..計算機組成原理實驗報告姓名：專業：計算機科學與技術學號：計算機組成原理實驗〔一實驗題目：時標系統的設置和組合成績：一、實驗目的1、了解時標系統的作用2、會設計、組裝簡單的時標發生器二、實驗內容參照時標系統的設計方法,用組合邏輯方法設計一個簡單的節拍脈沖發生器,產生圖1-6所示的節拍脈沖,并用單脈沖驗證設計的正確性。在實驗報告中畫出完整電路,寫出、和的表達式。圖1-6簡單的節拍脈沖發生器一周期的波形設計提示：1、由波形圖求出節拍脈沖和的表達式,進而組合成的表達式。2、注意節拍電平和的翻轉時刻應在下降沿與的上升沿同時出現的時刻。3、注意觸發器的觸發翻轉要求。三、實驗儀器及器材1、計算機組成原理實驗臺和+5V直流穩壓電源2、集成電路由附錄A"集成電路清單"內選用四、實驗電路原理〔實驗電路原理圖時標系統主要由時鐘脈沖發生器、啟停電路和節拍脈沖發生器三部分組成成,結構如圖1-1所示。圖1-1時標系統組成1、時鐘脈沖發生器主要由振蕩電路、分頻電路組成,其作用是產生一定頻率的時鐘脈沖,作為計算機中基準時鐘信號。如圖1-2所示。圖1-2時鐘脈沖發生器組成2、啟停電路計算機是靠非常嚴格的節拍脈沖,按時間的先后次序一步一步地控制各部件工作的,所以,機器啟停的標志是有無節拍脈沖,而控制節拍脈沖按一定的時序發生和停止,不能簡單地用電源開關來實現。如圖1-3所示。圖1-3簡單的啟停電路為了使機器可靠地工作,要求啟停電路在機器啟動或停機時,保證每次從規定的第一個脈沖開始啟動,到最后一個脈沖結束才停機,并且必須保證第一個和最后一個脈沖的波形完整。如圖1-4所示。圖1-4利用維持阻塞原理的啟停電路3、節拍脈沖發生器節拍脈沖發生器的作用是產生一序列的節拍電平和工作脈沖。節拍電平是保證計算機微操作的時序性,工作脈沖是各寄存器數據的打入脈沖。本課程整機實驗中一個周期的節拍脈沖波形如圖1-5所示。其中的工作脈沖～,由節拍電平～與時鐘脈沖按組合邏輯的方法組合得到,表達見圖1-5中右側列表所示。圖1-5一個周期的工作脈沖波形五、實驗步驟按照實驗內容設計并連接電路,輸入脈沖信號,觀察燈的亮滅情況,并用單脈沖進行檢驗。六、實驗內容記錄〔數據、圖表、波形、程序設計等實驗電路如圖：輸入脈沖后,三個指示燈按規則亮滅。W1=T1×M0×W2=T0×M0×N1=W1+W2真值表為：ML1〔W1L2〔W2L3〔N10000100000001000000010000101100000001011000010000101100000001000七、實驗結果分析、實驗小結實驗成功的產生了要求的信號。第一次做計組實驗,對器械不熟悉,做起來耗時較長,以后要多加練習。計算機組成原理實驗〔二實驗題目：總線傳輸技術成績：一、實驗目的1、了解總線的工作原理2、掌握總線的傳送技術3、熟悉建立總線的器件特性二、實驗內容1、根據圖2-2所示的實驗方案,如果要通過"輸出顯示"觀察到"RAM地址寄存器〔AR"中的數據,請選用適當元器件設計實現。畫出實驗電路邏輯圖,并組裝成電路。2、在設計的電路上實現下列手動單功能操作,并寫出操作步驟：〔1開關數據→輸出顯示；〔2開關數據→RAM地址寄存器〔AR；〔3RAM地址寄存器〔AR→輸出顯示；設計提示：用不同的開關控制各個寄存器,并用不同的脈沖對寄存器實現數據打入。三、實驗儀器及器材1、計算機組成原理實驗臺和＋5V直流穩壓電源2、74LS244、74LS273四、實驗電路原理〔實驗電路原理圖計算機全部工作過程,可以看成是信息的傳送和加工過程；信息傳送在機器內部是極為頻繁的,為減少機器中的信息傳輸線、節省器件,提高傳送能力及可靠性,采用總線方法是必不可少的,建立總線的基本原則是①互斥性：掛總線的各總線驅動器〔發送端必須具有分時操作的可能性,不允許在同一總線上同時有兩個發送源發送信息。②一致性：同一總線中所用掛總線的器件類型要一致；通常用做總線的器件有兩種：OC門和三態門,前者負載能力較小,只能用于小規模的傳送應用中；而三態門是目前應用較多的總線傳送器件。在這類型件中,最常見的有74LS244、74LS245,另外如74LS373、INTEL8212等器件也都可直接與總線相連。