組成原理實驗是計算機組成原理課程的一部分，它的任務是：能、總線結構、指令系統(tǒng)的設計和微指令的實現及CPU內部如何工作有直觀、深刻的認識。2.培養(yǎng)學生分析問題、解決問題及動手能力。二．實驗設備于實驗輔助教學、實驗軟件的運行及調試等。計算機組成原理實驗儀由寄存器組由R0-R3、運算單元、累加器A、暫存器W、直通/左移/右移單元、地址寄存器、程序計數器、堆棧、中斷源、輸入/輸出單元、存儲器單元、微關/指示燈、邏輯筆、脈沖源、20個按鍵、字符式LCD、R驗儀可完成計算機組成原理中有關CPU的實驗項目。所有的計算機組成原理課程實驗都是在三．對參加實驗學生的要求1.閱讀實驗指導書，復習與實驗有關的理論知識，明確實驗目的，了解內容和方法。2.按實驗指導書要求進行接線和操作，經檢查和指導老3.在實驗中注意觀察思考，記錄有關數據，并由指導教師復查后才能結束實驗。*注：本實驗指導書適用于計算機組成原理A課程。一．實驗目的1.了解計算機中通用寄存器R0、R1、R2、R3的結構、工作原理及其控制方法。2.完成指定數據的存儲和讀出。二．實驗設備及器材配置1.計算機組成原理實驗儀。實驗線路器件包括：三．實驗內容五．實驗步驟1J1座J3座將K23-K16接入DBUS[7:0]2RRDK11寄存器組讀使能低電平有效3RWRK10寄存器組寫使能低電平有效6RCKCLOCK寄存器工作脈沖上升沿打入2.步驟（1）將11H寫入R0寄存器二進制開關K23-K16用于二進制開關K23-K16用于DBUS[7:0]的數據輸入，置數據11HK23K22K21K20K19K18K17K16————K11(RRD)K10(RWR)K1(SB)K0(SA)————存器。放開CLOCK鍵，CLOCK由低變高，產生一個上升沿，數據11H被寫入R0寄存器。K10(K10(RWR)1K11(RRD)0K0(SA)0K1(SB)0DBUS:1100010001.將K11(RRD)置為1,關閉R0寄存器輸出.六．思考2.為什么數據存儲的時候需要時鐘的上升沿，而在讀數據的時候不需要時鐘的上升沿。一．實驗目的1.了解計算機中算術、邏輯運算單元的控制方法。2.完成指定數據的運算。二．實驗設備及器材配置1.計算機組成原理實驗系統(tǒng)。實驗線路器件包括：兩片74HC32，兩片74HC574，一片可編程芯三．實驗內容利用實驗儀上的數據輸入開關設定數據，并根據設定控制信號將數據寫入累加器A和工作寄存器W中，并用控制信號設置ALU的運算方式，實驗運算器的功能。運算器由一片運算結果輸出到直通門D。000A+W加001A-W減010A|W或011A&W與100101110111五．實驗步驟1J1座J3座將K23-K16接入DBUS[7:0]4S2K2運算器功能選擇8ALUCKCLOCKALU工作脈沖上升沿打入2.步驟（1）將55H寫入A寄存器二進制開關K23-K16用于DBUS[7:0]的數據輸入，置數據55H110001100K4(WEN)1K3(AEN)0K1(S1)0K0(S0)0K2(S2)0器。放開CLOCK鍵，CLOCK由低變高，產生一個上升沿，數據55H被寫入A寄存器。（2）同理將33H寫入W寄存器3.驗證運算器的運算結果六．思考1.實驗完成后，仔細思考數據是如何被存儲在累加器A和工作寄存器W中，數據又是如2.想一想如何構建功能更加強大的運算器。一．實驗目的1.了解計算機中存儲器的結構、工作原理及其控制方法。2.實現存儲器的讀寫操作。二．實驗設備及器材配置1.計算機組成原理實驗系統(tǒng)。實驗線路器件包括：三．實驗內容存儲器EM由一片6116RAM構成，通過一片74HC245與數據總線相連。存儲器EM的地址可選擇由PC或MAR提供。存儲器EM的數據輸出直接接到指令總線IBUS，指令總線IBUS的數據還可以來自一片74HC245。五．實驗步驟1J2座J3座將K23-K16接入DBUS[7:0]2PCOEK5PC輸出地址低電平有效3MAROEK4MAR輸出地址低電平有效4MARENK3MAR寫允許低電平有效5EMENK2存儲器與數據總線相連低電平有效6EMRDK1存儲器讀允許低電平有效7EMWRK0存儲器寫允許低電平有效8PCCKCLOCKPC工作脈沖上升沿打入9MARCKCLOCKMAR工作脈沖上升沿打入2.