计算机组成原理实验指导书终稿 1.docx
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计算机组成原理实验指导书终稿1
《计算机组成原理》
实验指导书
广东石油化工学院计算机与电子信息学院计算机系
前言
实验是《计算机组成原理》课程教学计划中不可缺少的教学环节之一,通过实验,可以使学生对课堂理论教学内容加以巩固和理解,并掌握计算机的原理和设计方法。
能更好的培养学生的创新意识和设计能力。
同时,也可对新型计算机的体系结构方面有一个比较深入的认识和理解。
本实验指导书是依托学校现有的TDN-CM++教学实验设备以及相关专业(计算机科学与技术;网络工程)培养规划而编写。
主要目的是:
(1)进一步融会贯通教材内容,掌握计算机各功能模块的工作原理、相互联系和来龙去脉;
(2)掌握整机构成方法,各部件分工情况和协调工作的情况;(3)激发学生的学习热情和主动性,培养学生的独立工作能力。
(4)培养严谨的科研作风,使学生养成对待科学要一丝不苟,精益求精的工作态度。
本书只做为广东石油化工学院计算机系《计算机组成原理》课程实验教学使用。
目录
前言
实验一算术逻辑运算实验....................................4
实验二静态随机存储器实验..................................9
实验三微程序控制器实验...................................13
实验四总线基本实验.......................................23
实验五整机实验...........................................26
复杂模型机设计.............................................34
实验一算术逻辑运算实验
一. 实验目的
(1)了解运算器的组成结构。
(2)掌握运算器的工作原理。
(3)学习运算器的设计方法。
(4)掌握简单运算器的数据传送通路。
(5)验证运算功能发生器74LS181的组合功能。
二. 实验设备:
TDN-CM+或TDN-CM++教学实验系统一套。
三. 实验原理:
实验中所用的运算器数据通路图如图1-1。
图中所示的是由两片74LS181芯片以并/串形式构成的8位字长的运算器。
右方为低4位运算器芯片,左方为高4位运算器芯片。
低位芯片的进位输出端Cn+4与高位芯片的进位输入端Cn相连,使低4位运算产生的进位送进高4位运算中。
低位芯片的进位输入端Cn可与外来进位相连,高位芯片的进位输出引至外部。
两个芯片的控制端S0-S3和M各自相连,其控制电平按表1-1。
为进行双操作数运算,运算器的两个数据输入端分别由两个数据暂存器DR1、DR2(用锁存器74LS273实现)来锁存数据。
要将内总线上的数据锁存到DR1或DR2中,则锁存器74LS273的控制端LDDR1或LDDR2须为高电平。
当T4脉冲来到的时候,总线上的数据就被锁存进DR1或DR2中了。
为控制运算器向内总线上输出运算结果,在其输出连接了一个三态门(用74LS245实现)。
若要将运算结果输出到总线上,则要将三态门74LS245的控制端ALU-B置低电平。
否则输出高阻态。
数据输入单元(实验板上印有INPUTDEVICE)用以给出参与运算的数据。
其中,输入开关经过一个三态门(74LS245)和内总线相连,该三态门的控制信号为SW-B,取低电平时,开关上的数据则通过三态门而送入内总线中。
总线数据显示灯(在BUSUNIT单元中)已与内总线相连,用来显示内总线上的数据。
控制信号中除T4为脉冲信号,其他均为电平信号。
由于实验电路中的时序信号均已连至“W/RUNIT”单元中的相应时序信号引出端,因此,需要将“W/RUNIT”单元中的T4接至“STATEUNIT”单元中的微动开关KK2的输出端。
在进行实验时,按动微动开关,即可获得实验所需的单脉冲。
S3、S2、S1、S0、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU-B、SW-B各电平控制信号则使用“SWITCHUNIT”单元中的二进制数据开关来模拟,其中Cn、ALU-B、SW-B为低电平有效,LDDR1、LDDR2为高电平有效。
