计算机组成原理实验指导书.docx
- 文档编号:30543440
- 上传时间:2023-08-16
- 格式:DOCX
- 页数:47
- 大小:247.70KB
计算机组成原理实验指导书.docx
《计算机组成原理实验指导书.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《计算机组成原理实验指导书.docx(47页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
计算机组成原理实验指导书
计算机组成原理实验指导书
基于TDS-CE+试验仪
张少白孔祥玉编
济南大学信息学院硬件与接口实验室
2003年9月
目录
一概述……………………………………………………………………….....1
二常用数字集成电路………………………………………………………….2
三TDS-CE+的结构及使用中的注意事项……………………………..………9
四运算器组成实验……………………………………………………………13
五半导体存储器实验………………………………………………….………5
六数据通路与故障分析实验…………………………………………………..6
七指令系统设计实验…………………………………….……………………7
八微程序控制器设计实验…………………………………………………….8
九模型机的设计………………………………………………………………..9
实验和课程设计指导书
本章首先介绍了实验中可能用到的一些数字IC器件,随后详细介绍了运算器实验、半导体存储器实验、数据通路与故障分析实验、微程序控制器组成实验、CPU组成与指令周期执行实验等,模型机的设计与调试作为课程设计。
一概述
通过该实验课的学习,你能够培养自己分析问题和解决问题的能力,并增强你的实践和动手能力。
在教学中明确地提出具体的要求和目标,并有计划地去实现这些目标。
完成本实验课的教学内容后,要达到的目标是:
⑴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,完整地建立计算机的整机概念。
⑵培养自己的独立工作能力,在实践活动中,综合运用所学知识,积累经验,增长才干。
⑶培养严谨的科研作风,使自己利用已学过的理论知识和实验技能,创造性地完成部件及系统的分析、设计、组装和调试,进一步加强实验技能的训练。
实践性教学环节分为以下两个过程进行:
1.组成原理实验
组成原理实验重点是学习知识,实验内容与理论教学紧密配合,作为课程教学计划的一部分共安排五个基本实验:
(1)运算器组成;
(2)半导体存储器组成;(3)数据通路组成与故障分析;(4)指令系统设计实验;(5)微程序控制器组成实验;每个实验安排2到3节课的时间。
2.课程设计
课程设计是在本课程结束后安排的一次大型实践性教学环节,侧重于能力培养,时间相对集中。
要求学生自行设计自行组装调试一台8位字长、至少5条指令组成的模型计算机,并达到程序能正确运行的水平。
课程设计可真正给学生创造一次亲自动手实践的机会,使其动手能力得到较大的提高。
二常用数字集成电路
本节从使用的角度介绍一些实验电路中用到的以及课程设计时可能要选择的一些中大规模数字功能器件。
一.逻辑门电路
常用的芯片有两输入四与非门(74LS00)、六位反向器(74LS04)、两输入四与门(74LS08)、四输入两与非门(74LS20)等。
图1和表1给出了以上部件的逻辑图。
表1各种门电路功能表
74LS00
74LS08
74LS20
74LS04
A
B
Y
A
B
Y
A
B
C
D
Y
1A
Y
0
0
1
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
0
1
1
0
1
0
A\B\C\D中任一个或几个为0
1
1
0
1
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
1
二.译码器
常用的译码器有双2:
4译码器(74LS139,74S139)、3:
8译码器(74LS138,74S138)、4:
16译码器(74LS154)和4:
10译码器(74LS42)等。
图2给出了两种译码器的引脚图,表3表4分别列出了74LS138,74LS139的功能表,74LS139在一个芯片中有两个完全独立的2:
4线译码器,工作原理与3:
8线译码器类似,注意两个芯片都有自己的工作使能端。
A1
表374LS138功能表
使能输入
选择输入
输出
G1G2AG2B
CBA
100
XXX
11111111
100
000
001
010
011
100
101
110
111
01111111
10111111
11011111
11101111
