《计算机组成原理》实验

实验一、运算实验算术逻辑

一、实验目的

1、 掌握简单运算器的数据传送通路

2、 验证运算功能发生器（74LS181）的组合功能

二、实验设备

CCT-IV计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。

三、实验原理

实验中的运算器由两片74LS181构成。运算器的输出经过一个三态门74LS245和数据总线相连，运算器的两个数据输入端，分别由二个锁存器74LS273锁存，锁存器的输入端和数据总线相连，数据输入输出都通过总线完成；数据显示灯（“BUS UNIT”）与数据总线相连，用来显示数据总线内容。

实验中的数据输入由数据开关（“INPUT DEVICE”）给出，并经过三态门74LS245和数据总线相连，数据输出可以经总线输出至七段数码管（“OUTPUT DEVICE”）显示

W/R UNIT STATE UNIT KK2 T4 ALU UNIT AR AUJ3 ALU-B S3-CN LDDR1LDDR2 ………… …… BUS UNIT ………… …… 图1-1算术逻辑运算实验接线图 LDDR1LDDR2 AR SW-B ALU-B S3-CN SWJ3 SW-B UNIT SWITCH INPUT DEVICE CN B7„„„B0 数74LS245 据显示 A7„„„A0 ALU-B

S3

CN+4 F3„F0 F3„F0 CN S2

ALU(181) CN CN+4 ALU(181) S1

M A3„A0B3„B0 M A3„A0B3„B0 S0

M

LDDR1 Q7„Q4 Q3„Q0 Q7„Q4 Q3„Q0 DR(273) DR(273) T4 D7„„„„D0 D7„„„„D0 LDDR2

SW-B 三态门245

数据开关

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图1-2运算器数据通路

图1－2中T4为脉冲信号，其它均为电平信号。在实验中，只需将“W/R UNIT”的T4接至“STATE UNIT”的微动开关ＫＫ２的输出端，按动微动开关，即可获得实验所需的单脉冲，而S3、S2、S1、S0、Cn、M、LDDR、ALU-B、SW-B各电平控制信号用“SWITCH UNIT”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 Cn Cy

AR Q T4 +5V 74LS74 D Cn Cn+4 图1-3进位控制部件 进位控制运算的实验，是在前面实验的基础上增加进位控制部分（如1-3图所示），其中181的进位进入一个74锁存器，其写入是由T4的AR信号控制，T4是脉冲信号，实验时将T4连至“STATE UNIT”的微动开关KK2上。AR是电平控制信号，可用于实现带进位控制实验，而T4脉冲是将本次运算的进位结果锁存到进位锁存器中。

四、实验内容

1、按图1-1实验接线图连接线路，仔细查线无误后，接通电源。

2、用二进制数码开关分别向DR1和DR2寄存器臵数01100101，10100111。 ①打开数据输入三态门SW-B=0 关闭运算器输出三态门ALU-B=1

②向寄存器DR1传送数据，数据开关臵01100101，LDDR1=1，LDDR2=0，按下KK2，产生T4信号 ③向寄存器DR2传送数据，数据开关臵10100111，LDDR1=0，LDDR2=1，按下KK2，产生T4信号 ④关闭数据输入三态门SW-B=1，打开运算器输出三态门ALU-B=0

⑤当臵S3、S2、S1、S0、M为11111时，总线指示灯DR1中的数，而臵成10101时总线指示DR2中的数。

3、验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能，在给定DR1=65，DR2=A7的情况下，改变运算器的功能设臵，观察运算器的输出，填入表中，并和理论分析进行比较、验证，更改DR1，DR2的数据，再进行实验，进一步验证 ▲输入 DR1:A=65、DR2:B=A7 S3 S2 S1 S0 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 Cn=1 M=0 输出 M=1 Cn=0 Cn=* 计算机组成原理实验指导书

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表1-1

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4、进位标志清零操作,S3S2S1S0M的状态臵为00000，AR状态臵为0，按动开关KK2。

5、验证带进位运算及进位锁存功能，使Cn=1，Ar=0，SW-B=1来进行带位算术运算,做加法运算，首先向DR1，DR2臵数，然后使ALU-B=0，S3S2S1S0，M状态为10010（加）及01100（减），此时数据总线上显示的数据为DR1加DR2加当前进位标志，这个结果是否产生进位，则要按动开关KK2，若进位标志灯亮，表示没进位；反之，有进位，更改DR1，DR2的数据，再进行实验，进一步验证，并将结果记录到下表。 A B S3 S2 S1 S0 M=1 0 0 1 0 Cn=1 Cy F Cn=0 Cy F 表1-2

S3 S2 S1 S0 M=0 1 1 0 0 Cn=1 Cy F Cn=0 Cy F DR1 DR2

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实验二、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

CCT-IV计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。

三、实验原理 数据灯

CE

OE D7…………D0 6116 WE A10 … A8 A7 ………… A0 T3 地 AD7 址 灯 AD0 AR （273 ） LDAR T3 三态门 245 SW-B 数据开关

