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1)运算器电路
2)微程序控制器电路
3)寄存器堆电路
4)程序计数器电路
5)指令寄存器电路
6)指令译码电路
7)地址寄存器电路
8)数据和控制总线电路
其中,运算器电路中的累加器电路由74LS181及其外围电路组成,此外所有的其它电路都由ALTERA公司的FPGA—EP1K10实现。
板上的JTAG口、芯片EPC2LC20、跳线J1—J6用于配置EP1K10。
当跳线J1—J6均跳至EPC2OFF时,可通过JTAG口直接配置EP1K10,但断电后需重新配置。
当跳线J1—J6均跳至EPC2ON时,通过EPC2LC20来配置EP1K10。
系统出厂时,已将配置文件烧录进EPC2LC20。
由于EPC2LC20为非易失性器件,故每次上电时可自动配置EP1K10,无需重新烧录。
C、底板使用说明:
底板的系统布局如下图所示:
1)控制开关电路用于开关方式下各种控制信号的输入,每个开关对应一个LED指示灯。
当LED点亮时,表示相对应的开关输出为高电平,反之则为低电平。
2)键盘及监控显示灯用于键盘方式下的实验,其用法见各实验说明(注:
当开关K4为“ON”时键盘被封锁)。
3)
24位微代码输入及显示电路用于读写微程序,其原理如下图所示(仅以MD17-MD24为例,MD1-MD16电路与此相同)。
当K4为“OFF”(VCC)时,24位开关无效,24个数码管的显示由2816的数据口决定,用于键盘方式读写微代码和开关方式读微代码。
当K4为“ON”(GND)时,24位开关有效,24个数码管显示每一位开关的状态(“0”或“1”),用于开关方式写微代码。
4)脉冲源及时序电路用于开关方式下产生时序信号;
F、F/2、F/4、F/8分别为固定时钟频率输出端,其频率分别为1M、500K、250K、125K。
Fin为时钟输入,可接至F、F/2、F/4、F/8中的任何一个输出;
按下“单脉冲”键时,T+、T-端分别产生一个正脉冲、一个负脉冲;
按下“单步”键时,T1、T2、T3、T4端依次产生一个正脉冲,用于程序的单步运行;
按下“启动”键时,T1、T2、T3、T4端依次产生连续的正脉冲,用于程序的全速运行;
按下“停止”键时,T1、T2、T3、T4端不产生脉冲,用于中止程序运行。
5)16位数据输入电路如下图所示:
DIJ2为高8位数据,DIJ1为低8数据,当DIJ—G为低电平时,DIJ2、DIJ1输出16位开关量数据,否则为高阻态。
16位输出显示电路由四个数码管和四片可编程逻辑芯片GAL16V8组成。
GAL16V8为显示提供译码和驱动,当W/R、D-G均为低电平时,将D15—D0的数据送至数码管显示。
6)I/O控制电路由一片74LS139构成,用于为外部器件提供选通信号。
其原理和逻辑关系如下图所示:
输入
输出
1A
1B
Y0
Y1
Y2
Y3
1
7)显示灯电路:
该电路有四个绿色LED指示灯。
当输入为高电平时,点亮相应位置的LED灯。
8)主存储器电路其原理如下图所示:
9)8255接口电路的数据、地址、控制线和PA口以及PB口的第四位均通过单排插针引出。
底板上的数据总线BD15—BD0(三组接口相同,可互换)和CPU板上的数据线相连,地址总线AD7—AD0(三组接口相同,可互换)和CPU板上的地址线相连。
2、参考内容
1.运算器实验
2.存储器读写实验
3.总线控制实验
4.微程序设计实验
5.简单模型机组成原理实验
6.复杂模型机组成原理实验
实验一运算器实验
一、实验目的
1.掌握运算器的组成及工作原理;
2.了解4位函数发生器74LS181的组合功能,熟悉运算器执行算术操作和逻辑操作的具体实现过程;
3.验证带进位控制的74LS181的功能。
二、预习要求
1.复习本次实验所用的各种数字集成电路的性能及工作原理;
2.预习实验步骤,了解实验中要求的注意之处。
三、实验设备
EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套,排线若干。
四、电路组成
本模块由算术逻辑单元ALU74LS181(U7、U8、U9、U10)、暂存器74LS273(U3、U4、U5、U6)、三态门74LS244(U11、U12)和控制电路(集成于EP1K10内部)等组成。
电路图见图1-1(a)、1-1(b)。
图1-1(a)ALU电路
图1-1(b)ALU控制电路
算术逻辑单元ALU是由四片74LS181构成。
74LS181的功能控制条件由S3、S2、S1、S0、M、Cn决定。
