1、计算机组成原理实验报告实验232 通用寄存器实验实验一 通用寄存器实验一、实验目的1.熟悉通用寄存器的数据通路。2.掌握通用寄存器的构成和运用。二、实验要求在掌握了AX、BX运算寄存器的读写操作后，继续完成CX、DX通用寄存器的数据写入与读出。三、实验原理实验中所用的通用寄存器数据通路如下图所示。由四片8位字长的74LS574组成CX（R1 R0）、DX（R3 R2）通用寄存器组。图中X2 X1 X0定义输出选通使能，SI、XP控制位为源选通选择。RXW为寄存器数据写入使能，OP、DI为目的寄存器选择。DRCK信号为寄存器写脉冲，下降沿有效。准双向I/O输入输出端口用于置数操作，经2片74LS
2、245三态门与数据总线相连。图2-3-3通用寄存器数据通路四、实验内容1.实验连线连线信号孔接入孔作用有效电平1DRCKCLOCK单元手动实验状态的时钟来源下降沿打入2WK6(M6)总线字长：0=16位字操作，1=8位字节操作3X2K10(M10)源部件定义译码端X2三八译码八中选一低电平有效4X1K9(M9)源部件定义译码端X15X0K8(M8)源部件定义译码端X06SIK19(M19)源寄存器编址：0=CX，1=DX，定义到M197XPK7(M7)源寄存器奇偶位：0=偶寻址，1=奇寻址8RXWK18(M18)寄存器写使能，本例定义到M18位低电平有效9DIK17(K17)目标寄存器编址：0
3、=CX，1=DX，定义到M1710OPK16(M16)目标寄存器奇偶位：0=偶寻址，1=奇寻址2.寄存器的读写操作1目的通路当RXW=0时，由DI、OP编码产生目的寄存器地址，详见下表。表2.3.5通用寄存器“手动搭接”目的编码目标使能通用寄存器目的编址功能说明RXWDIOPWDRCK0000CX字写0001CL(R0)偶字节写001XCH(R1)奇字节写0100DX字写0101DL(R2)偶字节写011XDH(R2)奇字节写2CX、DX寄存器的写入通过“I/O输入输出单元”向CX、DX分别置数1122h、3344h，操作步骤如下：3源通路当X2 X1 X0=0 0 1时，由SI、XP编码产生
4、源寄存器，详见下表。表2.3.6通用寄存器“手动搭接”源编码源使能通用寄存器源编址功能说明X2X1X0SIXPW001000CX字读001CL(R0)偶字节读01XCH(R1)奇字节读100DX字读101DL(R2)偶字节读11XDH(R2)奇字节读4CX、DX寄存器的读出关闭CX、DX写使能，令RXW=1，按下流程分别读CX、DX。五、实验心得本次试验中我对实验设备Dais-CMX16+有了初步的认识。实验的一开始，我首先对实验设备的各项功能及设置进行了学习和了解。其中I/O部分的使用花费了较长的时间。本次试验我熟悉了通用寄存器的数据通路，并且对通用寄存器的构成有了进一步了解。实验电路连接正
5、确，结果与预期结果一致。实验二 地址总线组成实验一、实验目旳1.熟悉和了解地址总线的组成结构、地址来源及集合原理。2.掌握程序段与数据段的寻址规则及地址部件的运用技巧。二、实验要求通过地址形成部件实验，建立“段”概念，学会“段”运用。三、实验原理地址总线的作用是传递地址信息，输出当前数据总线上发送信息的源地址或接收信息的目的地址。如下图所示本系统设有内存与外设两条地址总线，通过PC计数器提供内存（程序存储器）地址，并由地址寄存器AR传递内存（数据存储器）地址与外设地址。另外堆栈寄存器SP亦可视为地址寄存器，它的堆顶指向数据与程序指针存取地址。图2-3-6地址总线组成通路1.11位程序地址如图2
6、-3-6所示，本系统从提高信息存取效率的角度设计主内存地址通路，按现代计算机体系结构中最为典型的分段存取理念合成主存及外设地址总线addr，在指令操作“时段”（取操作码与取操作数），以当前程序指针PC为址，遇主存数据传递“时段”以当前数据指针AR为址。addr地址的合成通路见图2-3-6。其寻址范围为07FFh。2.16位数据地址如图2-3-6所示，本系统数据指针由地址锁存器AR直接提供，当LDAR=0时，在DRCK下降沿把数据总线打入AR。其寻址范围为0FFFFh，可达64KB。四、地址部件电路图2-3-7地址部件控制电路五、实验内容1.程序计数器实验表2.3.7PC程序计数器目标编码目标部