图2-1存储器实验原理图

实验所用的半导体静态存储器电路原理如图所2－1所示，实验中的静态存储器由一片６１１６（２ＫＢ）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，6116的地址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）。当片选取有效（CE=0）时，OE=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相应的插孔中，其脉冲宽度可调，其它电平控制信号由“SWITCH UNIT”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、实验内容

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SIGNAL UNIT STATE UNIT W/R UNIT H23 T3 WE Φ TS3 MAIN MEN D7„„D0 A7„A0 W/R CE ………… AD0…AD7 W/R EXT BUS BUS UNIT D0…D7 ADDRES UNIT LDAR ………… SW-B LDAR CE WE SWJ3 SW-B SWITCH UNIT INPUT DEVICE 2-2存储器实验接线图

1. 形成时钟脉冲信号T3，具体接线方法和操作步骤如下：

①接通电源,调节电位器W1使H24端输出实验所期望的频率的方波（可用示波器观察） ②将时序电路模块中的Φ和H23排针相连，CLR置1 ③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T输出连续的方波信号民，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。

2. 按图2－2连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。由于存储器模块内部连线已经好，因此只需完成实验电路的形成，控制倍模拟开关、时钟脉冲信号T3与存储模块的外部连接。

3. 给存储器的00、01、02、„„、37地址单元中分别写入数据11、12、„„，具体步骤如下：(以向0号单元写入11为例)

①数据开关置00000000，SW-B=1

②打开输入三态门SW-B=0，不选内存CE＝1 ③传送至地址寄存器LDAR＝1，按下START

④数据开关置数00010001,打开内存地址输入门LDAR＝0 ⑥选择内存CE＝0，写入内存WE＝1，按下START

4. 依次读出第00、01、02、„„、37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。具体操作步骤如下：(以从0号单元读出11数据为例) ①数据开关置00000000，SW-B=1

②打开输入三态门SW-B=0，不选内存CE＝1 ③传送至地址寄存器LDAR＝1，按下START

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④关闭输入三态门SW-B=1，选择内存CE＝0，读内存WE＝0 ⑤重复上面四步，开关数据每次加1

⑥比较前面输入数据及后面输出数据是否一致，并填入下表 地址 0000-0000 0000-0001 0000-0010 0000-0011 0000-0100 0000-0101 0000-0110 0000-0111 内容 地址 0000-1000 0000-1001 0000-1010 0000-1011 0000-1100 0000-1101 0000-1110 0000-1111 内容 地址 0010-0000 0010-0001 0010-0010 0010-0011 0010-0100 0010-0101 0010-0110 0010-0111 内容 地址 0011-0000 0011-0001 0011-0010 0011-0011 0011-0100 0011-0101 0011-0110 0011-0111 内容 0000-0000 0001-0000 0000-1010 0010-0000 0000-1011 0011-0000 0000-1011 0100-0000 0000-0000 0000-0001 表2-1

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实验四、模型机设计与实现

一、实验目的

1、 掌握部件单元实验的基础上，进一步将其组成系统构造一台基本模型计算机 2、 为其定义五条机器指令，并编写相应的微程序，具体上机调试掌握整机概念 二、实验设备

CCT-IV计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。 三、实验原理

部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本次实验将能在微程序控制下自动产生名部件单元控制信号，实现特定指令的功能。这里，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到一条机器指令执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。

本实验采用五条机器指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移）其指令格式如下（前4位为操作码）：

助记符 机器指令码 说明 IN 0000-0000 “INPUT DEVICE”中的开关状态→R0 ADD addr 0001-0000 ****-**** R0+[addr]→R0 STA addr 0010-0000 ****-**** R0→[addr] OUT addr 0011-0000 ****-**** [addr]→BUS JMP addr 0100-0000 ****-**** Addr→PC 其中IN为单字长（8位），其余为双字长指令，****-****为addr对应的二进制地址码。为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，还必须设计三个控制台操作微程序。

存储器读操作(KRD)：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA为“00”时，按START微动开关，可对RAM连续手动读操作。

存储器写操作(KWE)：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA为“01”时，按START微动开关，可对RAM连续手动写入。

启动程序(RP)：拨动总清开关CLR后，控制台开关SWB、SWA为“11”时，按START微动开关，即可转入到第01号“取址”微指令，启动程序运行。

上述三条控制台指令用两个开关SWB、SWA的状态来设臵，其定义如下：

SWB SWA 控制台指令 0 0 1 0 1 1 读内存(KRD) 写内存(KWE) 启动程序(RP) 表6-1 根据以上要求设计数据通路框图，微代码定义如表6-2所示

24 S3 23 S2 22 S1 21 S0 20 M 19 Cn 18 WE 17 A9 16 A8 15 14 A 13 12 11 B 10 9 8 7 C 6 μA5 5 μA5 4 μA5 3 μA5 2 μA5 1 μA0

15 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0

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表6-2

当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试为P(1)测试。由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P(1)的测试结果出现多路分支。本机用指令寄存器的前4位(IR7-IR4)作为测试条件，出现5路分支，占用5个固定微地址单元。