下面介紹一種總線實驗方案,如圖2-1所示：圖2-1總線傳送技術實驗框圖〔例上圖所示為一個小型總線傳送系統,共有五個部件在同一總線上,其中、為總線的發送部件,、接收部件,部件可雙向傳送,既可作發送端,也可作接受端。因此在同一總線上共掛上三個傳送源,但在同一時間只允許傳送一個發送端發送的信息,例如時可以→、、,時可傳送從→、、。但絕不能在同一時刻,例如時,同時作→、→的信息傳送,也就是說建立總線必須遵循互斥性原則。在此本實驗中、、、、均采用三態傳輸器件。因此上圖的總線設想可轉化為圖2-2所示的實現方案。從圖中可看出,地址信息及數據信息都是通過同一組數據開關經三態傳輸門掛上總線,再發送相應的部件的。要區分送入總線的信息是地址還是數據,可以通過對操作時序的控制來實現,本實驗由于地址值及內容數據都是通過數據開關人工加載的,因此區分總線上的地址和數據信息也就是人為地操作總線上的某些芯片,打入或讀出信息。圖2-2總線傳送技術實驗方案〔例1、八三態驅動門74LS244內部功能結構見圖2-3所示,每芯片裝兩組。圖2-374LS244內部功能結構2、八觸發器74LS273內部功能結構如圖2-4所示。圖2-474LS273內部功能結構五、實驗步驟按照實驗內容設計并連接電路,1、置零,從D3D2D1D0端輸入要儲存的數據,A1從0置1.,A2置零。觀察輸出結果。2、A2置一,、A1、置零,輸入端輸入數據。3、置一,、A2置零,A1從0置1,輸出端輸出數據。六、實驗內容記錄〔數據、圖表、波形、程序設計等實驗電路如圖：七、實驗結果分析、實驗小結按步驟操作后,輸出與輸入相吻合。計算機組成原理實驗〔三實驗題目：RAM存貯器成績：一、實驗目的1、了解半導體靜態存貯器2、掌握RAM存貯器的讀寫操作二、實驗內容完成下列設計任務,畫出電路邏輯設計圖,并寫出對存貯器單個地址的讀、寫操作過程：設計一個容量為256×4bit的存貯器并完成單個存貯單元的讀寫操作,選5個不連續的存貯單元地址操作。設計提示：用一片74LS273作為存貯器的地址寄存器,可再用一片同樣的芯片作為存貯器數據輸出緩沖器,只用其中的4位即可。三、實驗儀器及器材1、計算機組成原理實驗臺和＋5V直流穩壓電源2、74LS244、M2114、74LS273四、實驗電路原理〔實驗電路原理圖1、M2114內部功能結構M2114由以下幾個部分組成,如圖3-1所示：圖3-1M2114SRAM器件的內部邏輯及引腳圖〔1存貯體——它是一個32行×32列×4bit的存貯器陣列,用以寄存信息代碼?！?譯碼器——采用X-Y矩陣譯碼,因此它分為行譯碼和列譯碼兩部份,分別對行、列地址進行譯碼?！?讀寫電路——把代碼信號從存貯體中讀出并放大,使與TTL相兼容,而寫電路把代碼寫入存貯體。〔4控制器——接收讀、寫命令,并發出控制,以接收或發送其數據信息,〔5三態輸入輸出緩沖器——由控制線控制,以接收或發送其數據信息。2、M2114的讀操作：〔1把所送單元的地址送到地址輸入端～。〔2把讀寫控制電平置"1",即?！?置片選控端?！?經一定的延遲后,從～上獲得所要的數據。3、M2114的寫操作：〔1把要寫入單元的地址送到地址線～?！?置?！?把要存入的數據置在數據線～上。〔4置片選,則經一定延時后,數據就被寫入指定的存貯單元中。4、M2114器件應用舉例〔1RAM的字長擴展一片M2114器件的單元數為1k〔1024,每個單元的字長為4位,若需要字長為8位或16位的SRAM存貯器,就要用2片或4片器件組合而成。這種擴展方法只需把兩片或四片器件對應的地址線～,、等信號并聯即可,它們的數據線加在一起就可組成一個8位或16位的SRAM存貯器。同理,可以很方便地把字長擴展到4×位,其中為M2114器件數。圖3-2所示為1k×8位的SRAM邏輯圖?！?RAM的容量擴展一片M2114的地址線有10根～,故其最大容量為即1k,現若希望SRAM的容量為4k,其構成的方法如下：A、4k共需12根地址線,即～,因為,共需要4片M2114。B、由于M2114僅有～位地址,每片1k,因此只需把12位地址中的高二位～經一片2-4線譯碼器〔如74LS139譯成四個狀態,分別去控制每一片的端,即可達到擴充4k的目的。