对于单总线数据通路,作实验时就要分时控制总线,即当向DR1、DR2工作暂存器打入数据时,数据开关三态门打开,这时应保证运算器输出三态门关闭;同样,当运算器输出结果至总线时也应保证数据输入三态门是在关闭状态。
图1-1运算器通路图
四.实验步骤:
1、按图1-2连接实验电路并检查无误。
图中将用户需要连接的信号线用小圆圈标明(其它实验相同,不再说明)。
2、开电源开关。
3、用输入开关向暂存器DR1置数。
拨动输入开关形成二进制数01100101(或其它数值)。
(数据显示灯亮为0,灭为1)。
使SWITCHUNIT单元中的开关SW-B=0(打开数据输入三态门)、ALU-B=1(关闭ALU输出三态门)、LDDR1=1、LDDR2=0。
按动微动开关KK2,则将二进制数01100101置入DR1中。
4、用输入开关向暂存器DR2置数。
拨动输入开关形成二进制数10100111(或其它数值)。
使SW-B=0、ALU-B=1保持不变,改变LDDR1、LDDR2,使LDDR1=0、LDDR2=1。
按动微动开关KK2,则将二进制数10100111置入DR2中。
5、检验DR1和DR2中存的数是否正确。
关闭数据输入三态门(SW-B=1),打开ALU输出三态门(ALU-B=0),并使LDDR1=0、LDDR2=0,关闭寄存器。
置S3、S2、S1、S0、M为11111,总线显示灯则显示DR1中的数。
置S3、S2、S1、S0、M为10101,总线显示灯则显示DR2中的数。
6、改变运算器的功能设置,观察运算器的输出。
SW-B=1,ALU-B=0,保持不变。
按表2-2置S3、S2、S1、S0、M、Cn的数值,并观察总线显示灯显示的结果。
例如:
置S3、S2、S1、S0、M为100101,运算器作加法运算。
置S3、S2、S1、S0、M为011000,运算器作减法运算。
7、验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能(采用正逻辑)
在给定DR1=65H、DR2=47H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1-1中,并和理论分析进行比较、验证。
图1-2算术逻辑实验接线图
注:
74181ALU算术/逻辑运算功能表见教材P48表2.6
表1-174181ALU逻辑功能验证表
DR1
DR2
S3S2S1S0
M=0(算术运算)
M=1
(逻辑运算)
Cn=1
Cn=0
65
65
65
A7
A7
A7
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
F=
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实验二静态随机存储器实验
一实验目的:
掌握静态随机存储器RAM工作特性及数据的读写方法。
二实验设备:
1.TDN-CM+或TDN-CM++教学实验系统一台。
2.PC微机(或示波器)一台。
三实验原理:
实验所用的半导体静态存储器电路原理如图2-1,实验中的静态存储器由一片6116(2K×8)构成,其数据线接至数据总线,地址线由地址锁存器(74LS273)给出。
地址灯AD0~AD7:
与地址线相连,显示地址线内容。
数据开关经一个三态门(74LS245)连至数据总线,分时给出地址和数据。
因地址寄存器为8位,所以接入6116的地址为A7-A0,而高三位A8-A10接地,所以其实际容量为256字节。
6116有三个控制线:
CE(片选线)、OE(读线)、WE(写线)。
当片选有效(CE=0)时,OE=0时进行读操作,WE=0时进行写操作。
本实验中将OE常接地,在此情况下,当CE=0、WE=0时进行读操作,CE=0、WE=1时进行写操作,其写时间与T3脉冲宽度一致。
实验时将T3脉冲接至实验板上时序电路模块的TS3相应插孔中,其脉冲宽度可调,其它电平控制信号由“SWITCHUNIT”单元的二进制开关模拟,其中SW-B为低电平有效,LDAR为高电平有效。
四.实验步骤:
(1)形成时钟脉冲信号T3。
具体接线方法和操作步骤如下:
接通电源,用示波器接入方波信号源的输出插孔H23,调节电位器W1及W2,使H23端输出实验所期望的频率及占空比的方波。
