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!- 计算机组成原理 上机实验指导 一、实验准备和实验注意事项 1．本课程实验使用专门的TDN-CM++计算机组成原理教学实验设备，使用前后均应仔细检查主机板，防止导线、元件等物品落入装置内导致线路短路、元件损坏。 2．完成本实验的方法是先找到实验板上相应的丝印字及其对应的引出排针，将排针用电缆线连接起来，连接时要注意电缆线的方向，不能反向连接；如果实验装置中引出排针上已表明两针相连，表明两根引出线内部已经连接起来，此时可以只使用一根线连接。 3．为了弄清计算机各部件的工作原理，前面几个实验的控制信号由开关单元“SWITCH UNIT”模拟输入；只有在模型机实验中才真正由控制器对指令译码产生控制信号。在每个实验开始时需将所有的开关置为初始状态“1”。 4．本实验装置的发光二极管的指示灯亮时表示信号为“0”，灯灭时表示信号为“1”。 5．实验接线图中带有圆圈的连线为实验中要接的线。 6．电源关闭后，不能立即重新开启，关闭与重启之间至少应有30秒间隔。 7．电源线应放置在机内专用线盒中。 8．保证设备的整洁。 二、实验设备的数据通路结构 利用本实验装置构造的模型机的数据通路结构框图如下图。其中各单元内部已经连接好，单元之间可能已经连接好，其它一些单元之间的连线需要根据实验目的用排线连接。 图0-2 模型机数据通路结构框图 实验一 运算器实验：算术逻辑运算实验 一．实验目的 1．了解运算器的组成结构； 2．掌握运算器的工作原理； 3．掌握简单运算器的数据传送通路。 4．验证运算功能发生器(74LSl81)的组合功能。 二．实验设备 TDN-CM++计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。 三．实验原理 实验中所用的运算器数据通路如图1-l所示。其中两片74LSl81以串行方式构成8位字长的ALU，ALU的输出经过一个三态门(74LS245)和数据总线相连。三态门由ALU-B控制，控制运算器运算的结果能否送往总线，低电平有效。 为实现双操作数的运算，ALU的两个数据输入端分别由二个锁存器DR1、DR2(由74LS273实现)锁存数据。要将数据总线上的数据锁存到DR1、DR2中，锁存器的控制端LDDR1和LDDR2必须为高电平，同时由T4脉冲到来。 数据开关(“INPUT DEVICE”)用来给出参与运算的数据，经过三态门(74LS245)后送入数据总线，三态门由SW-B控制，低电平有效。数据显示灯(“BUS UNIT”)已和数据总线相连，用来显示数据总线上的内容。 图中已将用户需要连接的控制信号用圆圈标明(其他实验相同，不再说明)，其中除T4为脉冲信号外，其它均为电平信号。由于实验电路中的时序信号均已连至“W／R UNIT”的相应时序信号引出端，因此，在进行实验时，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。 ALU运算所需的电平控制信号S3、S2、S1、S0、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU-B、SW-B均由“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，LDDRl、LDDR2为高电平有效。 对单总线数据通路，需要分时共享总线，每一时刻只能由一组数据送往总线。 图1-1 运算器数据通路图 四．实验内容 1．输入数据通过三态门74LS245后送往数据总线，在数据显示灯和数码显示管LED上显示 2．向DR1(或DR2)中置数，经ALU直传后，经过三态门245送入数据总线，在数据显示灯和数码显示管LED上显示 3．将输入DR1和DR2中的两个数进行算术逻辑运算，验证ALU的功能，结果在数据显示灯和数码显示管LED上显示 五．实验步骤 1．输入数据通过三态门74LS245后经过数据总线在数据显示灯和数码显示管LED上直接显示 (1) 按下图连接实验线路，仔细查线无误后，接通电源。 图1-2 总线数据显示连线图 (注：可以选择PC-B开关，或者是本实验中不用的任一个开关) (2) 用二进制数码开关输入数据65H，观察总线数据显示灯和LED的变化。设置： SW-B = 1 从输入开关输入：01100101 打开三态门 SW-B = 0 数据在数码管上显示：LED-B = 0 [开关299-B置为0] 发W/R脉冲[通过改变PC-B(0→1 或1→0)]实现 结果： 2．向DR1(或DR2)中置数，经ALU直传后，经过三态门245送入数据总线，在数据显示灯和数码显示管LED上显示 (1) 重新按下图连接实验线路，仔细查线无误后，接通电源 图1-3 实验接线图 (2)向DRl和DR2寄存器中置入数据65H和A7H。输入的流程为： 使用以下操作步骤向DRl寄存器中置入数据65。