控制台操作为P(4)测试，它以控制台开关SWB、SWA作为测试条件，出现了3路分支，占用3个固定微地址单元。当分支微地址单元固定后，剩下的其它地方就可以一条微指令占用控存一个微地址单元。注意：微程序流程图上的单元地址为8进制。

当全部做程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表6-2即将图6-3的微程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制代码表”。

下面介绍指令寄存器(IR)：指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到缓冲寄存器中，然后再传送到指令寄存器。指令划分为操作码和地址码，由二进制数构成，为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试P(1)，通过节拍脉冲T4的控制以便识别所要求的操作。“指令译码器”(实验板上标有“INS DECODE”的芯片)，根据指令中的操作码译码强臵微控器单元的微地址，使下一条微指令指向相应的微程序首地址。

本系统有两种外部I/O设备，一种是二进制代码开关，它作为输入设备(INPUT DEVICE)另一种是数码块，它作为输出 设备(OUTPUT DEVICE)。例如：输入时，二进制开关数据直接经过三态门送到 外部数据总线上，只要开关状态不变，输入的信息也不变。输出时，将输出数据送到外部数据总线上，当写信号民(W/R)有效时，将数据打入输出锁存器，驱动数码块显示。

表6-3 二进制代码表 微地址 00 01 02 03 04 05 06 07 10. 11 12 13 14 15 16 17 20 21 22 23 S3 S2 S1 S0 M Cn WE A9 A8 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 A. 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0

B 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 C 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 UA5…UA0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 计算机组成原理实验指导书

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0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 本实验设计机器指令程序如下： 地址 内容 助记符 说明 0000-0000 0000-0000 IN “INPUT DEVICE”R0 0000-0001 0001-0000 ADD［0AH］ R0+［0AH］→R0 0000-0010 0000-1010 0000-0011 0010-0000 STA［0BH］ R0→［0BH］ 0000-0100 0000-1011 0000-0101 0011-0000 OUT［0BH］ ［0BH］→BUS 0000-0110 0000-1011 0000-0111 0100-0000 JMP［00H］ 00H→PC 0000-1000 0000-0000 0000-1001 0000-1010 0000-0001 0000-1011

四、实验内容

1、按连线图连接实验线路 2、写程序(手动写入)

①先将机器指令对应的微代码正确写入2816中，由于在实验五微程序控制实验中已将微代码写入EEPROM苦尽甜来中，对照表6-2校验正确后就可使用。 ②使用KWE和KRD微程序进行机器指令程序的装入和检查。 A． 使编程开关处于“RUN”，STEP为“STEP”状态，STOP为“RUN”状态。

B． 拨动总清开关CLR(１→0→1)，微地址寄存器清零，程序计数器清零。然后使控制台SWB、SWA开关臵为“01”，按动一次启动开关START，微地址显示灯显示“010001”，再按动一次启动开关START，微地址显示灯显示“010100”，此时数据开关的内容臵为要写入的机器指令，按动一次我START键，即完成该条指令的写入。若仔细阅读KWE的流程，就不难发现，机器指令的首地址只要第一次给入即可，PC会自动加1，所以，每次按动START，只有在微地址灯显示“010100”时，才设臵内容，直到所有机器指令写完。

C． 写完程序后须检验。拨动总清开关处于CLR(0→1)后，微地址清零 ，PC程序计数器清零，然后使控制台开关SWB、SWA为“00”，按动启动开关START，微地址灯显示“010000”后按START，微地址灯显示“010010”时，第三次按START，微地址灯显示为“010000”，些时总线单元 的显示灯显示为该首地址的内容。不断按动START，可检查后续单元内容，注意：每次仅在微地址灯显示为“010000”时，显示灯的内容才是相应地址中的机器指令内容。 (1) 运行程序 ①单步运行程序

A．使编程开关处于“RUN”状态STEP为“STEP”状态，“STOP”为“RUN”状态。

B．拨动总清开关CLR(0→1)后，微地址清零，PC计数器清零，程序首地址为00H。然后使控制台SWB、SWA开关臵为“11”，按动一次启动开关START，微地址显示灯由显示“000000”到“010011”后，按动一次启动开关START，微地址显示灯显示“000001”，每按动一次START键执行一条微指令，每条指令由若干条微指令组成。

C．单步运行一条微指令，每按动一次START键，即单步运行一条微指令。对照微程序流程图，观察

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微地址显示灯是否和流程一致。

D． 运行结束后，可检查存数单元(0B)中的结果是否和理论值一致。 ②连续运行程序

A．使“STATE UNIT”中的STEP开关臵于“EXEC”状态。STOP开关臵为“RUN”状态。 B． 拨动CLR开关，清微地址及PC计数器，按动START，系统连续运行程序，稍后将STOP拨至“STOP”时，系统停机。

C． 停机后，可检查存数单元(0B)结果是否正确。 (2) 填写每一条微指令执行过程中各寄存器的变化 MPC 微指令机器码 PC 指令机器码 AR BUS灯 IR DR１ DR2 R0 lED IN

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