1、計算機組成原理實驗指導計算機組成原理上機實驗指導一、實驗準備和實驗注意事項 1本課程實驗使用專門的TDN-CM+計算機組成原理教學實驗設備，使用前后均應仔細檢查主機板，防止導線、元件等物品落入裝置內導致線路短路、元件損壞。 2完成本實驗的方法是先找到實驗板上相應的絲印字及其對應的引出排針，將排針用電纜線連接起來，連接時要注意電纜線的方向，不能反向連接；如果實驗裝置中引出排針上已表明兩針相連，表明兩根引出線內部已經連接起來，此時可以只使用一根線連接。3為了弄清計算機各部件的工作原理，前面幾個實驗的控制信號由開關單元“SWITCH UNIT”模擬輸入；只有在模型機實驗中才真正由控制器對指令譯碼產生

2、控制信號。在每個實驗開始時需將所有的開關置為初始狀態(tài)“1”。4本實驗裝置的發(fā)光二極管的指示燈亮時表示信號為“0”，燈滅時表示信號為“1”。5實驗接線圖中帶有圓圈的連線為實驗中要接的線。6電源關閉后，不能立即重新開啟，關閉與重啟之間至少應有30秒間隔。7電源線應放置在機內專用線盒中。8保證設備的整潔。二、實驗設備的數據通路結構利用本實驗裝置構造的模型機的數據通路結構框圖如下圖。其中各單元內部已經連接好，單元之間可能已經連接好，其它一些單元之間的連線需要根據實驗目的用排線連接。圖0-2 模型機數據通路結構框圖- 24 -實驗一 運算器實驗：算術邏輯運算實驗一實驗目的1了解運算器的組成結構；2掌握運

3、算器的工作原理；3掌握簡單運算器的數據傳送通路。 4驗證運算功能發(fā)生器(74LSl81)的組合功能。 二實驗設備TDN-CM+計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)一臺，排線若干。三實驗原理實驗中所用的運算器數據通路如圖1-l所示。其中兩片74LSl81以串行方式構成8位字長的ALU，ALU的輸出經過一個三態(tài)門(74LS245)和數據總線相連。三態(tài)門由ALU-B控制，控制運算器運算的結果能否送往總線，低電平有效。為實現(xiàn)雙操作數的運算，ALU的兩個數據輸入端分別由二個鎖存器DR1、DR2(由74LS273實現(xiàn))鎖存數據。要將數據總線上的數據鎖存到DR1、DR2中，鎖存器的控制端LDDR1和LDDR2必須為高

4、電平，同時由T4脈沖到來。數據開關(“INPUT DEVICE”)用來給出參與運算的數據，經過三態(tài)門(74LS245)后送入數據總線，三態(tài)門由SW-B控制，低電平有效。數據顯示燈(“BUS UNIT”)已和數據總線相連，用來顯示數據總線上的內容。圖中已將用戶需要連接的控制信號用圓圈標明(其他實驗相同，不再說明)，其中除T4為脈沖信號外，其它均為電平信號。由于實驗電路中的時序信號均已連至“WR UNIT”的相應時序信號引出端，因此，在進行實驗時，只需將“WR UNIT”的T4接至“STATE UNIT”的微動開關KK2的輸出端，按動微動開關，即可獲得實驗所需的單脈沖。ALU運算所需的電平控制信號

5、S3、S2、S1、S0、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU-B、SW-B均由“SWITCH UNIT”中的二進制數據開關來模擬，其中Cn、ALU-B、SW-B為低電平有效，LDDRl、LDDR2為高電平有效。對單總線數據通路，需要分時共享總線，每一時刻只能由一組數據送往總線。 圖1-1 運算器數據通路圖四實驗內容1輸入數據通過三態(tài)門74LS245后送往數據總線，在數據顯示燈和數碼顯示管LED上顯示2向DR1(或DR2)中置數，經ALU直傳后，經過三態(tài)門245送入數據總線，在數據顯示燈和數碼顯示管LED上顯示3將輸入DR1和DR2中的兩個數進行算術邏輯運算，驗證ALU的功能，結果在數據顯示