高电平方式的74LS181的管脚分配、输出端功能符号和功能详见图1-2(a)、图1-2(b)和表1-1。
图1-2(a)74LS181管脚分配图1-2(b)74LS181输出端功能符号
74LS181功能表见表1-1,其中符号“+”表示逻辑“或”运算,符号“*”表示逻辑“与”运算,符号“/”表示逻辑“非”运算,符号“加”表示算术加运算,符号“减”表示算术减运算。
表1-174LS181功能表
选择
M=1
逻辑操作
M=0算术操作
S3S2S1S0
Cn=1(无进位)
Cn=0(有进位)
0000
F=/A
F=A
F=A加1
0001
F=/(A+B)
F=A+B
F=(A+B)加1
0010
F=/A*B
F=A+/B
F=(A+/B)加1
0011
F=0
F=-1
0100
F=/(A*B)
F=A加A*/B
F=A加A*/B加1
0101
F=/B
F=(A+B)加A*/B
F=(A+B)加A*/B加1
0110
F=(/A*B+A*/B)
F=A减B减1
F=A减B
0111
F=A*/B
F=A*/B减1
1000
F=/A+B
F=A加A*B
F=A加A*B加1
1001
F=/(/A*B+A*/B)
F=A加B
F=A加B加1
1010
F=B
F=(A+/B)加A*B
F=(A+/B)加A*B加1
1011
F=A*B
F=A*B减1
F=A*B
1100
F=1
F=A加A
F=A加A加1
1101
F=(A+B)加A
F=(A+B)加A加1
1110
F=(A+/B)加A
F=(A+/B)加A加1
1111
F=A减1
四片74LS273构成两个16位数据暂存器,运算器的输出采用三态门74LS244。
它们的管脚分配和引出端功能符号详见图1-3(a)、图1-3(b)和图1-4(a)和图1-4(b)。
图1-3(a)74LS273管脚分配图1-3(b)74LS273功能表
图1-4(a)74LS244管脚分配图1-4(b)74LS244功能
五、工作原理
运算器的结构见图1-5:
算术逻辑单元ALU是运算器的核心。
集成电路74LS181是4位运算器,四片74LS181以并/串形式构成16位运算器。
它可以对两个16位二进制数进行多种算术或逻辑运算,74LS181有高电平和低电平两种工作方式,高电平方式采用原码输入输出,低电平方式采用反码输入输出,这里采用高电平方式。
三态门74LS244作为输出缓冲器由ALU-G信号控制,ALU-G为“0”时,三态门开通,此时其输出等于其输入;
ALU-G为“1”时,三态门关闭,此时其输出呈高阻。
四片74LS273作为两个16数据暂存器,其控制信号分别为LDR1和LDR2,当LDR1和LDR2为高电平有效时,在T4脉冲的前沿,总线上的数据被送入暂存器保存。
六、实验内容
验证74LS181运算器的逻辑运算功能和算术运算功能。
七、实验步骤
单片机键盘操作方式实验
注:
在进行单片机键盘控制实验时,必须把开关K4置于“OFF”状态,否则系统处于自锁状态,无法进行实验。
1、实验连线(键盘实验)
实验连线如图1-6所示。
(连线时应按如下方法:
对于横排座,应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上;
对于竖排座,应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。
注意:
F4只用一个排线插头孔)
运算器接口
S3S2S1S0MCnALU-GARLDR1LDR2
C1…...C6E5E4F5E3控制总线
F4
T4
图1-6键盘实验连线图
2、实验过程
(1)拨动清零开关CLR,使其指示灯灭。
再拨动CLR,使其指示灯亮。
(2)在监控滚动显示【CLASSSELECt】时按【实验选择】键,显示【ES--__】输入01或1,按【确认】键,监控显示为【ES01】,表示准备进入实验一程序,也可按【取消】键来取消上一步操作,重新输入。
(3)再按【确认】键,进入实验一程序,监控显示【InSt--】,提示输入运算指令,输入两位十六进制数(参考表1-2和表1-1),选择执行哪种运算操作,按【确认】键。
(4)监控显示【Lo=0】,此处Lo相当于表1-1中的M,默认为“0”,进行算术运算,也可以输入“1”,进行逻辑运算。
按【确认】,显示【Cn=0】,默认为“0”,由表1-1可见,此时进行带进位运算,也可输入“1”,不带进位运算(注:
如前面选择为逻辑运算,则Cn不起作用)。
按【确认】,显示【Ar=1】,使用默认值“1”,关闭进位输出。
也可输入“0”,打开进位输出,按【确认】。
