計算機組成與結構

實驗2022/10/26計算機科學與技術學院2／62目錄實驗準備實驗一：運算器實驗實驗二：存儲器實驗實驗三：微控器實驗實驗四：基本模型機設計與實現實驗五：復雜模型機設計與實現2022/10/26計算機科學與技術學院3／62實驗準備實驗箱介紹導線實驗接線2022/10/26計算機科學與技術學院4／62實驗箱介紹（1）ALU單元輸入單元主存單元輸出單元開關單元微控單元總線單元實驗設備采用TDN-CM++教學實驗箱實驗準備2022/10/26計算機科學與技術學院5／62實驗箱介紹（2）燈亮表示0，燈滅表示1開關的值（0或1）標在開關組的左邊有白線連起來的表示導通實驗準備2022/10/26計算機科學與技術學院6／62導線實驗使用排線，一根排線相當于2～8根導線8線2線實驗準備2022/10/26計算機科學與技術學院7／62實驗接線注意：1.接線時必須斷電

2.接線時注意高位對高位，低位對低位實驗準備2022/10/26計算機科學與技術學院8／62實驗一運算器實驗實驗目的實驗原理實驗步驟2022/10/26計算機科學與技術學院9／62實驗目的驗證運算功能發生器（74LS181）的組合功能實驗一運算器實驗2022/10/26計算機科學與技術學院10／62實驗原理（1）實驗一運算器實驗2022/10/26計算機科學與技術學院11／62實驗原理（2）74LS181實驗一運算器實驗2022/10/26計算機科學與技術學院12／62實驗原理（3）操作選擇運算功能S3S2S1S0M=H邏輯功能M=L算術功能Cn’=H(無進位)Cn=L(有進位)0000F=A’F=AF=A加10001F=(A+B)’F=A+BF=(A+B)加10010F=A’BF=A+B’F=(A+B’)加10011F=0F=減1(2的補碼)F=00100F=(AB)’F=A加AB’F=A加AB’加10101F=B’F=(A+B)加AB’F=(A+B)加AB’加10110F=A⊕BF=A減B減1F=A減B0111F=AB’F=AB’減1F=AB’1000F=A’+BF=A加ABF=A加AB加11001F=A⊙BF=A加BF=A加B加11010F=BF=(A+B’)加ABF=(A+B’)加AB’加11011F=ABF=AB減1F=AB1100F=1F=A加AF=A加A加11101F=A+B’F=(A+B)加AF=(A+B)加A加11110F=A+BF=(A+B’)加AF=(A+B’)加A加11111F=AF=A減1F=A實驗一運算器實驗2022/10/26計算機科學與技術學院13／62實驗步驟（1）1.按實驗接線圖連接實驗線路，查線無誤，接通電源。實驗一運算器實驗2022/10/26計算機科學與技術學院14／62實驗步驟（2）2.數A送入DR1，數B送入DR2ALU-B=1SW-B=0數ALDDR1=1LDDR2=0T4=ALU-B=1SW-B=0數BLDDR1=0LDDR2=1T4=實驗一運算器實驗2022/10/26計算機科學與技術學院15／62實驗步驟（3）3.檢驗DR1，DR2中存的數據是否正確ALU-B=0SW-B=1S3S2S1S0M11111總線指示燈顯示數AALU-B=0SW-B=1S3S2S1S0M10101總線指示燈顯示數B實驗一運算器實驗2022/10/26計算機科學與技術學院16／62實驗步驟（4）4.驗證74LS181的功能，記錄實驗結果