将时序电路模块(STATEUNIT)单元中的φ和信号源单元(SIGNALUNIT)中的H23排针相连。
在时序电路模块中有两个二进制开关“STOP”和“STEP”。
将“STOP”开关置为“RUN”状态、“STEP”开关置为“EXEC”状态时,按动微动开关START,则TS3端即输出为连续的方波信号,此时调节电位器W1,用示波器观察,使T3输出实验要求的脉冲信号。
当“STOP”开关置为“RUN”状态、“STEP”开关置为“STEP”状态时,每按动一次微动开关START,则T3输出一个单脉冲,其脉冲宽度与连续方式相同。
若用PC联机软件中的示波器功能也能看到波形,可以代替真实示波器。
(2)按图2-2连接试验线路,仔细查线无误后接通电源。
(3)写存储器
给存储器的00、01、02、03、04地址单元中分别写入数据11、12、13、14、15。
由上面的存储器实验原理图看出,由于数据和地址全由一个数据开关来给出,这就要分时地给出。
下面的写存储器要分两个步奏,第一步写地址,先关掉存储器的片选(CE=1),打开地址锁存器门控信号(LDAR=1),打开数据开关三态门(SW-B=0),由开关给出要写存储单元的地址,按动START产生T3脉冲将地址打入到地址锁存器,第二步写数据,关掉地址锁存器门控信号(LDAR=0),打开存储器片选,使处于写状态(CE=0,WE=1),由开关给出此单元要写入的数据,按动START产生T3脉冲将数据写入到当前的地址单元中。
写其他单元依次循环上述步奏。
(4)读存储器
依次读出第00、01、02、03、04号单元中的内容,观察上述各单元中的内容是否与前面写入的一致。
同写操作类似,读每个单元也需要两步,第一步写地址,先关掉存储器的片选(CE=1),打开地址锁存器门控信号(LDAR=1),打开数据开关三态门(SW-B=0),由开关给出要写存储单元的地址,按动START产生T3脉冲将地址打入到地址锁存器;第二步读存储器,关掉地址锁存器门控信号(LDAR=0),关掉数据开关三态门(SW-B=1),打开片选存储器,使它处于写状态(CE=0,WE=0),此时数据总线上显示的数据即为从存储器当前地址中读出的数据内容。
读其他单元依次循环上述步奏。
图2-1存储器实验原理图
图2-2静态随机存储器实验接线图
实验三微程序控制器实验
一实验目的:
1.掌握时序发生器的组成原理。
2.掌握微程序控制器的组成原理.
3.掌握微程序的编制、写入、观察微程序的运行。
二实验设备:
1.TDN-CM+或TDN-CM++教学实验系统一台。
2.PC微机(或示波器)一台。
三实验原理:
微程序控制器的基本任务是完成当前指令的翻译和执行,即将当前指令的功能转换成可以控制硬件逻辑部件工作的微命令序列,完成数据传送和各种处理操作。
它的执行方法就是将控制各部件动作的微命令的集合进行编码,即将微命令的集合仿照机器指令一样,用数字代码的形式表示,这种表示称为微指令。
这样就可以用一个微指令序列表示一条机器指令,这种微指令序列成为微程序。
微程序存储在一种专用的存储器中,称为控制存储器。
实验所用的时序控制电路框图如图3-1所示,可产生4个等间隔的时序信号TS1-TS4其中φ为时钟信号,由实验台在上方的方波信号源提供,可产生频率及脉宽可调的方波信号。
学生可根据实验自行选择方波信号的频率及脉宽。
图中STEP(单步)是来自实验板上方中部的一个二进制开关STEP的模拟信号。
START键是来自实验板上方左部的一个微动开关START的按键信号。
当STEP开关为0时(EXEC),一旦按下START启动键,时序信号TS1-TS4将周而复始地发送出去。
当STEP为1(STEP)时,一旦按下START启动键,机器便处于单步运行状态,即此时只发送一个CPU周期的时序信号就停机。
利用单步方式,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。
另外,当机器连续运行时,如果STEP开关置“1”(STEP),也会使机器停机,或使CLR开关执行1→0→1操作也可以使时序清零。
时序状态图见图3-7
由于时序电路的内部线路已经连好,所以只需将时序电路与方波信号源连接,即将时序电路的时钟脉冲输入端φ接至方波信号发生器输出端H23上,按动启动键START后,就可产生时序信号TS1-TS4。