7、件定义按钮功能说明E/MIPDRCKDRCK下降沿打入11XPC保持10PC加100PC装载说明：“”表示下降沿有效图2-3-7所示的PC框由3片161构成按字方式寻址的11位PC计数器，计数器的输入端与总线相连构成置数通路，计数器的输出端途经三态门缓冲分离为两条通路，其一与总线相连构成可读通路，其二与地址寄存器（数据）集合组成主存EM地址总线。它的清零端由中央外理器单元直控，上电时PC计数器自动淸零，实验中按复位钮亦可实现计数器的手动淸零。手控状态，本实验由表2.6.1定义的目的编码控制PC计数器的预置与加1操作，并以准双向I/O部件的S10S0为计数器预置源。当IP=0时按单拍按钮，遇E/
8、M=0在脉冲下降沿把S10S0的内容装入PC计数器；遇E/M=1在脉冲下降沿PC计数器加1。PC计数器的读出操作由表2.3.7所列的源编码表定义。1）实验连线连线信号孔接入孔作用有效电平1DRCKCLOCK单元手动实验状态的时钟来源下降沿打入2WK6(M6)总线字长：0=16位字操作，1=8位字节操作3XPK7(M7)源奇偶位：0=偶寻址，1=奇寻址4OPK16(M16)目的奇偶位：0=偶寻址，1=奇寻址5X2K10(M10)源部件定义译码端X2三八译码八中选一低电平有效6X1K9(M9)源部件定义译码端X17X0K8(M8)源部件定义译码端X08LDPCK22(M22)PC程序计数器刷新位低
9、电平有效9E/MK23(M23)当IP有效时，E/M：0=PC装载，1=PC加110SPWK20(M20)SP堆栈指针写使能低电平有效11LDARK19(M19)AR地址寄存器写使能低电平有效2）程序计数器PC的写入、读出与加1(1)PC程序计数器的写入 通过“I/O单元”开关向程序计数器PC置数，操作步骤如下：(2)PC程序计数器的读出在PC置数操作完成后，按上流程中后两步的要求，关闭PC写使能（K23、K22=11），打开PC输出三态门（K10K6=00000），数据总线单元应显示的PC指针为1611h。(3)PC程序计数器加1在保持PC置数与读出流程的状态下，令K22=0，按【单拍】按钮
10、，在DRCK节拍的下降沿PC计数器加1并送数据总线，PC程序计数器和数据总线单元的显示器应显示1611h。继续按【单拍】按钮，观察PC与数据总线的内容。2、地址寄存器实验图2-3-7所示的AR框由2片74LS574锁存器构成按字方式寻址的16位数据指针，锁存器的输入端与总线相连构成置数通路，锁存器的输出端途经三态门缓冲分离与PC计数器集合组成主存地址总线。它的清零端由中央外理器单元直控,上电时锁存器自动淸零，手动实验中按【返回】键亦可实现锁存器的手动淸零。按通用计算机设计规范的要求，把数据指针AR定义为字写入寄存器，运用中局限于字写，字节写会引发数据指针的错误侵入，因此在数据指针AR的操作过程
11、中并非不支持而是不允字节写。地址寄存器AR打入在手控/搭接态，数据指针AR由W、LDAR及DRCK（CP脉冲）三信号组合控制地址的置数操作。本实验以总线上准双向I/O部件的S15S0为置数源。当W=0、LDAR=0时按【单拍】钮，在脉冲下降沿把S15S0的内容装入地址锁存器AR。操作步骤如下：图片3、堆栈寄存器实验图2-3-7所示的SP框由2片74LS574锁存器构成16位堆栈指针，锁存器的输入端与总线相连构成存数通路，锁存器的输出端途经三态门隔离与总线相连构成取数通路。它按先进后出的原则存放需要保留的数据信息与地址信息，在调用中断等突发事件处理中SP指针以间址方式把当前程序指针存入SP-2单
