《计算机组成原理》学生实验报告.docx
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《计算机组成原理》学生实验报告
《计算机组成原理》
学
生
实
验
报
告
(2011~2012学年第二学期)
专业:
信息管理与信息系统
班级:
A0922
学号:
10914030230
姓名:
李斌
目录
实验准备------------------------------------------------------------------------3
实验一运算器实验-----------------------------------------------------------7
实验二数据通路实验-------------------------------------------------------13
实验三微控制器实验--------------------------------------------------------18
实验四基本模型机的设计与实现------------------------------------------22
实验准备
一、DVCC实验机系统硬件设备
1、运算器模块
运算器由两片74LS181构成8位字长的ALU。
它是运算器的核心。
可以实现两个8位的二进制数进行多种算术或逻辑运算,具体由74181的功能控制条件M、CN、S3、S2、S1、S0来决定,见下表。
两个参与运算的数分别来自于暂存器U29和U30(采用8位锁存器),运算结果直接输出到输出缓冲器U33(采用74LS245,由ALUB信号控制,ALUB=0,表示U33开通,ALUB=1,表示U33不通,其输出呈高阻),由输出缓冲器发送到系统的数据总线上,以便进行移位操作或参加下一次运算。
进位输入信号来自于两个方面:
其一对运算器74LS181的进位输出/CN+4进位倒相所得CN4;其二由移位寄存器74LS299的选择参数S0、S1、AQ0、AQ7决定所得。
触发器的输出QCY就是ALU结果的进位标志位。
QCY为“0”,表示ALU结果没有进位,相应的指示灯CY灭;QCY为“1”,表示ALU结果有进位,相应的指示灯CY点亮。
2、移位寄存器模块
采用74LS299(U34),它具有并行接数、逻辑右/左移、保持、带进位右/左移位运算等功能,具体由S0,S1,M,DS0,DS7决定。
T4是它的工作脉冲,正跳变有效。
299B
S1
S0
M
功能
0
0
0
任意
保持
0
1
0
0
循环右移
0
1
0
1
带进位循环右移
0
0
1
0
循环左移
0
0
1
1
带进位循环左移
任意
1
1
任意
装数
3、寄存器堆模块
实验计算机提供了4个8位通用寄存器74LS374(U41~U44),它们用来保存操作数及其中间运算结果。
它的输入全部相连后连到系统数据总线上BUSD0~D7,总线上的数据具体写入哪个寄存器由各自的写入脉冲(LDR0K~LDR3K)控制;4个寄存器的输出共用一个排针REGBUS引出,在使用时再连到系统总线上,具体由哪个寄存器读出,由各自的输入允许信号R0B’~R3B’控制。
4、主存储器单元电路
主存储器单元电路主要用来存放实验中的机器指令。
它的数据总线挂在扩展数据总线EXD0~EXD7上;它的地址总线由地址寄存器单元电路的地址寄存器74LS273(U37)给出,地址值由8个LED灯LAD0~LAD7显示,高电平亮,低电平灭;它的读信号直接接地;它的写信号和片选信号由写入方式确定。
该存储器中机器指令的读写分别有手动和自动两种方式:
手动方式下,写信号由W/R’提供,片选信号由CE提供;
自动方式下,写信号由控制CPU的P1.2提供,片选信号由控制CPU的P1.1提供。
(1)输入设备单元
系统中用8个拨动开关作为输入设备,通过总线驱动器74LS245(U51)输出到系统的扩展数据总线EXD0~EXD7上,输入的数据显示在LD0~LD7八个LED上,高电平亮,低电平灭。
(2)输出设备单元
此单元设置两个七段数码管,用于显示需要输出的数据。
七段数码管的译码电路由两片GAL16V8(U53、U54)组成。
(3)系统内部数据总线单元
本机设置8芯排针6组BUS1~BUS6,用于连接系统各单元中的数据总线(在实验中需要时再连上),系统数据总线的电平状态由8个LED显示器LZD0~LZD7显示,高电平亮,低电平灭。