采用此方法,只需要適當配置譯碼電路,就可以把SRAM存貯器的容量以1k為模任意加以擴充。圖3-21k×8位的M2114五、實驗步驟按照實驗內容設計并連接電路,對單個存貯器地址的寫操作如下：1、=1,CS=12、=03、輸入端D3D2D1D0輸入地址〔0H~15H,打入MAR4、輸入端D3D2D1D0輸入數據5、W/R=06、CS=1→0→17、返回3,寫下一個數據讀操作如下：1、=1,CS=12、=03、輸入端D3D2D1D0輸入地址〔0H~15H,打入MAR4、=15、W/R=16、CS=1→07、輸出數據8、CS=0→19、返回2,讀下一數據六、實驗內容記錄〔數據、圖表、波形、程序設計等實驗電路如圖：真值表為：Adress1Adress2Adress3Adress4Data1Data2Data3Data400011110001011010100101110000111七、實驗結果分析、實驗小結按步驟操作后,輸出與地址相吻合。計算機組成原理實驗〔四實驗題目：總線半導體靜態存貯器成績：一、實驗目的1、熟悉掛總線的邏輯器件的特性和總線傳送的邏輯實現方法2、掌握半導體靜態存貯器的存取方法二、實驗內容1、根據實驗方案框圖,調用PC模塊,選用適當元器件,畫出實驗電路邏輯圖,并組裝成電路。2、在電路上實現下列手動單功能操作,〔控制信息可用電平開關輸出電平?！ⅰ鶵AMRAM→Bus→設計提示：1、利用實驗箱中提供的總線接口搭接總線結構,各器件再分別掛到總線上。2、用一片74LS273作為存貯器的地址寄存器。3、PC模塊可看作一個透明的元件,用來產生連續的存貯器地址,其數據置入端和計數輸出端已經在內部掛接到總線上。三、實驗儀器及器材1、計算機組成原理實驗臺和+5V直流穩壓電源2、器件由附錄A"集成電路清單"內選用四、實驗電路原理〔實驗電路原理圖在單總線結構的計算機中,其地址和數據都是通過同一組數據開關及三態傳輸門掛上總線,發送到相應計算器、地址寄存器或存貯器單元。怎樣區分送入總線的信息是地址還是數據,這可通過控制操作的時序來實現。計數器可選用74LS161和74LS244構成可預置計數器,并具有雙向傳送邏輯功能,即可以從總線上接受信息,也可以發送信息到總線上,而緩沖器及地址寄存器僅是接收總線信息的一個部件。本實驗的邏輯電路方案如圖4-1所示：圖4-1總線半導體存貯器實驗框圖芯片邏輯圖介紹同步四位計數器74LS161及字長擴展圖4-274LS161字長擴展圖4-2中：、、、——輸入〔為高位,為低位；、、、——輸出〔為高位,為低位；——使能〔置數或計數為高——操作模式〔置數低,計數為高；——置數或計數脈沖；——動態進位輸出=；——清除。五、實驗步驟按照實驗內容設計并連接電路,1、K→B、A=1,=1,CS=1,LD=1=0,LD=0輸入端D3D2D1D0輸入地址〔0H~15H,打入MARLoadMAR,LoadPC=1,LD=12、K→RAM=1,=1,CS=1,LD=1=0輸入端D3D2D1D0輸入數據〔0H~15H,打入MARW/R=0,CS=1→0→1=13、RAM→Bus=1,=1,CS=1,LD=1K→PC,MARW/R=0,CS=1→0LoadCCS=0→14、B+1→A=1,=1,CS=1,LD=1LoadPC=0LoadMAR=1六、實驗內容記錄〔數據、圖表、波形、程序設計等實驗電路如圖：真值表為：Adress1Adress2Adress3Adress4Data1Data2Data3Data400011110001011010011101101000111七、實驗結果分析、實驗小結按步驟操作后,輸出與地址相吻合。計算機組成原理實驗〔五實驗題目：運算器成績：學生姓名：xxx學號：20081060058指導教師：xxxxxx學院名稱：xxxxxxxxx專業：計算機科學與技術年級：08級實驗時間：xxxxxxx實驗室：xxxxxx一、實驗目的1、熟悉運算器部件的基本組成2、了解74LS181ALU器件的功能及使用方法二、實驗內容1、74LS181ALU功能檢測：[根據表5-2：74LS181的32種算術、邏輯功能。]