12、元，遇返回指令SP又把栈项所指单元的内容装入程序计数器，然后SP+2退至原始位置。在手控/搭接态,堆栈指针SP由W、SPW及DRCK（CP脉冲）三信号组合控制栈指针的置数操作。本实验以总线上准双向I/O部件的S15S0为置数源。当W=0、SPW=0时按单柏钮，在脉冲下降把S15S0的内容装入SP。堆栈指针SP的读出操作由P8页表2.2所列的源编码表定义。1）堆栈指针SP打入拨动“I/O输入输出单元”开关向堆栈指针SP置数，具体操作步骤如下：2）堆栈指针SP读出关闭SP写使能，令SPW=1 按下流程完成SP送总线。六、实验心得在本次实验中，我对实验设备已经有了一定的了解，试验过程较为顺利。实验中
13、电路连接正确，实验结果与预期结果一致。通过本次试验我熟悉和了解了地址总线的组成结构、地址来源及集合原理，并且掌握了程序段与数据段的寻址规则及地址部件的运用技巧以及SP堆栈指针的实际操作过程。实验三 十六位数据总线一、实验目旳1.熟悉和了解总线的数据通路、双向互递原理及寻址方式与运用规则。2.掌握十六位数据总线中“字”与“字节”操作方法及源与目的奇偶效应。二、实验要求通过总线的数据传递实验，建立“奇偶”概念，领会字寻址中对字节操作的动态定义。三、实验原理系统数据总线作为计算机传递信息的通道是连接各个功能部件的纽带，在计算机中起着至关重要的作用。模型机的工作过程就是计算机各个功能部件之间的信息，通
14、过数据总线不断有序流动的过程。图2-3-8 系统体系结构图1.字与字节体系本系统总线宽度为十六位，设有字长控位“W”，当W=0，由源寻址的奇偶性决定当前总线宽度，遇源址为偶时其字长宽度为十六位；当源址为奇或W=1时，字长宽度为八位，形成图2-3-9所示的奇（八位）与偶（八位）互通的字节总线。图2-3-9 奇偶互通字节总线体系结构图2.源奇偶的运用图2-3-9所示，我们按原理计算机的设计规范，以字节为基准把十六位数据总线划分奇与偶俩路八位总线，其中“D15D8”称为“奇总线”，“D7D0”称为“偶总线”；在字节传递中由于总线的互通，形成“奇送偶”或“偶送奇”的八位字节总线，其使能端定义为低电平选
15、通，逻辑表达式为： G（偶字节）= !W（字长）# XP（源奇偶） G（奇字节）= !XP（源奇偶）从上俩式可知，图2-3-9所示的奇偶总线由字长“W”和源奇偶“XP”动态呈现以下三状态：在W=0时遇XP=0，由于G（偶字节）与G（奇字节）处隔离态“1”，形成“D15D0”十六位字总线源。在W=1时遇XP=0，由于G（偶字节）为“0”，G（奇字节）“1”，形成“偶送奇的八位字节总线源。在XP=1时，由于G（奇字节）为“0”，G（偶字节）为“1”，无条件形成“奇送偶”的八位字节总线源。3.目的奇偶的运用在目的寻址中亦由字长控位“W”与目的地址的奇偶性动态定义当前目的字长。在W=0又遇目的址为偶时
16、，其目的传递为字操作，否则均为字节传递，其逻辑表达式为： !O（偶字节）= !OP（目的奇偶） !O（奇字节）= !W（字长）# OP（目的奇偶）上述俩式表明，由字长“W”和目的址奇偶“OP”动态产生以下三种目的寻址操作在W=0时遇OP=0，由于O（偶字节）与O（奇字节）均为“0”，执行以当前目的偶址为目标的字传递。在W=1时遇OP=0，由于O（偶字节）=“0”、O（奇字节）=“1”,执行以当前目的偶址为目标的字节传递。在OP=1时，由于O（奇字节）=“0”、O（偶字节）=“1”，无条件执行以当前目的奇址为目标的字节传递。4.数据传递规则系统在十六位原理计算机的字操作中动态地融入了字节操作的过
17、程，其源奇偶映射总线宽度，而目的奇偶则制约传递长度。系统在十六位原理计算机的字节操作中运用总线互联机制，以源址的奇偶性形成“奇递偶”或“偶递奇”两者互通的八位字节总线。表2.3.7十六位总线传递规则总线规则功能说明WXPOP000字传递（十六位传递）100偶送偶（低位送低位）101偶送奇（低位送高位）X10奇送偶（高位送低位）X11奇送奇（高位送高位）说明：上表中“XP”与“OP”仅为原理计算机特定的专用寄存器奇偶标志，适用于AX、BX、SP及I/O的寻址场合；在存储器寻址中应以地址线“A0”为奇偶；在通用寄存器寻址中应从指令格式中所定义的“源与目的”字段动态索取奇偶标志。四、数据传递实验1.