改變運算器的功能設置，記錄總線指示燈顯示的數據，并和理論分析進行比較、驗證。實驗一運算器實驗2022/10/26計算機科學與技術學院17／62實驗二：存儲器實驗實驗目的實驗原理實驗步驟2022/10/26計算機科學與技術學院18／62實驗目的掌握靜態隨機存儲器RAM工作特性及數據的讀寫方法。實驗二存儲器實驗2022/10/26計算機科學與技術學院19／62實驗原理實驗二存儲器實驗2022/10/26計算機科學與技術學院20／62實驗步驟（1）1.按實驗接線圖連接實驗線路，查線無誤，接通電源。實驗二存儲器實驗2022/10/26計算機科學與技術學院21／62實驗步驟（2）2.給存儲器的00地址單元寫入數ASW-B=0CE=1地址00LDAR=1T3=SW-B=0LDAR=0CE=0WE=1T3=數A實驗二存儲器實驗2022/10/26計算機科學與技術學院22／62實驗步驟（3）3.讀出存儲器00地址單元的數據SW-B=0CE=1地址00LDAR=1T3=SW-B=1CE=0WE=0LDAR=0總線指示燈顯示數A實驗二存儲器實驗2022/10/26計算機科學與技術學院23／62實驗步驟（4）4.參照步驟2，分別將數據11、12、13寫入存儲器的01、02、03地址單元；5.參照步驟3，分別讀出存儲器01、02、03地址單元的內容，觀察各單元的內容是否與前面寫入的一致。實驗二存儲器實驗2022/10/26計算機科學與技術學院24／62實驗三：微控器實驗實驗目的實驗原理實驗步驟2022/10/26計算機科學與技術學院25／62實驗目的

掌握微程序控制器的組成原理。掌握微程序的編制、寫入，觀察微程序的運行。實驗三微控器實驗2022/10/26計算機科學與技術學院26／62實驗原理實驗三微控器實驗2022/10/26計算機科學與技術學院27／62微指令格式微指令字長共24位,uA5~uA0為6位的后繼地址。A,B,C為三個譯碼字段242322212019181716151413121110987654321S3S2S1S0MCnWEA9A8ABCuA5uA4uA3uA2uA1uA0實驗三微控器實驗2022/10/26計算機科學與技術學院28／62微指令解釋（1）S3,S2,S1,S0,M,Cn是74LS181的控制信號:000000且ALU-B為A加1000001且ALU-B為F=A000011且ALU-B為F=A’001111且ALU-B為F=0100101且ALU-B為A加B101110且ALU-B為F=ABWE是存儲器的讀/寫控制信號:WE=0為讀信號WE=1為寫信號實驗三微控器實驗2022/10/26計算機科學與技術學院29／62微指令解釋（2）擴展單元(EXUNIT):A9A8=00時,Y0=0,A9A8=01時,Y1=0A9A8=10時,Y2=0,A9A8=11時,Y3=0A9A8=(0)00:由Y0和SW-B相連，即SW-B=0A9A8=(1)01:由Y1和CE相連，即CE(CS)=0A9A8=(2)10:由Y2和LED-B相連，即LED-B=0A9A8=(3)11:不用實驗三微控器實驗2022/10/26計算機科學與技術學院30／62微指令解釋（3）A字段151413選擇000001LDRi010LDDR1011LDDR2100LDIR101LOAD110LDARB字段121110選擇000001RS-B010RD-B011RI-B100299-B101ALU-B110PC-BC字段987選擇000001P(1)010P(2)011P(3)100P(4)101AR110LDPC實驗三微控器實驗2022/10/26計算機科學與技術學院31／62A字段A字段151413選擇000001LDRi010LDDR1011LDDR2100LDIR101LOAD110LDARLDR0=LDRi·(I1·I0=00),R0接收BUS數據