6、燈和數碼顯示管LED上顯示五實驗步驟1輸入數據通過三態(tài)門74LS245后經過數據總線在數據顯示燈和數碼顯示管LED上直接顯示 (1) 按下圖連接實驗線路，仔細查線無誤后，接通電源。 圖1-2 總線數據顯示連線圖(注：可以選擇PC-B開關，或者是本實驗中不用的任一個開關)(2) 用二進制數碼開關輸入數據65H，觀察總線數據顯示燈和LED的變化。設置：SW-B = 1 從輸入開關輸入：01100101打開三態(tài)門 SW-B = 0 數據在數碼管上顯示：LED-B = 0 開關299-B置為0發(fā)W/R脈沖通過改變PC-B(01 或10)實現(xiàn) 結果：2向DR1(或DR2)中置數，經ALU直傳后，經過三態(tài)

7、門245送入數據總線，在數據顯示燈和數碼顯示管LED上顯示 (1) 重新按下圖連接實驗線路，仔細查線無誤后，接通電源圖1-3 實驗接線圖(2)向DRl和DR2寄存器中置入數據65H和A7H。輸入的流程為：使用以下操作步驟向DRl寄存器中置入數據65。設置：SW-B = 1從輸入開關輸入：01100101打開輸入三態(tài)門：SW-B = 0設置DR1有效：LDDR1 = 1LDDR2 = 0將數據打入DR1按KK2發(fā)T4脈沖將總線上的數據在數碼管上顯示：LED-B = 0發(fā)W/R脈沖結果是： 使用以下操作步驟向DR2寄存器中置入數據A7。設置：SW-B = 1從輸入開關輸入：10100111打開輸入

8、三態(tài)門：SW-B = 0設置DR2有效：LDDR2 = 1LDDR1 = 0將數據打入DR1按KK2發(fā)T4脈沖將總線上的數據在數碼管上顯示：LED-B = 0發(fā)W/R脈沖結果是：(3) 檢查輸入DRl和DR2寄存器中的數據是否正確。操作步驟如下，設置：關閉輸入三態(tài)門：SW-B = 1關閉暫存器的輸入：LDDR1=0 LDDR2=0打開ALU輸出三態(tài)門：ALU-B = 0設置運算器直傳方式：S3S2S1S0M = 11111 將總線上的數據在數碼管上顯示：LED-B = 0發(fā)W/R脈沖結果(顯示DR1中的數據)：設置：關閉輸入三態(tài)門：SW-B = 1打開ALU輸出三態(tài)門：ALU-B = 0設置運

9、算器直傳方式：S3S2S1S0M = 10101 將總線上的數據在數碼管上顯示：LED-B = 0發(fā)W/R脈沖 結果(顯示DR2中的數據)：3將輸入DR1和DR2中的兩個數進行算術邏輯運算，驗證ALU的功能，結果在數據顯示燈和數碼顯示管LED上顯示(1) 接線圖同2，保持DR1,DR2中的數據不變，若不知道DR1,DR2中是否有數據，可按實驗步驟2中的(3)去檢查； (2) 通過“SWITCH UNIT”改變開關S3、S2、S1、S0、Cn、M的值，可將兩數進行不同的運算，例如：設置S3S2S1S0CnM=10010，運算器進行加法運算，設置S3S2S1S0CnM=01100，運算器進行減法運

10、算。具體設置的值見74LS181的功能表。然后根據運算結果填寫下表：六思考題1 在運算器數據通路圖中,DR1、DR2連接到74LS181時為什么要交叉？2 兩個4位的74LS181是如何構成8位的ALU的？3 “+”和“加”的區(qū)別是什么？4 兩個三態(tài)門74LS245的控制有何限制？數據輸入DR1、DR2時控制有何限制？5 運算器是如何完成多種不同的功能的？怎樣控制它？6 你認為計算機是怎樣實現(xiàn)連續(xù)運行的？實驗二 運算器實驗：進位控制實驗一實驗目的1驗證帶進位控制的運算器的組成結構；2驗證帶進位控制的運算器的功能；3觀察給定數據是否產生進位，以及如何進行帶進位運算。二實驗設備TDNCM+計算機組