时序电路的CLR已接至实验析右下方的CLR模拟开关上。
图3-1时序控制电路框图
微程序控制电路与微指令格式
1微程序控制电路
微程序控制器的组成见图3-2,其中控制存储器采用3片2816的EEPROM,具有掉电保护功能,微命令寄存器18位,用两片8D触发器(273)和一片4D(175)触发器组成。
微地址寄存器6位,用三片正沿触发的双D触发器(74)组成,它们带有清“0”端和预置端。
在不判别测试的情况下,T2时刻打入微地址寄存器的内容即为下一条微指令地址。
当T4时刻进行测试判别时,转移逻辑满足条件后输出的负脉冲通过强置端将某一触发器置为“1”状态,完成地址修改。
在该实验电路中设有一个编程开关(位于实验板右上方),它具有三种状态:
PROM(编程)、READ(校验)、RUN(运行)。
当处于“编程状态”时,学生可根据微地址和微指令格式将微指令二进制代码写入到控制存储器2816中。
当处于“校验状态”时,可对写入控制存储器中的二进制代码进行验证,从而可以判断写入的二进制代码是否正确。
当处于“运行状态”时,只要给出微程序的入口微地址,则可根据微程序流程图自动执行微程序。
图中微地址寄存器输出端增加了一组三态门,目的是隔离触发器的输出,增加抗干扰能力,并用来驱动微地址显示灯。
微指令格式
微指令字长共24位,其控制位顺序如表3-1:
图3-2微程序控制器实验原理图
表3-1微指令格式
其中UA5-UA0为6位的后续微地址,A、B、C为三个译码字段,分别由三个控制位译码出多位。
C字段中的P
(1)-P(4)是四个测试字段。
其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码,使微程序转入相应的微地址入口,从而实现微程序的顺序、分支、循环运行,其原理如图3-3所示,图中I7-I2为指令寄存器的第7-2位输出,SE5-SE1为微控器单元微地址锁存器的强置端输出。
AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位,其为零有效。
B字段中的RS-B、R0-B、RI-B分别为源寄存器选通信号、目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号,其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1及R2的选通译码,其原理如图3-4,图中I0-I4为指令寄存器的第0-4位,LDRi为打入工作寄存器信号的译码器使能控制位。
图3-3指令译码
图3-4寄存器译码
图3-5微程序流程图
四实验步骤
(1)图3-5为所设计的几条机器指令对应的参考程序流程图,将全部微程序按微指令格式变成二进制代码,可得到表3-2的二进制代码表。
图3-5中一个矩形方框表示一条微指令,方框中的内容为该指令执行的微操作,右上角的数字是该条指令的微地址,为表示方便,所有的微地址是用8进制表示。
向下的箭头指出了下一条要执行的指令。
P
(1)、P(4)为测试字,根据条件使微程序产生分支。
表3-2二进制代码表
UA5-UA0
微地址
S3S2S1S0MCNWEA9A8
A
B
C
uA5-UA0
00
000000011
000
000
100
010000
01
000000011
110
110
110
000010
02
000000001
100
000
001
001000
03
000000001
110
000
000
000100
04
000000001
011
000
000
000101
05
000000011
010
001
000
000110
06
100101011
001
101
000
000001
07
000000001
110
000
000
001101
10
000000000
001
000
000
000001
11
000000011
110
110
110
000011
12
000000011
110
110
110
000111
13
000000011
110
110
110
001110
14
000000011
110
110
110
010110
15
000000101
000
001
000
000001
16
000000001
110
000