〔1先設計功能檢測的詳細控制邏輯電路圖,、兩操作數均為4位,分別個數據開關直接送入?！?～、、這6個控制碼,除了、可直接用開關控制外,～可用4位二進制計數器的16個狀態來實現。〔3制定一張設計好、兩操作數的內容及運算后應得結果,以便實驗時加以對照。功能選擇～補碼輸入補碼輸出選擇功能算術操作〔無進位〔有進位0000加0001加0010加0011減［2的補碼］0100加加加0101加加加0110減減減0111減1000加加加1001加加加1010加加加1011減1100加加加1101加加加1110加加加1111減設計提示：1、ALU是組合邏輯電路,它的2個操作數分別用4個數據開關直接產生,運算結果也直接送輸出顯示。2、ALU操作指令中的～用74LS161順序產生,和用開關產生。三、實驗儀器及器材1、計算機組成原理實驗臺和＋5V直流穩壓電源2、74LS181、74LS161四、實驗電路原理〔實驗電路原理圖運算器是CPU的一個主要部件,它通常由算術單元〔ALU和一些寄存器組成,ALU單元對操作數進行各種運算〔加、減、乘、除和邏輯運算。在ALU單元中,其核心部分是一個二進制加法器,一般它由位全加器組成,為了提高運算速度,通常在級間都采用超前進位邏輯,若在此基礎上,再增加一些控制線及控制邏輯,就能大大擴展各種邏輯功能而成一個功能發生器。目前具有代表性的此類ALU器件有74LS181、74LS881等。74LS181器件可對兩個4位字進行16種二進制算術運算的16種邏輯運算,即具有32種函數功能。由四個功能選擇端、、、及一個模式控制端來選擇這32種功能操作,其中狀態的0、1,用來區分是算術運算還是邏輯運算。74LS181有兩種邏輯表示,即正邏輯與負邏輯,對這兩種邏輯表示的輸入輸出信息的有效電平有不同的要求,在正邏輯操作時是高電平有效,而在負邏輯操作時是低電平有效,其外形圖如下圖5-1所示：圖5-174LS181芯片圖器件共有24個引腳,分別說明如下：表5-1：引腳號記憶符號功能說明1操作數的0位輸入端2操作數的0位輸入端3～6～16種操作功能控制編碼輸入端7低位進位輸入8算術/邏輯運算模式控制9～11～運算結果的低三位數12地13運算結果的第4位數14用于比較、兩數〔OC輸出15小組進位傳遞信號16高位進位輸出17小組進位生成輸出18-23～；～操作數和的第3～1位數24+5V電源五、實驗步驟按照實驗內容設計并連接電路,在輸入端輸入A、B的二進制值,計數器先置零,分別對M=1；M=0、Cn=1；M=0、Cn=0三種情況,從0000開始計數指導1111,記錄輸出結果。六、實驗內容記錄〔數據、圖表、波形、程序設計等實驗電路如圖：真值表為：A=0111B=0010S3S2S1S0M=1M=0Cn=1M=0Cn=00000100001111000000110000111100000100000111100000011000011110000010011011100110101011101110011010110010101000101011101010100010110001010100110101001101010011010101000100001001010110010000100101100111111101111110111111110111111100111011001111111011101100111七、實驗結果分析、實驗小結按步驟操作后,輸出與理論結果相吻合。計算機組成原理實驗〔六實驗題目：運算器數據通路成績：一、實驗目的1、熟悉74LS181函數功能發生器的功能,提高器件在系統中應用的能力2、熟悉運算器的數據傳送通路3、完成幾種算邏運算操作,加深對運算器工作原理的理解二、實驗內容按圖6-1所示參考框圖自行設計一個能完成表6-1所列補碼運算指令的運算器〔為簡單化電路,進位和結果觸發器可以不設置。選擇適當元件,畫出詳細實驗電路邏輯圖〔包括對開關的定義,并組裝成電路。