北方工业大学《数字逻辑与计算机组成原理》课程运算器实验报告总结.docx

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北方工业大学《数字逻辑与计算机组成原理》课程运算器实验报告总结

计算机组成原理实验系统

实验指导书

北方工业大学计算机系

《数字逻辑与计算机组成原理》课程

实验报告

实验名称

实验一运算器实验

姓名

专业

计算机科学与技术

学号

实验日期

班级

成绩

一、实验目的和要求

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。

实验要求：

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。

2、实验内容（包括实验原理，必要实验原理图、连接图等）

1.实验原理及原理图：

运算器的结构框图见图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。

2.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）。

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的功能、管脚分配和引出端功能符号详见表1-1、图1-2和表1-2。

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和图1-4。

图1-274LS181管脚分配表1-274LS181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。

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

F=0

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

F=A*/B

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

F=（A+B）加A

F=（A+B）加A加1

1110

F=A+B

F=（A+/B）加A

F=（A+/B）加A加1

1111

F=A

F=A减1

F=A

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

3.连接图：

线路图：

三、实验过程（写清楚实验过程做的主要步骤，有程序设计的实验写出程序设计思路、流程图等）

1.实验步骤：

1）拨动清零开关CLR，使其指示灯。

再拨动CLR，使其指示灯亮。

置ALU-G＝1：

关闭ALU的三态门；再置C-G=0：

打开数据输入电路的三态门；

2）向数据暂存器LT1（Ｕ3、U4）中置数：

（1）设置数据输入电路的数据开关“D15……D0”为要输入的数值；

（2）置LDR1＝1：

使数据暂存器LT1（Ｕ3、U4）的控制信号有效，置LDR2＝0：

使数据暂存器LT2（Ｕ5、U6）的控制信号无效；

（3）按一下脉冲源及时序电路的【单脉冲】按钮，给暂存器LT1送时钟，上升沿有效，把数据存在LT1中。

3）向数据暂存器LT2（Ｕ5、U6）中置数：

（1）设置数据输入电路的数据开关“D15……D0”为想要输入的数值；

（2）置LDR1＝0：

数据暂存器LT1的控制信号无效；置LDR2＝1：

使数据暂存器LT2的控制信号有效。

（3）按一下脉冲源及时序电路的“单脉冲”按钮，给暂存器LT2送时钟，上升沿有效，把数据存在LT2中。

（4）置LDR1＝0、LDR2＝0，使数据暂存器LT1、LT2的控制信号无效。

4）检验两个数据暂存器LT1和LT2中的数据是否正确：

（1）置C-G=1，关闭数据输入电路的三态门，然后再置ALU-G=0，打开ALU的三态门；

（2）置“S3S2S1S0M”为“11111”，数据总线显示灯显示数据暂存器LT1中的数，表示往暂存器LT1置数正确；

（3）置“S3S2S1S0M”为“10101”，数据总线显示灯显示数据暂存器LT2中的数，表示往暂存器LT2置数正确。

4、实验结果与分析（写清楚实验结果并分析，写出不少于200字的心得）

1.实验结果：

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

0000

F=

F=

F=

0001

F=

F=

F=

0010

F=

F=

F=

0011

F=

F=

F=

0100

F=

F=

F=

0101

F=

F=

F=

0110

F=

F=

F=

0111

F=

F=

F=

1000

F=

F=

F=

1001

F=

F=

F=

1010

F=

F=

F=

1011

F=

F=

F=

1100

F=

F=

F=

1101

F=

F=

F=

1110

F=

F=

F=

1111

F=

F=

F=

2.实验心得：

本次试验我们首先动手实践的是开关控制操作方式实验。

为了保证第一次实验能够顺利的进行，我和我的搭档在做实验前事先对实验进行了预习。

因此对做实验起到了很大的帮助，另外，指导老师在大家真正进行实验前，强调了为了使连线统一，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。

指导老师还提醒我们ALU-G和C-G不能同时为0，否则造成总线冲突以致于损坏芯片！

我和搭档在做实验时遇到的最大问题就是在输入数据时D15—D0的对应问题，是用4位二进制数来表示一位数字。

经过老师的讲解和帮助，我们解决了这个问题，并输入了多组数据，同时观察了算术运算和逻辑运算的输出值的不同。

通过这次实验我们需要掌握运算器的组成及工作原理，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；验证带进位控制的74LS181的功能。