(5)监控显示【DATA】,提示输入第一个数据,输入十六进制数【1234H】,按【确认】,显示【DATA】,提示输入第二个数据,输入十六进制数【5678H】,按【确认】键,监控显示【FINISH】,表示运算结束,可从数据总线显示灯观察运算结果,CY指示灯显示进位输出的结果。
按【确认】后监控显示【ES01】,可执行下一运算操作。
表1-2运算指令关系对照表
运算指令(S3S2S1S0)
输入数据(十六进制)
0000
00或0
01或1
0010
02或2
0011
03或3
0100
04或4
0101
05或5
0110
06或6
0111
07或7
1000
08或8
1001
09或9
1010
0A或A
1011
0B或B
1100
0C或C
1101
0D或D
1110
0E或E
1111
0F或F
在给定LT1=1234H、LT2=5678H的情况下,改变运算器的功能设置,观察运算器的输出,填入表1-3中,并和理论值进行比较和验证:
表1-3练习表
LT1
LT2
S3S2S1S0
M=0(算术运算)
M=1(逻辑运算)
Cn=1(无进位)
Cn=0(有进位)
1234H
5678H
F=
1234H
5678H
F=2468
F=2469
F=FFFF
F=68B0
F=68B1
F=BBB7
F=CDEB
F=CDEC
F=567C
F=1233
F=1234
实验二存储器读写实验
1.掌握半导体静态随机存储器RAM的特性和使用方法。
2.掌握地址和数据在计算机总线的传送关系。
3.了解运算器和存储器如何协同工作。
预习半导体静态随机存储器6116的功能。
电路图见图2-1,6116的管脚分配和功能见图2-2(a)、2-2(b):
图2-1存储器电路
图2-2(a)6116管脚分配图2-2(b)6116功能
实验中的静态存储器由2片6116(2K×
8)构成,其数据线D0~D15接到数据总线,地址线A0~A7由地址锁存器74LS273(集成于EP1K10内)给出。
黄色地址显示灯A7-A0与地址总线相连,显示地址总线的内容。
绿色数据显示灯与数据总线相连,显示数据总线的内容。
因地址寄存器为8位,接入6116的地址A7-A0,而高三位A8-A10接地,所以其实际容量为28=256字节。
6116有三个控制线,/CE(片选)、/R(读)、/W(写)。
其写时间与T3脉冲宽度一致。
当LARI为高时,T3的上升沿将数据总线的低八位打入地址寄存器。
当WEI为高时,T3的上升沿使6116进入写状态。
学习静态RAM的存储方式,往RAM的任意地址里存放数据,然后读出并检查结果是否正确。
6116为静态随机存储器,如果掉电,所存的数据全部丢失!
在进行单片机键盘控制实验时,必须把K4开关置于“OFF”状态,否则系统处于自锁状态,无法进行实验。
1.实验连线
实验连线图如图2-3所示。
连线时应按如下方法:
(注意:
F3只用一个排线插头孔)
图2-3键盘实验接线图
2.写数据
(1)拨动清零开关CLR,使其指示灯显示状态为亮—灭—亮。
(2)在监控指示灯滚动显示【CLASSSELECt】时按【实验选择】键,显示【ES--__】输入03或3,按【确认】键,监控指示灯显示为【ES03】,表示准备进入实验三程序,也可按【取消】键来取消上一步操作,重新输入。
再按【确认】键,进入实验三程序。
(3)监控指示灯显示为【CtL=--】,输入1,表示准备对RAM进行写数据,在输入过程中,可按【取消】键进行输入修改,按【确认】键。
(4)监控指示灯显示【Addr--】,提示输入2位16进制数地址,输入“00”按【确认】键,监控指示灯显示【dAtA】,提示输入写入存储器该地址的数据(4位16进制数),输入“3344”按【确认】键,监控指示灯显示【PULSE】,提示输入单步,按【单步】键,完成对RAM一条数据的输入,数据总线显示灯(绿色)显示“0011001101000100”,即数据“3344”,地址显示灯显示“00000000”,即地址“00”。
(5)监控指示灯重新显示【Addr--】,提示输入第二条数据的2位十六进制的地址。
重复上述步骤,按表2-1输入RAM地址及相应的数据。
表2-1数据表
地址(十六进制)
数据(十六进制)
00
3333
71
3434
42
3535
5A
5555
A3
6666
CF
ABAB
F8
7777
E6
9D9D
3.读数据及校验数据
(1)按【取消】键退出到监控指示灯显示为【ES03】,或按【RST】退到步骤2初始状态进行实验选择。
(2)拨动清零开关CLR,使其指示灯显示状态为亮—灭—亮。
在监控指示灯显示【ES03】状态下,按【确认】键。