(4)系统外部数据总线单元
本机设置8芯排针4组EXJ1~EXJ3和EXA1,用于连接外部扩展的I/O器件的数据总线和地址总线,外部扩展的I/O器件的读写控制信号为WE和OUTW/R,外部扩展的I/O器件的片选信号来自一个译码电路74LS139(U49),它的输入B0、B1接至24位控存的第16、17位(即M16、17),它的输出为Y0~Y3,均为低电平有效。
B1
B0
工作方式
0
0
选中Y0
0
1
选中Y1
1
0
选中Y2
1
1
选中Y3
5、微程序控制器模块电路
(1)微程序编程器
微程序编程器就是将预先定义好的机器码对应的微代码程序写入到EEROM2816控制存储器中,并可以对控制存储器中的数据进行校验。
写入方式分手动和自动两种。
A.手动方式编程
编程控制开关选择在编程位置,通过六位微地址开关UA0~UA5手工输入微地址,输入的微地址通过锁存器74LS374(U13),在控制信号UA374和控制脉冲T1的控制下,锁存输出到控存的地址总线A0~A5,微地址值通过发光二极管LUA0~LUA5显示,高电平亮,低电平灭。
再通过MK1~MK24手工输入24位微程序代码,输入微程序代码值通过3片总线驱动器74LS245(U20~U22),在控制信号K245的控制下,输出到控存的数据总线,微程序代码值通过LMD1~LMD24显示,高电平亮,低电平灭。
B.自动方式编程
六位微地址E2A0~E2A5由控制CPU提供,直接输出到控存的地址总线A0~A5,24位微程序代码值由控制CPU的数据总线P0.0~P0.7提供,P0.0~P0.7上挂了3个总线驱动74LS245(U2~U4),CPU在控制线P3.2、P3.3、P3.5和P3.6控制下,将24位微代码MD1~MD24写入到3个控存中。
微地址值、微程序代码值分别由LUA0~LUA5和LMD1~LMD24显示,高电平亮,低电平灭。
(2)核心微控制器
核心微控制器主要完成接受机器指令译码器送来的代码,使系统控制转向相应的机器指令对应的首条微代码程序的入口,然后执行微代码所规定的操作。
微程序代码值分别由LUA0~LUA5和LMD1~LMD24显示,高电平亮,低电平灭。
需要特别指出的是系统在运行微代码的时候,由LUA0~LUA5和LMD1~LMD24显示的分别是下一条指令的微地址值、微程序代码值,高电平亮,低电平灭。
核心微控制器由微地址发生器、微代码发生器、微程序存储器和逻辑译码器等部分组成。
A.微地址发生器
6位微地址E2A0~E2A5由手动发生、自动发生和强制预置三个部分电路组成。
手动发生电路由UA0~UA5六个开关和地址锁存器74LS374(U13)构成,使用时将UJ1和UJ2相连;自动发生电路由控制CPU直接发生(上面已经讲过);强制预置电路由D型触发器74LS74(U14~U16)和三态缓冲器74LS345(U12)构成。
B.微代码发生器
24位微代码发生器MD1~MD24由手动发生和自动发生两部分组成。
手动发生电路由24个开关MK1~MK24和3个总线驱动器74LS245(U20~U22)组成;自动发生电路由控制CPU直接接收来自于上位机通过串行口发来的数据后,再通过3个总线驱动器74LS245(U2~U4)送到控存的数据输入端D0~D7。
微代码的显示由发光二极管LMD1~LMD24显示,高电平亮,低电平灭。
C.微程序存储器(控存)
本系统中微程序存储器采用3片EEROM2816芯片,由于该芯片可以电改写,因此系统具有现场直接编程功能,并且具有掉电保护功能。
EEROM2816芯片的读写控制信号,在手动方式下由编程开关提供,在自动方式下由控制CPU提供。
EEROM2816芯片的片选信号P3.3、P3.2、P3.5由控制CPU提供。
D.逻辑译码器
主要是根据机器指令及相应的微代码进行译码使得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,同时对三个工作寄存器R0、R1、R2进行选通译码。
6、系统控制开关单元
本机中设置有8个系统控制开关。
(1)系统总清开关:
低电平为系统总清(即将总清开关拨在低电平,再拨到高电平),LCLR为总清开关电平指示,高电平亮,低电平灭。
(2)手动方式时,主存储器工作状态控制开关:
SWA和SWC,LSWA,LSWC为开关SWA和SWC的电平指示灯,高电平亮,低电平灭。
工作方式如下图。
SWC
SWA
工作方式
0
0
读主存储器
0
1
写主存储器
1
1
运行主存储器里面的程序
(3)手动方式时,运行方式控制开关;本机有两种运行方式:
单步和连续。
拨到上面时为连续,拨到下面时为单步。
(4)手动方式时,本机运行控制开关,本机有两个状态:
停机和运行。
要运行程序时,开关拨到上面即运行位置,若在程序运行过程中,将开关拨到下面即停止位置时,就立即停止程序的运行。
(5)微程序编程控制开关:
这个开关分三挡,拨到最上面时,写微程序;拨在中间时,读微程序;拨在最下面时,运行微程序。
(6)手动脉冲发生开关:
这是一个微动开关,按一次产生一个脉冲,正脉冲引出到J23的SD端,只限于手动方式下使用。
(7)启动运行开关:
这也是一个微动开关,在手动方式下,按动一次产生一个启动脉冲,当运行方式开关在单步位置时,按一次启动运行开关,单步运行一条微指令;当运行方式开关在连续位置时,只要按一次启动开关,就自动往下一条一条执行微程序。
(8)部分信号控制开关
部分信号控制开关共有12个,它们的名称分别为ALUB、299B、LDDR1、LDDR2、AR、SWB、LDAR(OUTW/R)、LOAD(LEDB)、CE、WE、PCB、LDPC。
各开关的电平由对应的LED指示,高电平亮,低电平灭。
指示灯的名称对应为LALUB、L299B、LDDR1、LDDR2、LAR、LSWB、LDAR(OUTW/R)、LOAD(LEDB)、LCE、LWE、LPCB、LDPC。
实验名称
运算器实验
实验成绩
班级
学号
姓名
实验
时间
实验
地点
实验组号
实验操作
实验分析
指导老师
签名
实验目的
1.掌握简单运算器的数据传送通路组成原理。
2.验证算术逻辑运算功能发生器74LS181的组合功能。
3.设计完成16位运算器的设计实验。
实验准备
1.了解实验台中运算器以及扩展部分的基本组成功能。
2.掌握实验中所用的相关硬件设备性能。
3.写出实验中所涉及的信号正确表示。
二、实验任务
1、8位算术逻辑运算实验
(1)实验用4个主要模块:
A.低8位运算器模块;74LS181芯片2片74LS273芯片2个,分别存放数据A和B
B.数据输入并显示模块;(KD0~KD7)
C.数据总线显示模块;(LD0~LD7)
D.功能开关模块(借用微地址输入模块,S0~S3,M,CN)。
(2)控制方式:
手动控制方式;
(3)脉冲信号:
T4,将跳线器J23上T4与手动脉冲发生开关的输出端SD相连,按动手动脉冲开关,即可获得实验所需的单脉冲信号。
(4)控制信号:
由跳线拨决定,跳线拨在上面为"1",拨在下面为"0",电平值由对应的显示灯显示。
高有效信号
运算器运算方式:
S0~S3,M,CN;锁存器控制:
LDDR1、LDDR2;
低有效信号
输入控制台:
SWB
运算器输出控制:
ALUB
(5)实验原理图
(6)实验连线
说明:
LDDR1、LDDR2、ALUB`、SWB`四个信号电平由对应的开关LDDR1、LDDR2、ALUB、SWB给出,T4由手动脉冲开关给出。
AR为算术运算时是否影响进位及判零标志控制位,低电平有效。
ALUBUS连EXJ1;
②ALUO1连BUS1;
③SJ2连UJ2;
④手动引入脉冲信号:
跳线器J23上T4连SD;
⑤实验中用到的功能开关LDDR1,LDDR2,ALUB,SWB信号需要手动控制;四个跳线器拨在左边;
⑥AR跳线器拨在左边,同时开关AR拨在“1”电平。
(7)连接线路,仔细查线无误后,接通电源。
(8)实验步骤
用二进制数码开关KD0—KD7向DR1和DR2寄存器置数。
ALU输出三态门(ALUB`置1),目的是关闭输出三态门;
SW输入三态门(SWB置0),目的是开启输入三态门;
令LDDR1=1,LDDR2=0,通过KD0-KD7开关输入数据35H,按动手动脉冲发生按钮,将数据35H置入DR1寄存;
令LDDR1=0,LDDR2=1,通过KD0-KD7开关输入数据48H,按动手动脉冲发生按钮,将数据48H置入DR2寄存。
(2)检验DR1和DR2中存入的数据是否正确。
具体方法:
利用算术逻辑运算功能发生器74LS181的逻辑功能,即M=__1_。
通过正确的逻辑运算,能够依次读出DR1和DR2的数据。
实现过程为:
关闭数据输入三态门SWB`=1,打开ALU输出三态门ALUB`=0,当置S3、S2、S1、S0、M为11111_时,总线指示灯显示DR1中的数,而置成10101时,总线指示灯显示DR2中的数。
(3)验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能(采用正逻辑)。
实现过程:
在运算器中完成运算后,调整S3、S2、S1、S0的的设置,观察运算器的输出的不同结果。
把实验结果填入表1-1中,并和理论分析进行比较、验证。
表1-1运算结果
DR1
DR2
S3S2S1S0
M=0(算术运算)
M=1(逻辑
运算)
Cn=1
无进位
Cn=0
有进位
00110101
01001000
(4)分析:
实验结果和手工算法的结果一致,因此,可验证芯片功能。
在实验中,我们通过单拍控制方式,每个操作都伴随一个脉冲,从而,可验证课堂上所讲的运算器原理和微指令控制方式下的操作。
2、16位算术逻辑运算实验
(1)实验用______个主要模块:
(2)控制方式:
手动控制方式;
(3)脉冲信号:
T4,将跳线器J23上T4与手动脉冲发生开关的输出端SD相连,按动手动脉冲开关,即可获得实验所需的单脉冲信号。
(4)控制信号:
由跳线拨决定,跳线拨在上面为"1",拨在下面为"0",电平值由对应的显示灯显示。
高有效信号
低有效信号
(5)实验原理图
(6)实验连线
一共10步。
提示:
跳线器J19、J25拨在左边(16位ALU状态);
高8位运算器区跳线器ZI2、CN0、CN4连上短路套。
(7)连接线路,仔细查线无误后,接通电源。
(8)实验步骤。
说明:
LDDR1、LDDR2、ALUB’、SWB’、LDDR3、LDDR4六个信号电平由开关LDDR1、LDDR2、ALUB、SWB、LDDR3、LDDR4给出,拨在上面为“1”,拨在下面为“0”,电平值对应显示灯显示;T4由手动脉冲开关给出。
(9)进一步验证74LS181算术运算和逻辑运算功能(采用正逻辑)。
●开关ALUB=0,关闭输入三态门;
●开关SWB=1,打开输出三态门;
●LDDR1~LDDR4四个开关全拨在“0”电平;
●根据下表3-2,置功能开关S3、S2、S1、S0、M、CN,以验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能。
表1-216位运算器
加数1高位DR3
加数1低位DR1
加数2高位DR4
加数2低位DR2
S3
S2
S1
S0
M=0(算术运算)
M=1(逻辑运算)
Cn=1
无进位
Cn=0
有进位
01
FE
01
02
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
0
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
0
0
0
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
注意:
本实验做完后,拔掉连线ALUBUS’和ALU01’,去掉短路套ZI2、CN0、CN4。
三、实验任务
1、实验报告:
根据已给出的8位运算器的实验过程补充完成8位运算的实验结果。
自行设计完成16位运算器的实验。
并按照格式,填写16位运算器实验的完整过程。
2、实验分析
3、实验心得
实验名称
存储器与数据通路实验
实验成绩
班级
学号
姓名
实验时间
实验
地点
实验组号
实验操作
实验分析
指导老师
签名
实验目的
1.掌握静态随机存取存储器RAM工作特性及数据的读写方法。
2.掌握存储器与运算器的数据通路。
3.掌握简单运算器的数据传送通路组成原理。
实验准备
1.了解实验台的基本功能。
2.掌握实验中所用的相关硬件设备性能。
3.写出实验中所涉及的信号正确表示。
三、实验内容
(一)存储器实验
1、实验准备
主存储器单元电路主要用于存放实验机的机器指令,它的数据总线挂在外部数据总线EXD0~EXD7上;它的地址总线由地址寄存器单元电路中的地址寄存器74LS273(U37)给出,地址值由8个LED灯LAD0~LAD7显示,高电平亮,低电平灭;在手动方式下,输入数据由8位数据开关KD0~KD7提供,并经一三态门74LS245(U51)连至外部数据总线EXD0~EXD7,实验时将外部数据总线EXD0~EXD7用8芯排线连到内部数据总线BUSD0~BUSD7,分时给出地址和数据。