000
001111
17
000000001
010
000
000
010101
20
000000011
110
110
110
010010
21
000000011
110
110
110
010100
22
000000001
010
000
000
010111
23
000000011
000
000
000
000001
24
000000000
010
000
000
011000
25
000001110
000
101
000
000001
26
000000001
101
000
110
000001
27
000001110
000
101
000
010000
30
000001101
000
101
000
010001
(2)按图4-6连接实验线路,仔细查线无误后接通电源。
(3)观测时序信号
用双综示波器(或用联机软件的PC示波器功能)观察方波信号源的输出端H23,调节电位器W1,使输出波形的频率最慢。
将时序电路中的“STOP”开关置为“RUN”,“STEP”开关置为“EXEC”。
按动START按键,测量TS1、TS2、TS3、TS4各点的波形,比较它们的相互关系,画出其波形,并标注测量所得的脉冲宽度,见图3-7
图3-6实验接线图
图3-7
(4)观察微程序控制器的工作原理
①编程
A.将编程开关置为PROM(编程)状态。
B.将实验板上“STATEUNIT”中的“STEP”置为“STEP”,“STOP”置为“RUN”状态。
C.用二进制模拟开关置微地址MA5-MA0。
D.在MK24-MK1开关上置微代码,24位开关对应24位显示灯,开关量为“0”时灯亮,开关量为“1”时灯灭。
E.启动时序电路(按动启动按纽“START”),即将微代码写入到EEPROM2816的相应地址对应的单元中。
F.重复C-E步骤,将表3-2的微代码写入2816。
②校验
A.将编程开关设置为READ(校验)状态。
B.将实验板的“STEP”开关置为“STEP”状态。
“STOP”开关置为“RUN”状态。
C.用二进制开关置好微地址MA5-MA0。
D.按动“START”键,启动时序电路,读出微代码。
观察显示灯MD24-MD1的状态(灯亮为“0”,灭为“1”),检查读出的微代码是否与写入的相同。
如果不同,则将开关置于PROM编程状态,重新执行①即可。
③单步运行
A.将编程开关置于“RUN(运行)”状态。
B.实验板的“STEP”及“STOP”开关保持原状。
C.操作CLR开关(拨动开关在实验板右下角)使CLR信号1-0-1,微地址寄存器MA5-MA0清零,从而明确本机的运行入口微地址为000000(二进制)。
D.按动“START”键,启动时序电路,则每按动一次启动键,读出一条微指令后停机,此时实验台上的微地址显示灯和微命令显示灯将显示所读出的一条指令。
注意:
在当前条件下,可将“MICRO-CONTROLLER”单元的SE1-SE6接至“SWITCHUNIT”中的S3-CN对应二进制开关上,可通过强置端SE1-SE6人为设置分支地址。
首先将SE1-SE6对应二进制开关置为“1”,当需要人为设置分支地址时,将某个或几个二进制开关置“0”,相应的微地址位即被强置为“1”,从而改变下一条微指令的地址。
(二进制开关置为“0”,相应的微地址位将被强置为“1”)
④连续运行
A.将编程开关置为“RUN(运行)”状态。
B.将实验板的单步开关“STEP”置为“EXEC”状态。
C.使CLR从1-0-1,此时微地址寄存器清“0”,从而给出取指微指令的入口地址为000000(二进制)。
D.启动时序电路,则可连续读出微指令。
实验四总线基本实验
一. 实验目的:
(1)理解总线的概念及其特性。
(2)掌握总线传输控制特性。
二.实验设备:
TDN-CM+或TDN-CM++教学实验系统一台。
三.实验原理:
实验所用总线传输实验框图如图4-1所示,它将几种不同的设备挂至总线上,有存储器、输入设备、输出设备、寄存器。
这些设备都需要有三态输出控制,按照传输要求恰当有序的控制它们,就可实验总线信息传输。
图4-1总线传输实验框图
实验要求
根据挂在总线上的几个基本部件,设计一个简单的流程:
输入设备将
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