11110111
11111011
11111101
11111110
表474LS139功能表
表474LS139功能表
使能输入
选择输入
输出
G
BA
1
XX
1111
0
00
01
10
11
0111
1011
1101
1110
三.总线收发器和驱动器
1.三态输出八缓冲器/单向总线驱动器
三态输出八缓冲器/单向总线驱动器(74LS240,74LS244)常用作缓冲器、总线驱动器等,其引脚如图3所示。
其中,74LS240为反码输出,74LS244为原码输出。
和
各控制4个三态门,对74LS240有如下逻辑关系:
当
=0时,Yi=
(i=1,2,3,4),当G=1时,Yi呈高阻抗。
对74LS244,当G=0时,Yi=Ai,当G=1时,Yi呈高阻抗。
74LS240/244
图374LS240/244引脚图
2.三态输出双向八总线收发器
三态输出双向八总线收发器74LS245,如图4所示。
主要用来驱动数据总线,数据可以由A端到B端,也可以由B端到A端,由方向控制端DIR的逻辑电平而定。
G是使能控制端,器逻辑功能见表5。
74LS245
表574LS245功能表
表9.574LS245逻辑功能表
使能G
方向控制DIR
数据传送方向
0
0
1
0
0
X
BA
BA
隔开
四.计数器
计数器有同步计数器和异步计数器之分,在计算机中多为同步计数器。
74LS163为正沿触发的带同步清除端的四位二进制计数器,74LS161是正沿触发的带异步清除端的四位二进制计数器,这两种计数器均可予置任何数据,然后在此基础上开始对脉冲进行计数。
图5是这两种计数器的引脚图,其逻辑功能见表6和表7。
图574LS161/163引脚图
输入
输出
CLK
CLRLDPT
QAQBQCQD
X
X
X
0XXX
10XX
1111
110X
11X0
0000
ABCD
计数
不计数
不计数
表674LS161功能表
输入
输出
CLK
CLRDPT
QAQBQCQD
X
X
0XXX
10XX
1111
110X
11X0
0000
ABCD
计数
不计数
不计数
表774LS163功能表
四.寄存器
1.带清除端的D型触发器
带清除端的D型触发器在单片封装的有4D(74LS175),6D(74LS174)和8D型(74LS273)。
它们共同的特点是,在时钟脉冲的上升沿D输入信号被送到Q输出,当时钟输入为高电平或者低电平时,D输入端的信号不影响输出。
每个触发器的逻辑功能如表8所示,引脚图如图6所示。
输入
输出
CLKD
Q
0XX
11
10
10X
0
1
0
不变
表8带清除端的触发器功能表
74LS273
2.8D锁存器和8D正沿触发寄存器
74LS373是8D锁存器,74LS374是8D正沿触发器,它门都带有三态门输出,由OE端控制,可以直接与系统总线接口。
特别适合用作缓冲寄存器、I/O通道、双向总线驱动器和工作寄存器。
74LS373和74LS374的引脚如图7所示。
对74LS373,当使能端(G)为高电平时,Q的输出随输入(D)而变,当G为低电平时,Q输出已锁存的数据,逻辑功能如表9所示。
对74LS374,在时钟正跳变时,Q输出D输入端已建立的逻辑电平,其逻辑功能如表10所示。
3.8位通用移位寄存器
8位通用移位寄存器(74LS299)具有以下四种工作模式:
并行置数、左移、右移、保持(寄存)数据。
它可以用作累加寄存器、缓冲寄存器、栈式寄存器,在进行硬件一位乘/除法时,还可以用作乘数/商、部分积/被除数寄存器。
图774LS373/374引脚图
输入
输出
G
D
Q
0
0
0
1
1
1
0
X
1
0
X
X
1
0
不变
Z
表974LS373功能
输入
输出
CLK
D
Q
0
0
0
1
0/1
X
1
0
X
X
1
0
不变
Z
表1074LS374功能
三TDS-CE+的结构及使用中的注意事项
同学们在以往的学习过程中,动手做过的实验较少,特别是电子电路实验可能更少,因此,好多同学在做实验的时候往往感到无从下手的感觉,在实验的过程出现错误,也不知该从哪里寻找错误的原因。
为了使同学们在实验的过程中更加有针对性,能够比较熟练的使用本实验仪,本章将对实验仪的基本构造做一些阐述,在后继的实验说明中,也会陆续的提到一些实验仪的结构和使要注意事项。
另外,为了避免在实验的过程中对实验仪造成一些不必要的损坏,强烈建议你阅读下面的文字。
一.基本结构及安全相关
每个实验仪有一个箱式的外壳,打开箱盖之后,你会首先看到一个绿色的印刷电路板,上面分布大量集成电路芯片,电路板的右下角有一片白色的区域,这片白色的区域被称为面包板,这两部分就构成我们做实验的平台。
1.电源
在印刷电路板的左侧,放有一个市电插头,试验仪工作之前,必须事先将该插头插到实验台的插座上。