设置： SW-B = 1 从输入开关输入：01100101 打开输入三态门：SW-B = 0 设置DR1有效：LDDR1 = 1 LDDR2 = 0 将数据打入DR1[按KK2发T4脉冲] 将总线上的数据在数码管上显示：LED-B = 0 发W/R脉冲 结果是： 使用以下操作步骤向DR2寄存器中置入数据A7。设置： SW-B = 1 从输入开关输入：10100111 打开输入三态门：SW-B = 0 设置DR2有效：LDDR2 = 1 LDDR1 = 0 将数据打入DR1[按KK2发T4脉冲] 将总线上的数据在数码管上显示：LED-B = 0 发W/R脉冲 结果是： (3) 检查输入DRl和DR2寄存器中的数据是否正确。操作步骤如下，设置： 关闭输入三态门：SW-B = 1 关闭暂存器的输入：LDDR1=0 LDDR2=0 打开ALU输出三态门：ALU-B = 0 设置运算器直传方式：S3S2S1S0M = 11111 将总线上的数据在数码管上显示：LED-B = 0 发W/R脉冲 结果(显示DR1中的数据)： 设置： 关闭输入三态门：SW-B = 1 打开ALU输出三态门：ALU-B = 0 设置运算器直传方式：S3S2S1S0M = 10101 将总线上的数据在数码管上显示：LED-B = 0 发W/R脉冲 结果(显示DR2中的数据)： 3．将输入DR1和DR2中的两个数进行算术逻辑运算，验证ALU的功能，结果在数据显示灯和数码显示管LED上显示 (1) 接线图同2，保持DR1,DR2中的数据不变，若不知道DR1,DR2中是否有数据，可按实验步骤2中的(3)去检查； (2) 通过“SWITCH UNIT”改变开关S3、S2、S1、S0、Cn、M的值，可将两数进行不同的运算，例如：设置S3S2S1S0CnM=10010，运算器进行加法运算，设置S3S2S1S0CnM=01100，运算器进行减法运算。具体设置的值见74LS181的功能表。然后根据运算结果填写下表： 六．思考题 1． 在运算器数据通路图中,DR1、DR2连接到74LS181时为什么要交叉？ 2． 两个4位的74LS181是如何构成8位的ALU的？ 3． “+”和“加”的区别是什么？ 4． 两个三态门74LS245的控制有何限制？数据输入DR1、DR2时控制有何限制？ 5． 运算器是如何完成多种不同的功能的？怎样控制它？ 6． 你认为计算机是怎样实现连续运行的？ 实验二 运算器实验：进位控制实验 一．实验目的 1．验证带进位控制的运算器的组成结构； 2．验证带进位控制的运算器的功能； 3．观察给定数据是否产生进位，以及如何进行带进位运算。 二．实验设备 TDN—CM++计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。 三．实验原理 进位控制运算器的实验原理如图2—1所示，在实验一的基础上增加进位控制部分，基本原理是：两数在181中进行运算后最高位的进位C(n+4)连接到一个74锁存器的输入端D，是否锁存由T4和AR(低电平有效)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。当T4脉冲到来时，进位结果就被锁存到74锁存器中了。 如果锁存器中已有进位保存，可以控制下一次在181中的运算是否带进位运算。这是通过改变Cn和AR的值来进行的。 本实验中运算结果是否产生进位、结果是否为0是根据进位指示灯CY和零标志指示灯ZI的状态来判断的。进位标志指示灯CY亮(cy=0)时表示进位标志为假[此时运算没有产生进位]；标志指示灯CY灭(cy=1)时表示进位标志为真[此时运算产生了进位]。零标志指示灯ZI灯亮时表示零标志为假[此时运算结果不为“0”]，灯灭时表示零标志为真[此时运算结果为“0”]。 图2-1 进位控制实验原理图 四．实验内容 通过输入几组不同的数据(一组产生进位，一组不产生进位)，完成指定的运算，观察进位标志和零标志灯的状态，以及进位对ALU下一步操作的影响 五．实验步骤 (1) 按图2—2连接实验线路，仔细查线无误后，接通电源。 图2-2 实验接线图 (2) 用二进制数码开关向DR1和DR2寄存器置数55H和AAHH，具体方法同实验一。 输入流程如下： (3) 按照实验一的方法检查DR1和DR2中的数。 观察结果： (DR1)=_____________ (DR2)=_____________ (4) 进位标志清零，具体操作方法是：让CLR开关做1→0→1操作。 实验板中“SWITCH UNIT”单元中的CLR开关为标志CY、ZI的清零开关，它为零时是清零状态，所以将此开关做1→0→1操作，即可使标志位清零。 (5) 验证带进位的运算及进位锁存功能。 设置Cn=l，Ar=O进行带进位算术运算。此时数据总线上显示的数据为DR1加DR2加当前进位标志的值，相加的结果是否产生进位,检查CY灯，若进位标志灯亮，表示无进位，反之，有进位；本次运算结果是否为0，检查ZI灯，若零标志灯亮，运算结果不为0，反之，结果为0。 