18、实验连线连线信号孔接入孔作用有效电平1DRCKCLOCK单元手动实验状态的时钟来源下降沿打入2WK6(M6)总线字长：0=16位字操作，1=8位字节操作3XPK7(M7)源部件奇偶标志：0=偶寻址，1=奇寻址4X2K10(M10)源部件定义译码端X2三八译码八中选一低电平有效5X1K9(M9)源部件定义译码端X16X0K8(M8)源部件定义译码端X07OPK16(M16)目标部件奇偶标志：0=偶寻址，1=奇寻址8AXWK17(M17)AX运算寄存器写使能，本例定义到M17位低电平有效2.十六位数据传送（字传递）设置数据来源为I/O单元（X2 X1 X0=100），总线规则设为字传递（W XP
19、OP=000），打开AX写使能（AXW(M17)=0），拨动“I/O输入输出单元”十六位数据开关，按【单拍】按钮，将I/O单元内容通过数据总线传递到AX寄存器，操作步骤如下：3.低位到低位（偶送偶）设置数据来源为I/O单元（X2 X1 X0=100），总线规则设为偶送偶（W XP OP=100），打开AX写使能（AXW(M17)=0），拨动“I/O输入输出单元”十六位数据开关，按【单拍】按钮，将I/O偶单元内容通过数据总线传递到AL寄存器，操作步骤如下：4.低位到高位（偶送奇）设置数据来源为I/O单元（X2 X1 X0=100），总线规则设为偶送奇（W XP OP=101），打开AX写使能（A
20、XW(M17)=0），拨动“I/O输入输出单元”十六位数据开关，按【单拍】按钮，将I/O偶单元内容通过数据总线传递到AH寄存器，操作步骤如下：5.高位到低位（奇送偶）设置数据来源为I/O单元（X2 X1 X0=100），总线规则设为奇送偶（W XP OP=X10），打开AX写使能（AXW(M17)=0），拨动“I/O输入输出单元”十六位数据开关，按【单拍】按钮，将I/O奇单元内容通过数据总线传递到AL寄存器，操作步骤如下：6.高位到高位（奇送奇）设置数据来源为I/O单元（X2 X1 X0=100），总线规则设为奇送奇（W XP OP=X11），打开AX写使能（AXW(M17)=0），拨动“I/
21、O输入输出单元”十六位数据开关，按【单拍】按钮，将I/O奇单元内容通过数据总线传递到AH寄存器，操作步骤如下：五、实验心得本次实验的内容与课堂上所学的奇偶地址的寻址可以联系起来。通过本次试验，我进一步熟悉和了解了总线的数据通路、双向互递原理及寻址方式与运用规则，同时进一步掌握了十六位数据总线中“字”与“字节”操作方法及源与目的奇偶效应。本次试验的连线正确，实验结果正确。实验四 存储器读写实验一、实验目的熟悉和了解存储器组织与总线组成的数据通路。二、实验要求按照实验步骤完成实验项目，掌握存储部件在原理计算机中的运用。三、实验原理存储器是计算机的存储部件，用于存放程序和数据。存储器是计算机信息存储
22、的核心，是计算机必不可少的部件之一，计算机就是按存放在存储器中的程序自动有序不间断地进行工作。本系统从提高存储器存储信息效率的角度设计数据通路，按现代计算机中最为典型的分段存储理念把存储器组织划分为程序段、数据段等，由此派生了数据总线（DBus）、指令总线（IBus）、微总线（Bus）等与现代计算机设计规范相吻合的实验环境。实验所用的存储器电路原理如图2-3-10所示，该存储器组织由二片6116构成具有奇偶概念的十六位信息存储体系，该存储体系AddBus由PC指针和AR指针分时提供，E/M控位为“1”时选通PC，反之选通AR。该存储体系可随机定义总线宽度，动态变更总线结构，把我们的教学实验提高