11、成原理教學實驗系統(tǒng)一臺，排線若干。三實驗原理進位控制運算器的實驗原理如圖21所示，在實驗一的基礎上增加進位控制部分，基本原理是：兩數在181中進行運算后最高位的進位C(n+4)連接到一個74鎖存器的輸入端D，是否鎖存由T4和AR(低電平有效)信號控制。T4是脈沖信號，實驗時將T4連至“STATE UNIT”的微動開關KK2上。當T4脈沖到來時，進位結果就被鎖存到74鎖存器中了。如果鎖存器中已有進位保存，可以控制下一次在181中的運算是否帶進位運算。這是通過改變Cn和AR的值來進行的。本實驗中運算結果是否產生進位、結果是否為0是根據進位指示燈CY和零標志指示燈ZI的狀態(tài)來判斷的。進位標志指示燈C

12、Y亮(cy=0)時表示進位標志為假此時運算沒有產生進位；標志指示燈CY滅(cy=1)時表示進位標志為真此時運算產生了進位。零標志指示燈ZI燈亮時表示零標志為假此時運算結果不為“0”，燈滅時表示零標志為真此時運算結果為“0”。圖2-1 進位控制實驗原理圖四實驗內容 通過輸入幾組不同的數據(一組產生進位，一組不產生進位)，完成指定的運算，觀察進位標志和零標志燈的狀態(tài)，以及進位對ALU下一步操作的影響五實驗步驟(1) 按圖22連接實驗線路，仔細查線無誤后，接通電源。圖2-2 實驗接線圖(2) 用二進制數碼開關向DR1和DR2寄存器置數55H和AAHH，具體方法同實驗一。輸入流程如下：(3) 按照實驗

13、一的方法檢查DR1和DR2中的數。觀察結果： (DR1)=_ (DR2)=_ (4) 進位標志清零，具體操作方法是：讓CLR開關做101操作。實驗板中“SWITCH UNIT”單元中的CLR開關為標志CY、ZI的清零開關，它為零時是清零狀態(tài)，所以將此開關做101操作，即可使標志位清零。(5) 驗證帶進位的運算及進位鎖存功能。設置Cn=l，Ar=O進行帶進位算術運算。此時數據總線上顯示的數據為DR1加DR2加當前進位標志的值，相加的結果是否產生進位,檢查CY燈，若進位標志燈亮，表示無進位，反之，有進位；本次運算結果是否為0，檢查ZI燈，若零標志燈亮，運算結果不為0，反之，結果為0。關閉輸入三態(tài)門

14、：SW-B = 1打開ALU輸出三態(tài)門：ALU-B = O 關閉寄存器的輸入：LDDR1 = 0LDDR2 = 0 進行帶進位加法運算：Cn = l Ar = OS3 S2 Sl S0 M = l 0 0 1 0觀察結果(此時只能觀察到本位和)：按動微動開關KK2，觀察進位標志燈CY，零標志燈ZI的變化。（此時將顯示鎖存器74中的內容，同時也會將鎖存內容加到ALU的低位），現(xiàn)象是：(6) 輸入另一組數據11111111，00000001到DR1和DR2中，重復(2)、(3)、(4)、(5)的步驟，觀察CY，ZI顯示燈以及運算結果。結果是：(7) 當剛才運算的進位已經鎖存到74LS74時，輸入另