步驟（1）PC/MAR輸出地址選擇K5(K5(PCOE)K4(MAROE)地址總線紅色地址輸出指示燈01PC輸出地址PC地址輸出指示燈亮10MAR輸出地址MAR地址輸出指示燈亮11地址總線浮空00錯誤,PC及MAR同時輸出PC及MAR地址輸出指示燈亮理解總線沖突的概念，以下存貯器EM實驗均由MAR提供地址。（2）存儲器EM寫二進制開關K23-K16用于DBUS[7:0]的數據輸入，置數據00HK23K22K21K20K19K18K17K16——————K5(PCOE)K4(MAROE)K3(MAREN)K2(EMEN)K1(EMRD)K0(EM——————按CLOCK鍵,將地址0寫入MAR將地址11H寫入EM[0]二進制開關K23-K16用于DBUS[7:0]的數據輸入，置數據11H————————K23K22K21K20K19K18K17K16————————110101按CLOCK鍵,將地址11H寫入EM[0]同理，將地址01H寫入MAR，將地址22H寫入EM[1]。（3）存儲器EM讀二進制開關K23-K16用于DBUS[7:0]的數據輸入，置數據00HK23K22K21K20K19K18K17K16——————K5(PCOE)K4(MAROE)K3(MAREN)K2(EMEN)K1(EMRD)K0(EMW——————按CLOCK鍵,將地址0寫入MAR——————K5(PCOE)K4(MAROE)K3(MAREN)K2(EMEN)K1(EMRD)K0(EM——————EM[0]被讀出:11H同樣的方法，將地址01H寫入MAR，讀EM[1]：22H。五．思考1.實驗完成后，仔細思考存儲器是如何讀寫數據的。2.深刻理解總線沖突的含義。實驗四PC實驗一．實驗目的1.了解計算機中累加器A的結構、工作原理及其控制方法。2.完成指定數據的存儲。二．實驗設備及器材配置1.計算機組成原理實驗系統(tǒng)。實驗線路器件包括：三．實驗內容利用實驗儀上的數據輸入開關設定數據，并根據設定控制信號完成PC數據的預置和加一。PC原理圖當LDPC=0時，在CK的上升沿，預置數據被打入PC記數器PC打入控制原理圖PC打入控制電路由一片74HC151八選一構成。LDPCLDPC101010X00001X0011XELP100000CyX10XXXZXXX0X五．實驗步驟有效電平有效電平1J2座J3座將K23-K16接入DBUS[7:0]2PCOEK5PC輸出到地址總線低電平有效5JRZK6JRCK1C標志輸入7ELPK0預置允許低電平8PCCKCLOCKPC工作脈沖上升沿打入2.步驟PC加一K0（ELP）1K5（K0（ELP）10二進制開關K23-K16用于DBUS[7:0]的數據輸入，置數據12HK23K22K21K20K19K18K17K16ELPELP(K5)IR3(K4)IR2(K3)JRZ(K1)JRC(K0)LDPC黃色PC預置指示燈1XXXX1滅000X10亮000X01滅0011X0亮0010X1滅01XXX0亮每置控制信號后，按一下CLOCK鍵，觀察PC的變化。六．思考實驗完成后，仔細思考PC是如何預置數據和進行加一的。一．實驗目的1.了解計算機中微程序控制器的工作原理。2.了解微程序控制器下，計算機是如何執(zhí)行指令的。二．實驗設備及器材配置三．實驗內容設計一段程序，在微程序控制器下，了解計算機是如何執(zhí)行指令的。COP2000模型機包括了一個標準CPU所具備所有部件，這些部件包括：運算器ALU、累加器A、工作寄存器W、左移門L、直通門D、右移門R、寄存器組R0-R3、程序計數器PC、地址寄存器MAR、堆棧寄存器ST、中斷向量寄存器IA、輸入端口IN、輸出端口寄存器OUT、程序存儲器EM、指令寄存器IR、微程序計數器uPC、微程序存儲器uM，以及中斷控制電路、跳轉控制電路。其中運算器和中斷控制電路以及跳轉控制電路用CPLD來實現，其它電路都是用離總線、地址總線都為8位，但其工作原理與16位機相同。相比而言8位機實驗減少了煩瑣的可以有0到2個操作數。