23、到能与现代计算机设计规范相匹配与接轨的层面。图2-3-10 存储器数据通路四、存储器分类与寻址1.存储器组织分类表本系统主存储器由两个部分组成，详见下表：分类存储容量寻址范围程序段2K07FFh数据段2K07FFh2.程数存储器源与目的寻址程序段与数据段源寻址程序段与数据段目的寻址源使能源编址注释目的编址注释X2X1X0E/MWA0MWRE/MWA0011100程序段字读0100程序段字写10程序段偶读10程序段偶写X1程序段奇读X1程序段奇写000数据段字读000数据段字写10数据段偶读10数据段偶写X1数据段奇读X1数据段奇写注：在【单拍】按钮下降沿写入五、实验内容1.实验连线连线信号孔接
24、入孔作用有效电平1DRCKCLOCK单元手动实验状态的时钟来源下降沿打入2WK6(M6)总线字长：0=16位字操作，1=8位字节操作3XPK7(M7)源部件奇偶标志：0=偶寻址，1=奇寻址4X2K10(M10)源部件定义译码端X2三八译码八中选一低电平有效5X1K9(M9)源部件定义译码端X16X0K8(M8)源部件定义译码端X07E/MK23(M23)存储器地址段定义：0=AR指针，1=PC指针8MWRK21(M21)存储器写使能：0=存储器写9LDARK17(M17)AR地址寄存器写使能低电平有效10LDPCK22(M22)PC装载与PC+1 低电平有效2.存储器数据段读写操作(1)数据段
25、写操作（字）在进行数据存储器字操作时，地址线A0必须为0（偶地址）。向数据段的00005h存储单元写入112233445566一串数据，以0址单元写入数据1122h为例表述操作流程。按照上述操作流程完成00020005h单元分别写入33445566的操作。(2)数据段读操作（字）依次读出数据段00005h单元的内容，这里以0址单元读出为例阐述操作流程。执行上述流程总线单元应显示1122h，若正确可按上述流程读出00020005h单元的内容。3.存储器程序段读写操作(1)程序段字节写操作1计算机规范的取指操作均以字节为单位。所以本实验以字节操作方式展开。程序段写入必须从定义地址入手，然后再进入程
26、序存储器的写入。2PC指针是带预置加法计数器，因此在输入起始地址后一旦后续地址为PC+1的话就不需重装PC，用PC+1指令完成下续地址的读写操作。3PC地址装载写入与PC+1写入流程按照上述PC装载写入与PC+1写入的流程分别对00000005写入12345678h。(2)程序段字节读操作PC地址装载读出及PC+1读出流程按照上述PC装载读出与PC+1读出的流程分别读出00000005h单元内容，应为12345678h。六、实验心得本次试验主要是围绕着存储器和总线之间的各种操作展开的，包括数据段和程序段内容的读写。通过本次试验我进一步熟悉和了解了存储器组织与总线组成的数据通路以及读写的具体流程
27、。本次试验的连线正确，结果与预期值一致。实验五 十六位机运算器实验一、实验目的完成算术、逻辑、移位运算实验，熟悉ALU运算控制位的运用。二、实验原理实验中所用的运算器数据通路如图2-4-1所示。ALU运算器由CPLD描述。运算器的输出经过2片74LS245三态门与数据总线相连，2个运算寄存器AX、BX的数据输入端分别由4个74LS574锁存器锁存，锁存器的输入端与数据总线相连，准双向I/O输入输出端口用来给出参与运算的数据，经2片74LS245三态门与数据总线相连。图2-4-1运算器数据通路图中AX、BX的写控制由O2O0编码定义，通过按【单拍】钮完成运算源的数据打入。三、运算器功能编码表2.4.1 ALU运算器编码表算术运算逻辑运算K15K13K12K11功能K15K13K12K11功能MS2S1S0MS2S1S00000A+B+C1000B0001ABC1001/A0010RLC1010A-10011RRC1011A=00100A+B1100A#B0101AB1101A&B0110RL1110A+10111RR1111A四、设置初始状态K23K0置“1”，灭M23M0控位显示灯。示例1算术运算1.字算术运算(1)字写操作（置数操作）通过“I/O单元”二进制开关向寄存器
