计算机组成基本知识实验报告四个实验图.docx
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计算机组成基本知识实验报告四个实验图
福建农林大学计算机与信息学院
计算机类
实验报告
课程名称:
计算机组成原理
姓名:
系:
计算机
专业:
计算机科学与技术
年级:
2012级
学号:
指导教师:
张旭玲
职称:
讲师
2014年06月22日
序号
实验项目名称
成绩
指导教师
1
算术逻辑运算单元实验
张旭玲
2
存储器和总线实验
张旭玲
3
微程序控制单元实验
张旭玲
4
指令部件模块实验
张旭玲
实验项目列表
福建农林大学计算机与信息学院信息工程类实验报告
系:
计算机专业:
计算机科学与技术年级:
2012级
姓名:
周孙彬学号:
3126010050实验课程:
实验室号:
_______实验设备号:
实验时间:
指导教师签字:
成绩:
实验一算术逻辑运算单元实验
实验目的
1、掌握简单运算器的数据传输方式
2、掌握74LS181的功能和应用
实验要求
完成不带进位位算术、逻辑运算实验。
按照实验步骤完成实验项目,了解算术逻辑运算单元的运行过程。
实验说明
1、ALU单元实验构成(如图2-1-1)
1、运算器由2片74LS181构成8位字长的ALU单元。
2、2片74LS374作为2个数据锁存器(DR1、DR2),8芯插座ALU-IN作为数据输入端,可通过短8芯扁平电缆,把数据输入端连接到数据总线上。
运算器的数据输出由一片74LS244(输出缓冲器)来控制,8芯插座ALU-OUT作为数据输出端,可通过短8芯扁平电缆把数据输出端连接到数据总线上。
图2-1-1
图2-1-2
2、ALU单元的工作原理(如图2-1-2)
数据输入锁存器DR1的EDR1为低电平,并且D1CK有上升沿时,把来自数据总线的数据打入锁存器DR1。
同样使EDR2为低电平、D2CK有上升沿时把数据总线上的数据打入数据锁存器DR2。
算术逻辑运算单元的核心是由2片74LS181组成,它可以进行2个8位二进制数的算术逻辑运算,74LS181的各种工作方式可通过设置其控制信号来实现(S0、S1、S2、S3、M、CN)。
当实验者正确设置了74LS181的各个控制信号,74LS181会运算数据锁存器DR1、DR2内的数据。
由于DR1、DR2已经把数据锁存,只要74LS181的控制信号不变,那么74LS181的输出数据也不会发生改变。
输出缓冲器采用74LS244,当控制信号ALU-O为低电平时,74LS244导通,把74LS181的运算结果输出到数据总线;当ALU-O为高电平时,74LS244的输出为高阻。
实验步骤
1、不带进位位逻辑或运算实验
把ALU-IN(8芯的盒型插座)与CPT-B板上的二进制开关单元中J01插座相连(对应二进制开关H16~H23),把ALU-OUT(8芯的盒型插座)与数据总线上的DJ2相连。
把D1CK和D2CK用连线连到脉冲单元的PLS1上,把EDR1、EDR2、ALU-O、S0、S1、S2、S3、CN、M接入二进制开关(请按下表接线)。
控制信号
接入开关位号
D1CK
PLS1孔
D2CK
PLS1孔
EDR1
H8孔
EDR2
H7孔
ALU-O
H6孔
CN
H5孔
M
H4孔
S3
H3孔
S2
H2孔
S1
H1孔
S0
H0孔
按启停单元中的运行按钮,使实验平台处于运行状态。
二进制开关H16~H23作为数据输入,置33H(对应开关如下表)。
H23
H22
H21
H20
H19
H18
H17
H16
数据总线值
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
8位数据
0
0
1
1
0
0
1
1
33H
置各控制信号如下:
H8
H7
H6
H5
H4
H3
H2
H1
H0
EDR1
EDR2
ALU-O
CN
M
S3
S2
S1
S0
0
1
0
1
1
1
1
1
0
按脉冲单元中的PLS1脉冲按键,在D1CK上产生一个上升沿,把33H打入DR1数据锁存器,通过逻辑笔或示波器来测量确定DR1寄存器(74LS374)的输出端,检验数据是否进入DR1中。
二进制开关H16~H23作为数据输入,置55H(对应开关如下表)。