实验的过程中,同学们务必注意,不要将实验用的电线乱扔乱放,万一扔进插座之中,可能导致你或他人的电击,或者造成短路,引起火灾等。
打开实验仪左上角的开关,实验仪便通电了,此时,实验板左上角有一个电源指示灯就会点亮,此时,试验仪上其余的指示灯有的点亮,有的熄灭,或者全部熄灭,这都是正常的。
此时,实验板上面的电路的工作电压都在36VDC以下,即为安全电压,即你触摸电路板是不会有电击危险。
但是,在实验的过程中,不要将实验用的电线放在该试验板上,因为这样可能会使试验板上的电路短路,损坏实验仪。
此外,实验的过程中,不要频繁的开关实验仪,因为,所有电子元件烧毁,大多在开机通电时的瞬间的电流冲击造成的(如照明灯泡的损坏),除非你觉得非常有必要重新给试验仪上电,开关的间隔时间也一定要大于5秒钟。
在实验的过程中,若实验仪上的指示灯,特别是左上角的电源指示灯,开始频繁的闪烁(2HZ左右),有时还伴有尖锐的嘶鸣声,这表示实验仪内部的AC~DC转换器出现故障,此时,请立即关掉电源,请老师处理,否则,在故障的条件下,通电时间不超过1分钟,AC~DC转换器的损伤就可能是不可恢复的了。
2.面包板
面包板用于在实验的过程中插接额外的芯片,与实验板上的集成电路共同搭建实验电路。
请你观察实验仪上的面包板,你会发现面包板有两片构成,这两片之间没有任何的电气连接关系,即为完全绝缘的。
每一片的结构如图所示:
图8面包板结构
每片中间的横槽把面包板分成了两部分,这两部分之间没有任何电气连接关系。
每一部分有两个区域,竖排2个孔,横排50个孔的区域中,50个空全部为相互连通的,而竖排不连通的;竖排5个孔,横排50个孔的区域中,竖排5个孔相互连通的,而横排是不连通的。
在做实验的过程中,将电路芯片横跨到面包板中间的大槽上,这样,芯片上每个管脚就对应着一列中5个孔,需要王某个管脚上接线,只需往此管脚所在的列中插线即可。
面包板使用中须注意,芯片和电线必须可靠的插到面包板的小孔中,否则容易接触不良,芯片往面包板中插的时候,必须要小心仔细,确保芯片上所有的管脚都对准自己的小孔,然后再用力压下,否则,非常容易损坏芯片。
二.系统功能
1.单元电路
系统采用单元电路结构,可高效的进行各单独部件的组成实验,同时,对于系统实验,可灵活的在单元电路的基础上灵活组态实现。
这样,我们就可把精力主要放在组成实验硬件设计和调试的过程中,从而避免了把大量精力和课时用于连线和反复查线上。
3.电路连接方式
系统采用总线结构,各总线(数据总线、地址总线和控制总线)均以插针和圆形插座形式引出,完全开放给用户使用,插座以排线的形式连接。
4.E2PROM存储器
系统采用E2PROM存储器作为微程序存储器,从而具有断电保护功能。
5.运算器和微指令格式
系统中运算器和结构和微指令的格式均可由用户在实验的过程中自由定义和设计。
三.系统配置
项目
内容
数量
项目
内容
数量
运算器
74LS181
2
信号源
555
1
通用寄存器
74LS273
2
74LS123
1
74LS374
3
电位器
2
存储器
SRAM6116
1
编程开关
8位DIP开关
3
指令寄存器
74LS273
1
通用开关
二进制拨动开关
22
程序计数器
74LS161
2
显示灯
发光二极管
70
时序发生器
74LS175
1
机内电源
5V、±12V
1
74LS74
1
面包板
两片
2
启停控制器
拨动开关
2
微动开关
2
控制存储器
E2PROM2816
3
微指令寄存器
74LS273
2
74LS175
1
微地址寄存器
74LS74
3
yunsuanqi
微程序控制器单元
图9实验仪布局图
四运算器组成实验
一、实验目的
(1)掌握算术逻辑运算单元(ALU)的工作原理
(2)熟悉简单运算器的数据传送通路;
(3)验证4位运算功能发生器(74LS181)的组合功能;
(4)按给定数据,完成几种指定的算术/逻辑运算。
二、实验电路
请参照本书后附页数据通路图,两片74LS181构成了按并—串型8位字长的ALU,两个8位字长的寄存器DR1和DR2作为暂存工作寄存器,保存参与运算的数据或运算结果。
ALU的输出通过三态门74LS245发送到数据总线BUS7——BUS0上。
实验台操作板上的八个发光二极管显示灯接在数据总线BUS上,可以显示运算结果或输入的数据。
参与运算的数据可数据开关通过另一个三态门74LS245输入到BUS总线上,并可送至DR1或DR2暂存工作寄存器。
输入数据可由实验抬操作面板上的八个二进制数据开关状态来设置。
本次实验中,T4脉冲信号连接到实验仪操作面板的T4信号插孔上,将实验仪上TJ按钮拨到RUN,DP按钮拨到EXEC,按动一下QD,T4便可产生连续的时钟脉冲。
而S3,S2,S1,S0,M,
,LDDR1,LDDR2,
,