LDR1=LDRi·(I1·I0=01),R1接收BUS數據

LDR2=LDRi·(I1·I0=10),R2接收BUS數據

LDDR1是運算單元的第一操作數存儲單元DR1接收BUS數據

LDDR2是運算單元的第二操作數存儲單元DR2接收BUS數據

LDIR是指令寄存器接收BUS數據

LOAD+LDPC是PC接收BUS的數據

LDPCPC增1LDAR是BUS送地址到地址寄存器AR2022/10/26計算機科學與技術學院32／62寄存器選通LDR0=LDRi·(I1I0=00)LDR1=LDRi·(I1I0=01)LDR2=LDRi·(I1I0=10)R0-B=RS-B·(I3I2=00)或RD-B·(I1I0=00)R1-B=RS-B·(I3I2=01)或RD-B·(I1I0=01)R2-B=RS-B·(I3I2=10)或RD-B·(I1I0=10)或RI-B(變址只能是R2)2022/10/26計算機科學與技術學院33／62B字段R0-B=RS-B(I3I2=00)+RD-B(I1I0=00),R0送數據到BUSR1-B=RS-B(I3I2=01)+RD-B(I1I0=01),R1送數據到BUSR2-B=RS-B(I3I2=10)+RD-B(I1I0=10)+RI-B,R2送數據到BUS+是或操作RI-B:RI(變址,規定為R2)送數據到BUS299-B:74LS299送數據到BUSALU-B:74LS181送數據到BUSPC-B:74LS161送數據到BUSB字段121110選擇000001RS-B010RD-B011RI-B100299-B101ALU-B110PC-B2022/10/26計算機科學與技術學院34／62C字段C字段987選擇000001P(1)010P(2)011P(3)100P(4)101AR110LDPCP(1):將I7I6I5I4(操作碼)加入微地址P(2):將尋址模式M加入微地址P(3):將條件轉移成功加入微地址P(4):將SWB,SWA的狀態加入微地址AR:是否將運算結果置CY(進位)和ZI(零)LDPC:PC+1LDPC+LOAD：BUS的數據送PC2022/10/26計算機科學與技術學院35／62微地址轉移SE6=1SE5=SE4SE3SE2SE1=(I7I6I5I4)·P1(操作碼)SE2SE1=(I3I2)·P2(尋址方式M)SE2SE1=(SWBSWA)·P4實驗三微控器實驗2022/10/26計算機科學與技術學院36／62實驗步驟（1）1.按實驗接線圖連接實驗線路，查線無誤，接通電源。實驗三微控器實驗2022/10/26計算機科學與技術學院37／62實驗步驟（2）2.寫微程序STEP=STEPSTOP=RUNMJ20PROMUA5~UA0微地址按START微代碼寫入2816MK24～MK1微代碼實驗三微控器實驗2022/10/26計算機科學與技術學院38／62實驗步驟（3）3.校驗STEP=STEPSTOP=RUNMJ20READUA5~UA0微地址按STARTMD24～MD1微代碼實驗三微控器實驗2022/10/26計算機科學與技術學院39／62實驗步驟（4）4.運行STEP=STEP/EXECSTOP=RUNMJ20RUN按STARTUA5~UA0＝微地址MD24～MD1＝微代碼CLR101實驗三微控器實驗2022/10/26計算機科學與技術學院40／62實驗四：基本模型機設計與實現實驗目的指令系統數據通路框圖微程序流程圖程序微程序實驗步驟2022/10/26計算機科學與技術學院41／62實驗目的在掌握部件單元電路實驗的基礎上，進一步將其構造成一臺基本模型計算機。為該模型機定義五條機器指令，并編寫相應的微程序，調試掌握整機概念。實驗四基本模型機2022/10/26計算機科學與技術學院42／62指令系統助記符機器指令碼說明IN00000000數AR0ADDaddr00010000xxxxxxxxR0+[addr]R0STAaddr00100000xxxxxxxxR0[addr]OUTaddr00110000xxxxxxxx[addr]LEDJMPaddr01000000xxxxxxxxaddrPC注：xxxxxxxx為addr對應的二進制地址碼實驗四基本模型機2022/10/26計算機科學與技術學院43／62數據通路框圖實驗四基本模型機2022/10/26計算機科學與技術學院44／62微程序流程圖實驗四基本模型機2022/10/26計算機科學與技術學院45／62程序$P0000$P0110$P020A$P0320$P040B$P0530$P060B$P0740$P0800$P0A01十六進制地址機器指令代碼實驗四基本模型機2022/10/26計算機科學與技術學院46／62微程序$M00018110$M0D02820l$M0101ED92$M0E00E00F$M0200C048$M0F00A015$M0300E004$M1001ED92$M0400B005$M1101ED94$M0501A206$M1200A017$M06959A01$M13018001$M0700E00D$M14002018$M08001001$M15070A01$M0901ED83$M1600D181$M0A01ED87$M17070A10$M0B0lED8E$M18068A11$M0C01ED96十六進制地址微指令代碼實驗四基本模型機2022/10/26計算機科學與技術學院47／62實驗步驟（1）1.按實驗接線圖連接實驗線路，查線無誤，接通電源。實驗四基本模型機2022/10/26計算機科學與技術學院48／62實驗步驟（2）2.聯機讀寫程序和微程序。編輯程序和微程序文件EX1.TXT，用聯機軟件的裝入文件功能（F4）將該文件裝入實驗系統。實驗四基本模型機2022/10/26計算機科學與技術學院49／62實驗步驟（3）3.運行程序。用聯機軟件的調試功能（F6）進入調試界面，CLR清零（101），單步執行微程序（F2）。實驗四基本模型機2022/10/26計算機科學與技術學院50／62調試界面000010000000001100000001001000下一條微指令地址下一條微指令代碼實驗四基本模型機010000數據流PCARPC+12022/10/26計算機科學與技術學院51／62實驗步驟（4）4.參照機器指令及微程序流程圖，將屏幕顯示的數據流圖與理論分析比較，驗證系統執行指令的正確性。實驗四基本模型機2022/10/26計算機科學與技術學院52／62實驗五：復雜模型機設計與實現實驗目的指令系統數據通路框圖微程序流程圖程序微程序實驗步驟2022/10/26計算機科學與技術學院53／62實驗目的綜合運用所學計算機原理知識，設計并實現較為完整的計算機。實驗五復雜模型機2022/10/26計算機科學與技術學院54／62指令系統數據格式：定點補碼表示數據，且字長為8位指令格式：（1）算術邏輯指令