H23
H22
H21
H20
H19
H18
H17
H16
数据总线值
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
8位数据
0
1
0
1
0
1
0
1
55H
置各控制信号如下:
H8
H7
H6
H5
H4
H3
H2
H1
H0
EDR1
EDR2
ALU-O
CN
M
S3
S2
S1
S0
1
0
0
1
1
1
1
1
0
按脉冲单元中的PLS1脉冲按键,在D2CK上产生一个上升沿的脉冲,把55H打入DR2数据锁存器。
经过74LS181的计算,把运算结果(F=A或B)输出到数据总线上,数据总线上的LED显示灯IDB0~IDB7应该显示为77H。
实验结果
2、不带进位位加法运算实验
二进制开关H16~H23作为数据输入,置33H(对应开关如下表)。
H23
H22
H21
H20
H19
H18
H17
H16
数据总线值
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
8位数据
0
0
1
1
0
0
1
1
33H
置各控制信号如下:
H8
H7
H6
H5
H4
H3
H2
H1
H0
EDR1
EDR2
ALU-O
CN
M
S3
S2
S1
S0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
按脉冲单元中的PLS1脉冲按键,在D1CK上产生一个上升沿,把33H打入DR1数据锁存器,通过逻辑笔或示波器来测量确定DR1寄存器(74LS374)的输出端,检验数据是否进入DR1中。
二进制开关H16~H23作为数据输入,置55H(对应开关如下表)。
H23
H22
H21
H20
H19
H18
H17
H16
数据总线值
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
8位数据
0
1
0
1
0
1
0
1
55H
置各控制信号如下:
H8
H7
H6
H5
H4
H3
H2
H1
H0
EDR1
EDR2
ALU-O
CN
M
S3
S2
S1
S0
1
0
0
1
0
1
0
0
1
按脉冲单元中的PLS1脉冲按键,在D2CK上产生一个上升沿,把55H打入DR2数据锁存器。
经过74LS181的计算,把运算结果(F=A加B)输出到数据总线上,数据总线上的LED显示灯IDB0~IDB7应该显示为88H。
实验结果
实验二存储器和总线实验
实验目的
熟悉存储器和总线的硬件电路
实验要求
按照实验步骤完成实验项目,熟悉存储器的读、写操作,理解在总线上数据传输的方法。
实验说明
1、存储器和总线的构成
总线由1片74LS245、1片74LS244组成,把整个系统分为内部总线和外部总线。
2片74LS374锁存当前的数据、地址总线上的数据以供LED显示。
(如图2-4-1)存储器采用静态1片RAM(6264)。
存储器的控制电路由1片74LS32和74LS08组成。
(如图2-4-2)
图2-4-1图2-4-2
2、存储器和总线的原理
(1)总线的原理:
由于本系统内使用8根地址线、8根数据线,所以使用1片74LS245作为数据总线,另1片74LS244作为地址总线(见图2-4-3)。
总线把整个系统分为内部数据、地址总线和外部数据、地址总线,由于数据总线需要进行内、外部数据的交换,所以由BUS信号来控制数据的流向,当BUS=1时数据由内到外,当BUS=0时,数据由外到内。
图2-4-3
(2)由于本系统内使用8根地址线、8位数据线,所以6264的A8~A12接地,其实际容量为256个字节(如图2-4-4)。
6264的数据、地址总线已经接在总线单元的外部总线上。
存储器有3个控制信号:
地址总线设置存储器地址,RM=0时,把存储器中的数据读出到总线上;当WM=0,并且EMCK有一个上升沿时,把外部总线上的数据写入存储器中。
为了更方便地编辑内存中的数据,在实验平台处于停机状态时,可由监控来编辑其中的数据。
图2-4-4
3、控制信号说明
信号名称
作用
有效电平
BUS
总线方向选择
RM
6264的读允许信号
低电平有效
WM
6264的写允许信号
低电平有效
EMCK
6264的写入脉冲信号