实验名称

实验二存储器读写和总线控制实验

姓名

专业

计算机科学与技术

学号

实验日期

班级

成绩

一、实验目的和要求

1.实验目的：

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。

2.实验要求：

预习半导体静态随机存储器6116的功能。

二、实验内容（包括实验原理，必要实验原理图、连接图等）

1.实验原理：

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。

实验目的：

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。

2.电路组成：

电路图见图3-1，6116的管脚分配和功能见图3-2。

3.连接图：

线路图：

三、实验过程（写清楚实验过程做的主要步骤，有程序设计的实验写出程序设计思路、流程图等）

注：

为了避免总线冲突，首先将控制开关电路的所有开关拨到输出高电平“1”状态，所有对应的指示灯亮。

本实验中所有控制开关拨动，相应指示灯亮代表高电平“1”，指示灯灭代表低电平“0”。

连线时应注意：

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。

2、拨动清零开关CLR，使其指示灯显示状态为亮—灭—亮。

3、往存储器写数据：

以往存储器的（FF）地址单元写入数据“AABB”为例，操作过程如下：

4、按上述步骤按表3－2所列地址写入相应的数据

5、从存储器里读数据：

以从存储器的（FF）地址单元读出数据“AABB”为例，操作过程如下：

6、按上述步骤读出表3－2数据，验证其正确性。

四、实验结果与分析（写清楚实验结果并分析，写出不少于200字的心得）

1.实验结果·：

输入存储器中的数据以及地址均成功读出。

2.实验心得：

首先我在做实验前预习半导体静态随机存储器6116的功能及相应实验指导书的工作原理及原理图、实验连接图。

其次在实验过程当中要注意为了避免总线冲突，首先将控制开关电路的所有开关拨到输出高电平“1”状态，所有对应的指示灯亮。

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。

这次实验需要我们掌握半导体静态随机存储器RAM的特性和使用方法，并且清楚地址和数据在计算机总线的传送关系，了解运算器和存储器如何协同工作。

将数据及地址写入存储器中，再将该数据通过存储器的读操作读出，将所有数据及地址意义读入写出即可。

实验名称

实验三微程序控制器原理实验，实验四微程序设计实验

姓名

专业

计算机科学与技术

学号

实验日期

班级

成绩

一、实验目的和要求

（1）微程序控制器原理实验

1.实验目的：

掌握微程序控制器的组成及工作过程；

2.实验要求：

1．复习微程序控制器工作原理；

2．预习本电路中所用到的各种芯片的技术资料。

（2）微程序设计实验

1.实验目的：

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。

2.实验要求：

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。

二、实验内容（包括实验原理，必要实验原理图、连接图等）

微程序控制器原理实验

1.实验原理：

1、写入微指令：

在写入状态下，图4-1（a）中K2须为高电平状态，K3须接至脉冲/T1端，否则无法写入。

MS1—MS24为24位写入微代码，在键盘方式时由键盘输入，在开关方式时由24位微代码开关提供。

uA5—uA0为写入微地址，在键盘方式时由键盘输入，在开关方式时由微地址开关提供。

K1须接低电平使74LS374有效，在脉冲T1时刻，uAJ1的数据被锁存形成微地址（如图4-1（b）所示），同时写脉冲将24位微代码写入当前微地址中（如图4-1（a）所示）。

2、读出微指令：

在写入状态下，图4-1（a）中K2须为低电平状态，K3须接至高电平。

K1须接低电平使74LS374有效，在脉冲T1时刻，uAJ1的数据被锁存形成微地址uA5—uA0（如图4-1（b）所示），同时将当前微地址的24位微代码由MS1—MS24输出。

3、运行微指令：

在运行状态下，K2接低电平，K3接高电平。

K1接高电平。

使控制存储器2816处于读出状态，74LS374无效因而微地址由微程序内部产生。

在脉冲T1时刻，当前地址的微代码由MS1—MS24输出；T2时刻将MS24—MS7打入18位寄存器中，然后译码输出各种控制信号（如图4-1（c）所示，控制信号功能见实验五）；在同一时刻MS6—MS1被锁存，然后在T3时刻，由指令译码器输出的SA5—SA0将其中某几个触发器的输出端强制置位，从而形成新的微地址uA5—uA0，这就是将要运行的下一条微代码的地址。