15、一組數據11111111，00000001到DR1和DR2中，觀察進位燈及結果。結果是：(8) 輸入另一組數據00001110，00000001到DR1和DR2中，觀察進位燈及結果。結果是：六思考題1 本次運算的進位是如何進行鎖存的？2 AR，Cn是如何控制帶進位加法的？控制信號Cn設為0與鎖存信號為0的含義是否相同？3 進行加法運算時為什么要關閉DR1,DR2?4 敘述帶進位的加法的實現(xiàn)原理。實驗三 移位運算實驗一 實驗目的驗證移位控制的組合功能。二實驗設備TDN-CM+計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)一臺，排線若干。三實驗內容1實驗原理圖移位運算實驗原理圖移位運算實驗原理如圖所示，使用了一片74

16、LS299作為移位發(fā)生器，其八輸入輸出端以排針方式和總線單元連接。299-B信號控制其使能端，T4時序為其時鐘脈沖，實驗時將“W/R UNIT”中的T4接至“STATE UNIT”中的KK2單脈沖發(fā)生器，由S0 S1 M控制信號控制其功能狀態(tài)，其列表如下：299-B S1S0M功能000任意保持0100循環(huán)右移0101帶進位循環(huán)右移0010循環(huán)左移0011帶進位循環(huán)左移任意1任意裝數實驗步驟（） 連接實驗線路，仔細查線無誤后接通電源。（） 移位操作： 置數，具體步驟如下：三態(tài)門三態(tài)門 置數 （01101011）數據開關（01101011） SW-B=0 S0=1 SW-B=1 S1=1 T4=

17、 移位，參照上表改變S0 S1 M 299-B的狀態(tài)，按動微動開關KK2，觀察移位結果。實驗四 靜態(tài)隨機存儲器實驗一實驗目的 掌握靜態(tài)隨機存儲器RAM的工作特性及數據的讀寫方法。二實驗設備 TDNCM+計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)一臺，排線若干。三實驗原理 實驗所用的半導體靜態(tài)存儲器電路原理如圖3-1所示，實驗中的靜態(tài)存儲器由一片6116(2K×8)構成，其數據線接至數據總線，地址線由地址鎖存器(74LS273)給出。地址燈ADOAD7與地址線相連，顯示地址線內容。數據開關經三態(tài)門(74LS245)連至數據總線，分時給出地址和數據。因地址寄存器為8位，接入6116的地址A7-AO，而高

18、三位A8A1O接地，所以其實際容量為256字節(jié)。6116有三個控制線；CE(片選線)、0E(讀線)、WE(寫線)。當片選有效(CE=O)時，OE=O時進行讀操作，WE=0時進行寫操作。本實驗中將0E常接地，因此6116的引腳信號WE=0時進行讀操作， WE=1時進行寫操作。在此情況下，要對存儲器進行讀操作，必須設置控制端CE=O、WE=O，同時由T3脈沖到來，要對存儲器進行寫操作，必須設置控制端CE=O、WE=1，同時由T3脈沖到來，其讀寫時間與T3脈沖寬度一致。實驗時將T3脈沖接至實驗板上時序電路模塊的TS3相應插孔中，其脈沖寬度可調，其它電平控制信號由“SWITCH UNIT”單元的二進制

19、開關模擬，其中SW-B為低電平有效，LDAR為高電平有效。圖3-1 存儲器實驗原理圖四實驗內容1. 向存儲器中指定的地址單元輸入數據,地址先輸入AR寄存器，在地址燈上顯示;再將數據送入總線后，存到指定的存儲單元，數據再數據顯示燈和數碼顯示管顯示。2. 從存儲器中指定的地址單元讀出數據, 地址先輸入AR寄存器,在地址燈顯示; 讀出的數據送入總線, 通過數據顯示燈和數碼顯示管顯示。五實驗步驟(1)將時序電路模塊中的和H23排針相連。 將時序電路模塊中的二進制開關“STOP”設置為“RUN”狀態(tài)、將“STEP”設置為"STEP"狀態(tài)。(2)按圖32連接實驗線路，仔細查線無誤后接通