各电位控制信号用二进制数据开关来模拟,其中
,
为低电平有效。
三、实验设备
(1)TDS-CE+计算机组成原理实验仪一台
(2)74LS08一片
(3)导线若干
四、实验任务
(1)按图10所示,连接运算器模块与实验仪操作面板上的线路。
由于运算器模块内部的连线已由印制线路板连好,故接线任务仅仅是完成显示灯、数据开关、控制信号模拟开关、时钟脉冲信号T4与运算器模块的外部连线。
(2)用二进制数码开关向DR1和DR2寄存器置数。
①关闭ALU输出三态门(
=1),开启输入三态门(
=0),设置数据开关状态,观察显示灯状态是否与数据开关状态一致。
②向DR1存入01010101,向DR2存入10101010。
③关闭输入三态门,开启ALU输出三态门,通过显示灯分别验证DR1和DR2中的内容是否为第②步的内容。
在表12中填入控制信号状态与BUS显示状态。
表12
寄存器内容
S3S2S1S0M
BUS显示内容
DR1(01010101)
DR2(10101010)
⑶验证74181的算术运算和逻辑操作功能。
给定了寄存器DR1和DR2的数据,要求根据此数据,将理论分析值事先填入表13中,然后与实验结果值进行比较(采用正逻辑)。
表14列出了八种常用的算术运算与逻辑运算。
表14
S3S2S1S0
算术运算(M=0)
逻辑运算
(M=1)
=1(无进位)
=0(有进位)
0000
A
A加1
0001
A+B
A+B加1
0010
A+
A+
加1
B
0011
减1
减1加1
逻辑0
0100
A加A
A加A
加1
0101
(A+B)加A
(A+B)加A
加1
0110
A减B减1
A减B减1加1
AB
0111
A
减1
A
减1加1
A
1000
A加AB
A加AB加1
+B
1001
A加B
A加B加1
1010
(A+
)加AB
(A+
)加AB加1
B
1011
AB减1
AB减1加1
AB
1100
A加A乘2
A加A乘2加1
逻辑1
1101
(A+B)加A
(A+B)加A加1
A+
1110
(A+
)加A
(A+
)加A加1
A+B
1111
A减1
A减1加1
A
五、实验要求
⑴作好实验预习,掌握运算器的数据传送通路和ALU的功能特性,并熟悉本实验中所用的模拟开关的作用和使用方法。
⑵写出实验报告,理论分析值与实验结果值。
图10数据通路图
图11实验接线图
四半导体存储器原理实验
一、实验目的
⑴说明静态随机存储器RAM的工作特性及使用方法;
⑵说明半导体存储器怎样存储和读出数据;
二、实验电路
图11所示为实验电路图接线图,数据通路请参照本书后附页。
这里使用了一片6116静态RAM(2048*8),但地址输入端A8-A10脚接地,因此实际使用存储容量为256字节。
使用一片8位的74LS273做为地址寄存器(AR)。
使用了两组发光二极管显示灯:
一组显示存储单元的地址,另一组显示写入存储单元的数据或从存储单元读出的数据(即总线指示灯)。
写入的数据由实验台操作板上的二进制开关设置,并经过输入三态门74LS245发送到数据总线BUS7—BUS0上。
存储器片选端
接入一模拟开关。
当
=0时,RAM被选中,可以进行读/写操作;反之当
=1时,RAM未被选中,不能进行读/写操作。
6116有两个命令控制端:
(写命令)和OE(读命令)。
本实验中将OE端固定接地电平。
在此情况下,当
=0,WE=1时,存储器进行写操作;而当
=0,WE=0时,存储器进行读操作。
写命令WE的脉冲宽度受时间因素(T3脉冲宽度)的制约。
T3可接入实验仪操作面板上响应的插孔中,其脉冲宽度可以调节。
存储单元的地址有地址寄存器AR提供,而AR的内容则由数据开关的状态来设置,并经输入三态门发送到数据总线时被AR接收。
图中的电位控制信号
,
,WE和LDAR由实验台操作板上的二进制开关来模拟,前两个信号低电平有效,后两个信号为高电平有效。
LDAR与T3脉冲配合将数据总线上的地址信息打入到AR中。
三、实验设备
⑴TDS-CE+计算机组成原理实验仪一台
(2)芯片若干
(3)导线若干
四、实验任务
⑴按图11所示接好实验台操作板上数据开关、显示灯、信号源、控制信号模拟开关的线路。
接好线路以后,仔细复查一遍,然后接通电源。
⑵向存储器的一段内存空间写入一些数,然后读出验证,看和写入的书是否一致。
五、实验要求
⑴做好实验预习,掌握6116型RAM存储器的功能特性和使用方法。
⑵写出实验报告。
图12数据通路图
图13实验接线图
五数据通路组成与故障分析实验
一、实验目的
⑴将运算器模块与存储器模块联机;
⑵进一步熟悉计算机的数据通路;
⑶掌握数字逻辑电路中故障
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 计算机 组成 原理 实验 指导书