rs：源寄存器rd：目的寄存器76543210符號尾數76543210操作碼rsrdrs或rd選定的寄存器00R001R110R2實驗五復雜模型機2022/10/26計算機科學與技術學院55／62（2）訪存指令及轉移指令訪存指令兩條，存數(STA),取數(LDA);轉移指令兩條，無條件轉移(JMP),結果為零或有進位轉移(BZC)D為位移量(可正可負)M為尋址模式7654321000M操作碼rdD尋址模式M有效地址E說明00E=D直接尋址01E=(D)間接尋址10E=(R2)+DR2變址尋址11E=(PC)+D相對尋址實驗五復雜模型機2022/10/26計算機科學與技術學院56／62

（3）I/O指令輸入(IN),輸出(OUT)

addr=01時,開關組作為輸入設備

addr=10時,數碼塊作為輸出設備（4）停機指令76543210操作碼addrrd76543210操作碼0000實驗五復雜模型機2022/10/26計算機科學與技術學院57／62LDAM,D,rd00M00rdDE→rdSTAM,D,rd00M01rdDrd→EJMPM,D00M1000DE→PCBZCM,D00M1100Dcy=1或Z=1時，E→PCINaddr,rd010001rdaddr→rdOUTaddr,rd010110rdrd→addrHALT01100000停機CLRrd011100rd0→rdMOVrs,rd1000rsrdrs→rdADCrs,rd1001rsrdrs+rd+cy→rdSBCrs,rd1010rsrdrs－rd－cy→rdINCrd1011rsrdrd+1→rdANDrs,rd1100rsrdrs∧rd→rdCOMrd1101rsrdrd→rdRRCrs,rd1110rsrdrs連同cy循環右移再送rdRLCrs,rd1111rsrdrs連同cy循環左移再送rd實驗五復雜模型機2022/10/26計算機科學與技術學院58／62數據通路框圖實驗五復雜模型機2022/10/26計算機科學與技術學院59／62微程序流程圖實驗五復雜模型機2022/10/26計算機科學與技術學院60／62程序$P0044$P0146$P0298$P0381$P04F5$P050C$P0600十六進制地址機器指令代碼實驗五復雜模型機2022/10/26計算機科學與技術學院61／62微程序（1）$M00018108$M010lED82$M0200C050$M0300A004$M0400EOA0$M0500E006$M0600A007$M0700EOA0$M0801ED