上升沿有效
CR
监控对6264的读允许信号
低电平有效
CW
监控对6264的写允许信号
低电平有效
M/C
监控选择程序空间或微程序空间
实验步骤
1、存储器的写操作
把内部地址总线AJ1(8芯盒形插座)与CPT-B板上的二进制开关单元中J03插座相连(对应二进制开关H0~H7),把内部数据总线DJ8与CPT-B板上的J02插座相连(对应二进制开关H8~H15)。
把EMCK连到脉冲单元的PLS1,WC、RC、BUS接入二进制的开关中。
(请按下表接线)。
信号定义
接入开关位号
EMCK
PLS1孔
WM
H22孔
RM
H21孔
BUS
H21孔
按启停单元中的运行按钮,置实验平台为运行状态。
二进制开关H0~H7作为地址(A0~A7)输入,置55H(对应开关如下表)。
H7
H6
H5
H4
H3
H2
H1
H0
数据总线值
A7
A6
A5
A4
A3
A2
A1
A0
8位数据
0
1
0
1
0
1
0
1
55H
二进制开关H8~H15作为数据(D0~D7)输入,置66H(对应开关如下表)。
H15
H14
H13
H12
H11
H10
H9
H8
数据总线值
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
8位数据
0
1
1
0
0
1
1
0
66H
置各控制信号如下:
H22
H21
WM
RM、BUS
0
1
按脉冲单元中的PLS1脉冲按键,在EMCK上产生一个上升沿,数据从内部数据总线流向外部数据总线,将数据66H写入地址为55H的存储单元。
2、读存储器的数据到总线上
在做好实验1的基础上,保持电源开启和线路连接不变,只拔掉内部数据总线DJ8与CPT-B板上的J02插座(对应二进制开关H8~H15)的连接。
按启停单元中的运行按钮,置实验平台为运行状态。
二进制开关H0~H7作为地址(A0~A7)输入,置55H(对应开关如下表)
H7
H6
H5
H4
H3
H2
H1
H0
数据总线值
A7
A6
A5
A4
A3
A2
A1
A0
8位数据
0
1
0
1
0
1
0
1
55H
置各控制信号如下:
H22
H21
WM
RM、BUS
1
0
按脉冲单元中的PLS1脉冲按键,在EMCK上产生一个上升沿,数据从外部数据总线流向内部数据总线,将存储器55H单元中的内容输出,应该为实验1中的写入的数据66H。
此时数据总线上的指示灯IDB0~IDB7显示结果66H。
实验结果
实验三微程序控制单元实验
实验目的
1、熟悉微程序控制器的原理
2、掌握微程序编制、写入并观察运行状态
实验要求
按照实验步骤完成实验项目,掌握设置微地址、微指令输出的方法
实验说明
1、微程序控制单元的构成:
(如图2-6-1)
8位微地址寄存器由2片74LS161组成;3片6264(3*8位)为微程序存储器;24位微指令锁存器由3片74LS374组成。
图2-6-1
2、微程序控制单元原理:
(如图2-6-2)
由于本系统中指令系统规模不大、功能较简单,微指令可以采用全水平、不编码的方式,每一个微操作控制信号由1位微代码来表示,24位微代码至少可表示24个不同的微操作控制信号。
如要实现更多复杂的操作可通过增加一些译码电路来实现。
增量方式来控制微代码的运行顺序,每一条指令的微程序连续存放在微指令存储器连续的单元中。
每一指令的微程序的入口地址是通过对指令操作码的编码来形成的。
在本系统内指令码最长为8位,那么最多可形成256条指令。
在微程序存储器的0单元存放取指指令,在启动时微地址寄存器清零,执行取指指令。
每一段微程序都以取指指令结束,以取得下一条指令。
在本系统内,MLD为置微地址的控制信号,MCK为工作脉冲。
当MLD=0、MCK有上升沿时,把MD0~MD7的值作为微程序的地址,打入微地址寄存器。
当MLD=1、MCK有上升沿时,微地址计数器自动加1。
图2-6-2
3、控制信号说明:
信号名称
作用
有效电平
MCK
微程序工作脉冲
上升沿用效
MOCK
微程序存储器输出工作脉冲
低电平有效
MLD
微地址控制信号
低电平有效
MD0—MD7
微地址选择开关
实验步骤:
将MD0~MD7、MLD接入二进制的开关上,将MCK、MOCK分别接入脉冲单元上的PLS1、PLS2上。
(请按下表接线)。