当下一个脉冲T1来到时，又重新进行上述操作。

4、脉冲源和时序：

在开关方式下，用脉冲源和时序电路中“脉冲源输出”作为时钟信号，f的频率为1MHz，f/2的频率为500KHz，f/4的频率为250KHz，f/8的频率为125KHz，可根据实验自行选择一种频率的方波信号。

每次实验时，只需将“脉冲源输出”的四个方波信号任选一种接至“信号输入”的“fin”，时序电路即可产生4种相同频率的等间隔的时序信号T1~T4。

电路提供了四个按钮开关，以供对时序信号进行控制。

工作时，如按一下“单步”按钮，机器处于单步运行状态，即此时只发送一个CPU周期的时序信号就停机，波形见图4-8。

利用单步运行方式，每次只读一条微指令，可以观察微指令的代码与当前微指令的执行结果。

如按一下“启动”按钮，机器连续运行，时序电路连续产生如图4-9的波形。

此时，按一下“停止”按钮，机器停机。

按动“单脉冲”按钮，“T+”和“T-”输出图4－10的波形：

各个实验电路所需的时序信号端均已分别连至“控制总线”的“T1、T2、T3、T4”，实验时只需将―脉冲源及时序电路”模块的“T1、T2、T3、T4”端与“控制总线”的“T1、T2、T3、T4”端相连，即可给电路提供时序信号。

对于键盘方式的实验，所需脉冲信号由系统监控产生（其波形与脉冲方式相同），并通过控制总线的F1—F4输出。

实验时只需将“控制总线”的“F4F3F2F1”与“T4T3T2T1”相连，即可给电路提供时序信号。

实验目的：

往EEPROM里任意写24位微代码，并读出验证其正确性。

本实验中所有控制开关拨动，相应指示灯亮代表高电平“1”，指示灯灭代表低电平“0”。

为了避免总线冲突，首先将控制开关电路的所有开关拨到输出高电平“1”状态，所有对应的指示灯亮。

连线时应注意：

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。

按图4－12接线图接线：

2.电路组成：

微程序控制器的原理图见图4-1（a）、4-1（b）、4-1（c）。

以上电路除一片三态输出8D触发器74LS374、三片EEPROM2816和一片三态门74LS245，其余逻辑控制电路均集成于EP1K10内部。

28C16、74LS374、74LS245芯片的技术资料分别见图4-2~图4-4。

线路图：

微程序设计实验

1.实验内容：

编写几条可以连续运行的微代码，熟悉本实验系统的微代码设计方式。

表5－2为几条简单的可以连续运行的二进制微代码表：

注意UA5-------UA0的编码规律，观察后续地址。

表5-2实验五微代码表

以下举例说明微代码的含义：

1、微地址“000011”：

读Y1设备上的数据，并将该数据打入地址寄存器。

然后跳转至微地址“000100”。

2、微地址“000100”：

读Y1设备上的数据，并将该数据打入运算暂存器2，然后跳转至微地址“001000”。

3、微地址“011000”：

运算暂存器1数据输出至数据总线，将该数据写入Y1设备，然后跳转至微地址“011001”。

4、微地址“011001”：

读Y1设备上的数据，然后进行P1测试。

由于未对指令寄存器操作，I7—I0均为0，强制置位无效，仍跳转至后续微地址“000000”。

本实验中所有控制开关拨动，相应指示灯亮代表高电平“1”，指示灯灭代表低电平“0”。

为了避免总线冲突，首先将控制开关电路的所有开关拨到输出高电平“1”状态，所有对应的指示灯亮。

连线时应注意：

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。

按图5－6接线图接线：

三、实验过程（写清楚实验过程做的主要步骤，有程序设计的实验写出程序设计思路、流程图等）

（一）微程序控制器原理实验

实验步骤：

1）观测时序信号：

用双踪示波器观察脉冲源及时序电路的“f/4”、“T1、T2、T3、T4”端，按动【启动】按钮，观察“f/4”、“T1、T2、T3、T4”各点的波形，比较它们的相互关系，画出其波形，并与图4－9比较。