指令碼的最低兩位用來選擇R0-R3寄存器，在微程序控制方式中，XRD：外部設備讀信號，當給出了外設的地址后，輸出此信號，從指定外設讀數據。EMWR：程序存儲器EM寫信號。EMRD：程序存儲器EM讀信號。PCOE：將程序計數器PC的值送到地址總線ABUS上。EMEN：將程序存儲器EM與數據總線DBUS接通，由EMWR和EMRD決定是將DBUS數據寫到EM中，還是從EM讀出數據送到DBUS。IREN：將程序存儲器EM讀出的數據打入指令寄存器IR和微指令計數器uPC。EINT：中斷返回時清除中斷響應和中斷請求標志，便于下次中斷。ELP：PC打入允許，與指令寄存器的IR3、IR2位結合，控制程序跳轉。MAREN：將數據總線DBUS上數據打入地址寄存器MAR。MAROE：將地址寄存器MAR的值送到地址總線ABUS上。OUTEN：將數據總線DBUS上數據送到輸出端口寄存器OUT里。STEN：將數據總線DBUS上數據存入堆棧寄存器ST中。RRD：讀寄存器組R0-R3，寄存器R?的選擇由指令的最低兩位決定。RWR：寫寄存器組R0-R3，寄存器R?的選擇由指令的最低兩位決定。FEN：將標志位存入ALU內部的標志寄存器。X2：X2、X1、X0三位組合來譯碼選擇將數據送到DBUS上的寄存器。WEN：將數據總線DBUS的值打入工作寄存器W中。AEN：將數據總線DBUS的值打入累加器A中。S2：S2、S1、S0三位組合決定ALU做何種運算。尋址累加器A，例如“OUT”是將累加器A的值輸出到輸出端口寄存器OUT。R0的值加上累加器A的值，再存入累加器A中。A，@R1”指令是將寄存器R1的值做為地址，把存儲器EM中該地址的內容送入累加器存儲器直接尋址：參與運算的數據在存儲器EM中，器A中減去立即數10H，結果存入累加器A。2、模型機指令集指令、跳轉指令、中斷返回指令、輸入/輸出指令。用戶可以通過COP2000計算機組成原理實驗軟件或組成原理實驗儀來設計自己的指令集，有關如何設計指令/微指令的介紹將在后五．實驗步驟1、在給實驗儀通電前，拔掉實驗儀上所有的手工連接的接線，再用8芯電纜連接J1和J2，控制方式開關撥到“微程序控制”方向。若想用COP2000軟件控制組成原理實驗儀，就要啟動軟件，并用快捷圖標的“設置”功能打開設置窗口，選擇實驗儀連接的串行口，然后再按“連接COP2000實驗儀”按鈕接通到實驗儀。在做綜合實驗之前，先用8芯電纜連接J1和2、在COP2000軟件中的源程序窗口輸入下列程序。MOVA,#12HMOVA,R0MOVA,@R0MOVA,01HEND3、將程序另存為EX1.ASM，將程序匯編成機器碼，反匯編窗口會顯示出程序地址、機器碼、4、按快捷圖標的F7，執(zhí)行“單微指令運行”功能，觀察執(zhí)行每條微指令時，寄存器的輸入/5、每個程序的一開始的第一條微指令一定是取指令，此微指令的值為0CBFFFFH，對應到各器和uPC，此微指令的作用就是：從程序存儲器EM的0地址讀出程序指令機器碼7CH，并存入uPC中做為微程序存儲器uM的地址，從微程序存儲器uM的7CH單元中讀出微控制碼0C7FFF7H，中做為微程序存儲器uM的地址，讀出微指令的值為0C7FFF7H，對應到各個控制位就是EMRD、PCOE、EMEN及AEN為低，處于有效狀態(tài)，其它控制位為無效狀態(tài)。由于上條微指令（取指操程序存儲器EM中讀出數據，本指令中讀出的數據應為12H，EMEN將讀出的數據送到DBUS總線為讀取下一條指令做準備。每條指令的最后一條微指令一定是取指令操作，本指令的T0狀態(tài)周期即為取指令，執(zhí)行上一條微指令時uPC已經加1，按照此uPC為地址從微程序存儲存入uPC后做為微程序地址訪問微程序存儲器uM的70H單元，讀出微指令的值為0FFF7F7，各最低兩位是用來選擇寄存器R?的，此時IR寄存器最低兩位為00，被讀出的寄存器為R0。AENT0狀態(tài)也是取指令，完成的功能是取出下一條要執(zhí)行的指令機器碼，并存入uPC和IR寄存器打入uPC后，從微程序存儲器74H單元讀出的微指令的值為0FF77FFH，有效的控制位為MAREN和RRD，RRD有效表示從寄存器組R0-R3中讀出數據送到DBUS，MAREN有效表