信号定义
接入开关位号
MCK
PLS1孔
MOCK
PLS2孔
MD0
H0孔
MD1
H1孔
MD2
H2孔
MD3
H3孔
MD4
H4孔
MD5
H5孔
MD6
H6孔
MD7
H7孔
MLD
H23孔
按启停单元中的停止按键,使实验平台处于停机状态。
通过键盘把数据写入微程序存储器中,例如微地址0H中输入11H、11H、11H三个字节、在05H中输入55H、55H、55H三个字节、在06H中输入66H、66H、66H。
键盘监控的使用方法请参阅第4章《键盘监控》。
1、微地址打入操作
按启停单元中的停止按键,使实验平台处于停机状态,此时微地址寄存器被清零。
按启停单元中的运行按键,使实验平台处于运行状态。
此时微程序存储器为读状态,微地址寄存器(74LS161)确定了当前微程序存储器的地址,并且输出24位微操作(M0~M23)。
按脉冲单元中的PLS2脉冲按键,在MOCK上产生一个上升沿,把当前微程序存储器输出的微指令打入微指令锁存器。
可在CPT-B上的微指令指示灯显示出当前微指令,应为11H,11H,11H。
置MLD=0,微代码的地址MD0~MD7(对应二进制开关H0~H7)为05H(对应开关如下表)。
H7
H6
H5
H4
H3
H2
H1
H0
H23
MD7
MD6
MD5
MD4
MD3
MD2
MD1
MD0
MLD
0
0
0
0
0
1
0
1
0
按脉冲单元中的PLS1脉冲按键,在MCK上产生一个上升沿,把MD0~MD7打入74LS161,微地址显示灯MA0~MA7将显示05H,微程序存储器把05H单元的内容输出。
按脉冲单元中的PLS2脉冲按键,在MOCK上产生一个上升沿的脉冲,把当前微指令打入微指令锁存器,在CPT-B板上的微指令指示灯应显示55H,55H,55H。
注意:
微代码由3片74LS374作为微指令锁存器,它的OE端已经接地,只要MOCK端上有上升沿,即可锁存并输出微代码。
实验结果
2、微地址+1操作
置MLD=1。
按启停单元中的运行按键,使实验平台处于运行状态。
按脉冲单元中的PLS1脉冲按键,在MCK上产生一个上升沿,微地址寄存器自动加1。
若原来微地址寄存器的值为05H,那么当前的微地址显示灯MA0~MA7将显示06H,同时微程序存储器输出06H单元中的内容。
按脉冲单元中的PLS2脉冲按键,在MOCK上产生一个上升沿,将微程序存储器的输出的微指令,打入微指令锁存器并输出,在CPT-B板上的微指令指示灯应显示66H,66H,66H。
实验结果
实验四指令部件模块实验
实验目的
1、掌握指令部件的组成方式。
2、熟悉指令寄存器的打入操作,PC计数器的设置和加1操作,理解跳转指令的实现过程。
实验要求
按照实验步骤完成实验项目,掌握数据打入指令寄存器IR1、PC计数器的重置,PC计数器自动加1和实现跳转指令的方法。
实验说明
1、指令部件模块实验的构成:
1片74LS374作为指令模块的指令寄存器IR1,另1片74LS374作为地址锁存器IR2。
8芯插座PC-IN作为数据输入端,可通过短8芯扁平电缆把数据输入端连接到数据总线上。
2片74LS161作为PC计数器。
2片74LS245(同时只有1片输出)作为当前地址的输出。
8芯插座PC-OUT作为地址输出端,可通过短8芯扁平电缆把地址输出端连接到地址总线上。
1片74LS153来实现多种条件跳转指令(JZ,JC,JMP等跳转指令)。
图2-7-1
2、指令部件模块原理:
(如图2-7-2)
指令寄存器IR1(74LS374)的EIR1为低电平并且IR1CK有上升沿时,把来自数据总线的数据打入IR1,IR1的输出就作为本系统内的8位指令I0~I7。
在本系统内由这8位指令可最多译码256条不同的指令,通过编码可对应出这些指令在微程序存储器中入口地址,并且输出相应的微指令。
2片74LS161组成了PC计数器,它由信号ELP、信号PC-O、脉冲PCCK来控制PC计数器+1和PC计数器置数操作。
在停机状态下,由控制台置起始地址,给出打入脉冲并置入74LS161。
当ELP=0,PCCK有上升沿时可重新置PC值。
当PCO=0、ELP=1,PCCK是上升沿时把当前PC计数器加1,并且把PC计数器的值作为地址输出到地址总线上。