2）写微代码（以写表4-1的微代码为例）：

首先将微程序控制电路上的开关K1K2K3拨到写入状态，即K1off、K2on、K3off，然后将24位微代码输入及显示电路上的开关K4拨到on状态。

置控制开关UA5……UA0=“000000”，输入微地址“000000”，置24位微代码开关MS24---MS1为：

“000000000000000000000001”，按脉冲源及时序电路的【单步】，黄色微地址灯显示“000000”，表明已写入微代码。

保持K1K2K3K4状态不变，写入表4－1的所有微代码。

3）读微代码并验证结果：

将微程序控制电路上的开关K1K2K3拨到读出状态，即K1off、K2off、K3on，然后将24位微代码输入及显示电路上的开关K4拨到off状态。

置控制开关UA5……UA0=“000000”，输入微地址“000000”，按脉冲源及时序电路的【单步】，黄色微地址灯显示“000000”，24位微代码显示“000000000000000000000001”，即第一条微代码。

保持K1K2K3K4状态不变，改变UA5……UA0微地址的值，读出相应的微代码，并和表4－1的微代码比较，验证是否正确。

（二）微程序设计实验

实验步骤：

2）写微代码（以写表5-3的微代码为例）：

首先将微程序控制电路上的开关K1K2K3拨到写入状态，即K1off、K2on、K3off，然后将24位微代码输入及显示电路上的开关K4拨到on状态。

置控制开关UA5……UA0=“000000”，输入微地址“000000”，置24位微代码开关MS24---MS1为：

“000000000000000000000001”，输入24位二进制微代码，按【单步】，红色微地址灯显示“000000”，写入微代码。

保持K1K2K3K4状态不变，写入表4－1的所有微代码。

3）读微代码并验证结果：

将微程序控制电路上的开关K1K2K3拨到读出状态，即K1off、K2off、K3on，然后将24位微代码输入及显示电路上的开关K4拨到off状态。

置控制开关UA5……UA0=“000000”，输入微地址“000000”，按【单步】，黄色微地址灯显示“000000”，24位微代码显示“000000000000000000000001”，即第一条微代码。

保持K1K2K3K4状态不变，改变UA5……UA0微地址的值，读出相应的微代码，并和表5－3的微代码比较，验证是否正确。

如发现有误，则需重新输入微代码。

4）运行微代码：

将微程序控制电路上的开关K1K2K3拨到运行状态，即K1on、K2off、K3on，然后将24位微代码输入及显示电路上的开关K4拨到off状态。

拨动控制开关电路上的清零开关CLR，使微地址和地址指示灯全灭。

置控制开关“UA5------UA0＝“000000”，程序运行入口地址为000000，按【单步】，运行微代码，观察黄色微地址显示灯，显示“000001”，再按【单步】，显示为“000010”，连续按【单步】，则可单步运行微代码，注意观察微地址显示灯和微代码的对应关系，微地址显示灯显示从“000000”开始，到“000001”、“000010”、“000011”、“000100”、“001000”、“001001”、“010000”、“010101”、“011000”、“011001”再到“000000”，循环显示。

四、实验结果与分析（写清楚实验结果并分析，写出不少于200字的心得）

1.实验结果：

2.实验心得：

本次试验主要研究的问题是微程序的设计，这次实验要求我们在实验前应当复习微程序控制器工作原理以及计算机微程序的有关知识。

复习微程序控制器工作原理也是必不可少的，这些我和我的搭档通过查阅资料以及翻阅实验指导书从而进行了复习和学习。

按照实验指导书上的步骤，我们需要将列表中的位地址及24位微代码全部输入，在这过程当中由于数字过多，输入出现了问题，经过读操作时发现了问题，于是重新修改，并验证正确。

本实验中K1，K2，K3经常是容易忽略的步骤，经常因为三个开关的设定忘了改变而导致输入，读出出现问题。

通过本次试验，将实验三和实验四的原理在实践中实现了掌握，同时也使微程序这块知