(3)监控指示灯显示为【CtL=--】,输入2,表示准备对RAM进行读数据,按【确认】键。
(4)监控指示灯显示【Addr--】,提示输入2位16进制数地址,输入“00”,按【确认】键,监控指示灯显示【PULSE】,提示输入单步,按【单步】键,完成对RAM一条数据的读出,数据总线显示灯(绿色)显示“0011001101000100”,即数据“3344”,地址显示灯显示“00000000”,即地址“00”。
(5)监控指示灯重新显示【Addr--】,重复上述步骤读出表2-1的所有数据,注意观察数据总线显示灯和地址显示灯之间的对应关系,检查读出的数据是否正确。
实验三总线控制实验
一、实验目的:
1、了解总线的概念及其特性。
2、掌握总线的传输控制特性。
二、实验设备:
EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套,排线若干。
三、实验说明
1、总线的基本概念
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。
2、实验原理说明
在本实验中,挂接在数据总线上的有输入设备、输出设备、存储器和加法器。
为了使它们的输出互不干扰,就需要这些设备都有三态输出控制,且任意两个输出控制信号不能同时有效。
其结构如下图所示:
图3-1总线结构图
其中,数据输入电路和加法器电路结构见图1-5,地址寄存器和存储器电路见图2-1、2-3。
数码管显示电路用可编程逻辑芯片ATF16V8B进行译码和驱动,D-G为使能信号,W/R为写信号。
当D-G为低电平时,W/R的下降沿将数据线上的数据打入显示缓冲区,并译码显示。
本实验的流程为:
(1)输入设备将一个数打入LT1寄存器。
(2)输入设备将一个数打入LT2寄存器。
(3)LT1与LT2寄存器中的数相加。
(4)输入设备将另一个数打入地址寄存器。
(5)将两数之和写入当前地址的存储器中。
(6)将当前地址的存储器中的数用数码管显示出来。
四、实验连线
本实验采用开关方式,连线见下图。
对于竖排座,应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上)
图3-2总线控制实验接线图
五、实验步骤
1、按照上图所示将所有连线接好。
2、总线初始化。
关闭所有三态门置控制开关ALU_G=1(加法器控制信号),CA1=1(显示输出),CA2=1(数据输入),CE=1(存储器片选)。
其它控制信号为LOAD=0,AR=0,LPC=0,C=1,WE=1,A=1,B=1。
3、将D15—D0拨至“0001001000110100”,置CA2=0,LOAD=1,然后置LOAD=0,将“1234H”打入LT1寄存器。
4、将D15—D0拨至“010*********”,置AR=1,然后置AR=0,将“5678H”打入LT2寄存器。
5、将S3S2S1S0MCN拨至“100101”,计算两数之和。
6、将D7—D0拨至“00000001”,置LPC=1,然后置LPC=0,将“01H”打入地址寄存器。
7、置CA2=1,ALU-G=0,WE=0,CE=0,将上述计算结果写入当前地址的存储器中。
然后置CE=1,WE=1。
8、置ALU-G=1,CE=0,CA1=0,C=0,将当前地址的存储器中的数输出至数码管,然后置C=1,CE=1,CA1=1。
六、实验结果
照以上8步操作完成后,输出显示电路LED上显示“68AC”。
实验四微程序设计实验
深入掌握微程序控制器的工作原理,学会设计简单的微程序。
1.复习微程序控制器工作原理;
2.复习计算机微程序的有关知识。
EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一台,连接线若干。
四、微程序的设计
1.微指令格式
设计微指令编码格式的主要原则是使微指令字短、能表示可并行操作的微命令多、微程序编写方便。
微指令的最基本成份是控制场,其次是下地址场。
控制场反映了可以同时执行的微操作,下地址场指明下一条要执行的微指令在控存的地址。
微指令的编码格式通常指控制场的编码格式,以下几种编码格式较普遍。
1)最短编码格式
这是最简单的垂直编码格式,其特点是每条微指令只定义一个微操作命令。
采用此格式的微指令字短、容易编写、规整直观,但微程序长度长,访问控存取微指令次数增多从而使指令执行速度慢。
2)全水平编码格式
这种格式又称直接编码法,其特点是控制场每一位直接表示一种微操作命令。
若控制场长n位,则至多可表示n个不同的微操作命令。
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