置EIR2为低电平,并且IR2CK有上升沿时,数据总线的数据打入IR2锁存器后,置IR2-O=0,PC-O=1时,把IR2的值作为地址输出到地址总线上。
74LS153是4选1的芯片,可通过JS0、JS1来选择用JC还是JZ来实现条件跳转的指令。
JS1
JS0
功能
0
0
选择JZ当通用寄存器为0时跳转
0
1
选择JC当进位寄存器为0时跳转
1
0
选择JN提供给用户自定义,JN=0跳转
1
1
重新设置当前PC指针,实现JMP指令
3、控制信号说明
信号名称
作用
有效电平
IR1CK
IR1的工作脉冲
上升沿有效
IR2CK
IR2的工作脉冲
上升沿有效
PCCK
PC计数器工作脉冲
上升沿有效
EIR1
选通指令寄存器IR1
低电平有效
EIR2
选通指令寄存器IR2
低电平有效
IR2-O
IR2输出允许
低电平有效
PC-O
PC计数器内容输出允许
低电平有效
ELP
74LS161控制信号
高电平可重置PC值;低电平时PC值自动加1
JS0-JS1
选择开关
见上表
JZ
条件跳转
为零跳转
实验步骤
在启停单元中按“运行”按钮,使实验平台处于运行状态。
把EIR1,EIR2,PC-O,IR2-O,ELP,JS0,JS1接入二进制拨位开关中。
把IR1CK和IR2CK接入脉冲单元PLS1,PCCK接入PLS2中。
用长8位扁平电缆把PC-IN与CPT-B板上的二进制开关单元中J03相连(对应二进制开关H0~H7),PC-OUT用短8位扁平电缆连接地址总线AJ1,其他控制信号请按下表接线。
信号定义
接入开关位号
IR1CK
PLS1孔
IR2CK
PLS1孔
PCCK
PLS2孔
EIR1
H20孔
EIR2
H19孔
IR2-0
H18孔
PC-O
H17孔
ELP
H16孔
JS0
H15孔
JS1
H14孔
JZ
H13孔
图2-7-2
1、PC计数器置数
二进制开关H0~H7作为数据输入,置05H(对应开关如下表)。
H7
H6
H5
H4
H3
H2
H1
H0
数据总线值
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
8位数据
0
0
0
0
0
1
0
1
05H
置控制信号如下:
H20
H19
H18
H17
H16
H15
H14
EIR1
EIR2
IR2-O
PC-O
ELP
JS0
JS1
1
0
1
1
0
1
1
按启停单元中的运行按键,使实验平台处于运行状态。
按脉冲单元中的PLS1脉冲按键,在IR2CK上产生一个上升沿,把当前数据总线数据打入IR2锁存器,按脉冲单元中的PLS2脉冲按键,在PCCK上产生一个上升沿,将IR2锁存器中的地址打入PC计数器(2片74LS161)中,这样的操作过程可实现无条件跳转指令。
若要观测输出结果,再置信号PC-O=0,此时PC计数器把其内容作为地址输出到地址总线上,地址总线上的指示灯IAB0~IAB7应显示05H。
实验结果
2、PC计数器加1
完成实验1后,重置各控制信号如下:
H20
H19
H18
H17
H16
H15
H14
EIR1
EIR2
IR2-O
PC-O
ELP
JS0
JS1
1
1
1
0
1
1
1
按脉冲单元中的PLS2脉冲按键,在PCCK上产生一个上升沿,因PC-O=0,PC计数器将加1,PC计数器为06H,并且输出至地址总线。
此时地址总线上的指示灯IAB0~IAB7应显示06H。
实验结果
3、置当前指令寄存器
二进制开关H0~H7作为数据输入,置5FH(对应开关如下表)。
H7
H6
H5
H4
H3
H2
H1
H0
数据总线值
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
8位数据
0
1
0
1
1
1
1
1
5FH
置控制信号如下:
H20
H19
H18
H17
H16
H15
H14
EIR1
EIR2
IR2-O
PC-O
ELP
JS0
JS1
0
1
1
1
1
0
0
按启停单元中的运行按键,使实验平台处于运行状态。
按脉冲单元中的PLS1脉冲按键,在IR1CK上产生一个上升沿,把当前数据总线数据5FH打入IR1锁存器,表示当前运
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