20、電源。圖3-2 存儲器實驗接線圖(注意:關于stop和step的說明: 將“STOP”開關置為“Run"狀態(tài)、“STEP”開關置為“EXEC”狀態(tài)時，按動微動開關START，則T3輸出為連續(xù)的方波信號，此時調節(jié)電位器W1，用示波器觀察，使T3輸出實驗要求的脈沖信號。當“STOP”開關置為“RUN”狀態(tài)、“STEP”開關置為"STEP"狀態(tài)時，每按動一次微動開關START，則T3輸出一個單脈沖，其脈沖寬度與連續(xù)方式相同。)(3) 向存儲器指定的地址送入數據，如:向00單元中輸入11, 步驟如下: 向地址寄存器AR中輸入地址00的流程如下： 操作步驟是，設置：SW-B

21、 = 1從輸入開關輸入：00000000打開輸入三態(tài)門：SW-B = 0將地址打入地址鎖存器中：LDAR = 1按START 發(fā)T3脈沖觀察地址燈的變化: 輸入要存放的數據11的流程如下：操作步驟是，設置：SW-B = 1從輸入開關輸入：00010001打開輸入三態(tài)門：SW-B = 0關閉地址寄存器：LDAR =0將數據寫入存儲單元：CE = 0WE = 1按START 發(fā)T3脈沖輸入數據在數碼管上顯示：LED-B = 0發(fā)W/R脈沖觀察數據顯示燈和數碼顯示管的變化: 按照的步驟繼續(xù)向下面的幾個地址中輸入下述數據:地址數據0112021303140415(4) 從存儲器指定的地址中讀出數據.

22、如從00中讀出的流程如下：操作步驟是，設置:SW-B = 1禁止存儲器讀寫：CE = 1從輸入開關輸入：00000000打開輸入三態(tài)門：SW-B = 0將地址打入地址鎖存器中：LDAR = 1按START 發(fā)T3脈沖關閉輸入三態(tài)門：SW-B = 1關閉地址寄存器：LDAR = 0從存儲器中讀出數據：CE = 0WE = 0數據在數碼顯示管顯示：LED-B = 0發(fā)W/R脈沖同樣從其它4個地址: 01 ,02 ,03 , 04中讀出數據，觀察地址顯示燈, 數據顯示燈和數碼顯示管的變化，并檢查是否和輸入的數據一致。六思考題1OE, A10 A8為什么要接地, 不接地有何影響?2本實驗中存儲器能夠存

23、儲的最大容量是多少？PC、AR寄存器的位數是多少？存儲器的每個單元能存放的最大整數和最小整數是多少？3存儲器本身是怎樣存取數據的？本實驗中是如何控制內存的讀和寫？實驗五 總線傳送控制實驗一實驗目的1理解總線的概念及其特性: 三態(tài)控制,單向雙向傳送等。2掌握總線傳輸控制特性。二實驗設備 TDNCM+計算機組成原理教學實驗系統(tǒng)一臺，排線若干。三實驗原理總線是多個系統(tǒng)部件之間進行數據傳送的公共通路，是構成計算機系統(tǒng)的骨架。借助總線連接，計算機在系統(tǒng)各部件之間實現(xiàn)傳送地址、數據和控制信息的操作。因此，總線就是指能為多個功能部件服務的一組公用信息線。本實驗所用總線傳輸實驗框圖如圖41所示，需要用排線連接，使幾種不同的設備掛至總線上，有存儲器、輸入設備、輸出設備、寄存器。這些設備都需要有三態(tài)輸出控制，按照傳輸要求恰當有序的控制它們，就可實線總線信息的傳輸。圖4-1 總線傳送實驗框圖四實驗內容1輸入設備將一個數打入R0寄存器。2輸入設備將另一個數(存儲器地址)打入地址寄存器AR。3將R0寄存器中的數寫入到地址寄存器指定的存儲器地址單元中。4將存儲器指定地址單元中的數讀出用LED數