表6-1：指令助記符代碼功能加減加1減1ADDSUBINRDCR1001011000001111邏輯與取反左移ANACMASHL101101011100取反左移在電路上進行表6-1中指令的手動單指令操作〔操作數、指令碼由數據開關輸入。設計提示：1、運算器的輸入緩存器、分別用一片74LS161來實現,但只用到74LS161的置數功能,禁止其計數功能。2、用一片74LS273作為運算器操作指令寄存器,只用到6位。3、用一片74LS244控制運算器的運算結果能否送總線。三、實驗儀器及器材1、實驗臺和+5V直流穩壓電源各一臺。2、器件由附錄A"集成電路清單"內選用。四、實驗電路原理〔實驗電路原理圖1、四位函數功能發生器〔ALU74LS181的功能74LS181通過"控制參數"～和"模式控制",可對兩個輸入操作數完成32種算、邏運算,并可以工作于正邏輯輸入輸出或負邏輯輸入輸出方式〔本實驗為正邏輯方式?？刂贫藭r,屬算術運算；時,屬邏輯運算。進位采用補碼形式輸入輸出,電路亦可進行數的比較運算。其操作功能可查閱實驗五中的功能表。2、數據傳送通路實驗電路方案運算器是計算機對數據進行運算的重要部件,它的核心是ALU函數功能發生器,其次還要有存放操作數和運算中間結果的寄存器、移位門、傳送數據的總線等部件,在不同的控制信號下,運算器完成不同的運算功能。如圖6-1所示。圖6-1運算器數據通路框圖在圖6-1中,、為存放兩個現行操作數的緩沖寄存器。其中兼作存放中間結果的累加器,并給予顯示。它們僅接收來自總線的數據信息,送入ALU進行算、邏運算。ALU輸出經移位門,將運算結果送入總線。移位門掛總線是發送源,需用三態門作隔離器,可采用74LS244兼作移位門和隔離器。實驗中,為減少模擬開關占用量,可在總線上掛一個指令寄存器,存放ALU的控制信息～、、。五、實驗步驟按照實驗內容設計并連接電路,1、送指令到IR：K0、K2置一,K1置零；D7D6D5D4端輸入指令代碼,D3D2開關置相應功能對應的狀態；按下A1。2、送初始A數據：K0、K2置一,K1置零；D7D6D5D4端輸入A數；按下A2。3、送B數據：K0、K2置一,K1置零；D7D6D5D4端輸入B數；按下A3。4、輸出結果存到A中：K0、K1置一,K2置零；按下A2。七、實驗結果分析、實驗小結實驗電路圖真值表指令助記符代碼功能CnMABF加減加1減1ADDSUBINRDCR100101100000111110010000001000110010001100010001000100010011001000110010邏輯與取反左移ANACMASHL101101011100取反左移××1110001000001110000100010001000011101100八、實驗結果記錄、實驗小結實驗結果與理論結果相同計算機組成原理實驗〔七實驗題目：手動及自動運算器成績：一、實驗目的1、進一步熟悉運算器的數據傳送通路2、用手動及自動方式分別完成幾種算邏運算操作,加深對運算器工作原理的理解二、實驗內容1、直接調用IR和ALU模塊,設計能完成實驗六中表6-1所列運算的手動運算器〔為簡單化電路,進位和結果觸發器可以暫不設置。畫出詳細實驗電路邏輯圖〔包括對開關的定義,并組裝成電路。在電路上進行表6-1八種指令的手動單指令操作〔操作數、指令碼由數據開關輸入。設計提示：指令寄存器模塊IR和ALU模塊所需的控制信號已經列出并印在實驗箱操作面板上,請從中選用需要的控制信號。2、在第1中手動運算器的基礎上,利用實驗箱提供的～來定序〔實驗臺左下方固定印刷電路輸出,設計并組裝自動控制電路,分別進行加減法指令的自動單次操作。設計提示：根據手動操作的步驟,合理利用～,產生取代手動操作中的控制電平和打入脈沖的控制信號。三、實驗儀器及器材1、實驗臺和+5V直流穩壓電源各一臺2、器件由附錄A"集成電路清單"內選用四、實驗電路原理〔實驗電路原理圖參考實驗六中的運算器數據通路圖6-1,直接調用實驗箱中的ALU模塊和IR模塊,并用實驗箱提供的工作脈沖,實驗手動方式和自動方式的運算器。在計算機運算過程中,經常要根據運算結果和進位輸出來決定程序的流程,可從ALU的的端輸出判斷信息,分別是打入進位位和結果觸發器。當N位數運算結果超出N位所能表示的數的范圍時,即發生了