它的读信号直接接地;它的写信号和片选信号由写入方式确定。
该存储器中机器指令的读写分手动和自动两种方式。
手动方式下,写信号由W/R`提供,片选信号由CE`提供;自动方式下,写信号由控制CPU的P1.2提供,片选信号由控制CPU的P1.1提供。
由于地址寄存器为8位,故接入6264的地址为A0~A7,而高4位A8~A12接地,所以其实际使用容量为256字节。
6264有四个控制线:
/CS1第一片选线、CS2第二片选线、/OE读线、/WE写线。
其功能如表3-4所示。
/CS1片选线由CE`控制(对应开关CE)、/OE读线直接接地、/WE写线由W/R`控制(对应开关WE)、CS2直接接+5V。
图中信号线LDAR由开关LDAR提供,手动方式实验时,跳线器LDAR拨在左边,脉冲信号T3由实验机上时序电路模块TS3提供,实验时只需将J22跳线器连上即可,T3的脉冲宽度可调。
2、实验连线及步骤
(1)根据实验原理详细接线如下:
①MBUS连;②EXJ1连;③跳线器J22上T3连;④跳线器J16的SP连;⑤跳线器SWB、CE、WE、LDAR拨在(左/右)边(手动方式);
(2)连接线路,仔细查线无误后,接通电源。
(3)形成时钟脉冲信号T3,方法如下:
在时序电路模块中有两个二进制开关"运行控制"和"运行方式"。
将"运行控制"开关置为""状态、"运行方式"开关置为""状态时,按动""开关,则T3有连续的方波信号输出,此时调节电位器,用示波器观察,使T3输出实验要求的脉冲信号;本实验中"运行方式"开关置为""状态,每按动一次""开关,则T3输出一个正单脉冲,其脉冲宽度与连续方式相同。
(4)向存储器中写入数据,具体操作步骤分两步完成:
注意:
向存储器的地址单元中写入数据时,一定要先送地址,再送数据。
①先通过输入开关向AR中置入存储单元的地址。
将存储器地址送入AR:
置KD0-KD7为00000001,置SWB=,CE=,打开输入三态门,然后置LDAR=,按动开关,则T3输出一个正单脉冲,将数据置入AR。
②再向RAM的存储单元中置入数据。
置KD0-KD7为00010000,置SWB=,LDAR=,打开输入三态门,然后置CE=,WE=,使存储器写有效,按动开关,则T3输出一个正单脉冲,将数据置入存储器RAM。
按上述方法,将表2-1中对应地址单元写入数据:
表2-1
主存地址
对应数据
01H
10H
02H
35H
10H
48H
11H
55H
20H
AAH
(5)读出写入地址单元的内容,观察内容是否与写入的一致。
具体操作步骤如下:
①将存储器地址送入AR:
置KD0-KD7为00000001,置SWB=,CE=,打开输入三态门,然后置LDAR=,打开AR输入控制开关,按动开关,则T3输出一个正单脉冲,将数据置入AR。
②置SWB=,CE=,关闭输入三态门,置LDAR=,关闭AR输入控制开关,置WE=,使存储器读有效。
则通过LZD0-LZD7可观察读出结果。
按上述方法,将已经存入RAM地址单元的数据读出,并填写表2-2:
表2-2
主存地址
读出的数据
(二)数据通路实验
1、实验准备
在实验一中,运算器的输入数据由8位数据开关KD0-KD7提供。
数据通路实验中要求运算器的输入数据由存储器来提供。
要完成本实验,首先做实验
(一),将存储器中置入数据,然后进行存储器读操作,并将读出的数据打入数据寄存器DR1或DR2,再完成8位算术逻辑运算、带进位的8位算术逻辑运算以及移位运算器实验。
2、实验连线及步骤
(1)根据实验原理详细接线如下:
①MBUS连;②EXJ1连;③ALUBUS连;④ALUO1连;⑤ALU02连;⑥SJ2连;跳线器J22上T3连;跳线器J16的SP连;跳线器J23上T4连;跳线器SWB、CE、WE、LDAR拨在(左/右)边(手动方式);LDDR1、LDDR2、ALUB、SWB、AR、299B六个跳线器拨在(左/右)边(手动方式);J25跳线器拨在右边;系统总清开关拨在""(0/1)电平。
(2)仔细查线无误后,接通电源。
初始值设置如下:
SWB=,关数据输入三态门;ALUB=,关运算器输出三态门;AR
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