关闭输入三态门：SW-B = 1 打开ALU输出三态门：ALU-B = O 关闭寄存器的输入：LDDR1 = 0 LDDR2 = 0 进行带进位加法运算：Cn = l Ar = O S3 S2 Sl S0 M = l 0 0 1 0 观察结果(此时只能观察到本位和)： 按动微动开关KK2，观察进位标志灯CY，零标志灯ZI的变化。（此时将显示锁存器74中的内容，同时也会将锁存内容加到ALU的低位），现象是： (6) 输入另一组数据11111111，00000001到DR1和DR2中，重复(2)、(3)、(4)、(5)的步骤，观察CY，ZI显示灯以及运算结果。 结果是： (7) 当刚才运算的进位已经锁存到74LS74时，输入另一组数据11111111，00000001到DR1和DR2中，观察进位灯及结果。 结果是： (8) 输入另一组数据00001110，00000001到DR1和DR2中，观察进位灯及结果。 结果是： 六．思考题 1． 本次运算的进位是如何进行锁存的？ 2． AR，Cn是如何控制带进位加法的？控制信号Cn设为0与锁存信号为0的含义是否相同？ 3． 进行加法运算时为什么要关闭DR1,DR2? 4． 叙述带进位的加法的实现原理。 实验三 移位运算实验 一． 实验目的 验证移位控制的组合功能。 二．实验设备 TDN-CM++计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。 三．实验内容 1．实验原理 图１－５　　移位运算实验原理图 移位运算实验原理如图１－５所示，使用了一片74LS299作为移位发生器，其八输入／输出端以排针方式和总线单元连接。299-B信号控制其使能端，T4时序为其时钟脉冲，实验时将“W/R UNIT”中的T4接至“STATE UNIT”中的KK2单脉冲发生器，由S0 S1 M控制信号控制其功能状态，其列表如下： 299-B S1 S0 M 功　　能 0 0 0 任意 保持 0 1 0 0 循环右移 0 1 0 1 带进位循环右移 0 0 1 0 循环左移 0 0 1 1 带进位循环左移 任意 １ 1 任意 装数 ２．实验步骤 （１） 连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。 （２） 移位操作： ① 置数，具体步骤如下： 三态门 三态门 置数 （01101011） 数据开关 （01101011） SW-B=0 S0=1 SW-B=1 S1=1 T4= ② 移位，参照上表改变S0 S1 M 299-B的状态，按动微动开关KK2，观察移位结果。 实验四 静态随机存储器实验 一．实验目的 掌握静态随机存储器RAM的工作特性及数据的读写方法。 二．实验设备 TDN—CM++计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。 三．实验原理 实验所用的半导体静态存储器电路原理如图3-1所示，实验中的静态存储器由一片6116(2K8)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ADO~AD7与地址线相连，显示地址线内容。数据开关经三态门(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，接入6116的地址A7--AO，而高三位A8—A1O接地，所以其实际容量为256字节。6116有三个控制线；CE(片选线)、0E(读线)、WE(写线)。当片选有效(CE=O)时，OE=O时进行读操作，WE=0时进行写操作。本实验中将0E常接地，因此6116的引脚信号WE=0时进行读操作， WE=1时进行写操作。 在此情况下，要对存储器进行读操作，必须设置控制端CE=O、WE=O，同时由T3脉冲到来，要对存储器进行写操作，必须设置控制端CE=O、WE=1，同时由T3脉冲到来，其读写时间与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。 图3-1 存储器实验原理图 四．实验内容 1. 向存储器中指定的地址单元输入数据,地址先输入AR寄存器，在地址灯上显示;再将数据送入总线后，存到指定的存储单元，数据再数据显示灯和数码显示管显示。 2. 从存储器中指定的地址单元读出数据, 地址先输入AR寄存器,在地址灯显示; 读出的数据送入总线, 通过数据显示灯和数码显示管显示。 五．实验步骤 (1)．将时序电路模块中的Φ和H23排针相连。 将时序电路模块中的二进制开关“STOP”设置为“RUN”状态、将“STEP”设置为"STEP"状态。 (2)．按图3—2连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。 图3-2 存储器实验接线图 (注意:关于stop和step的说明: 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T3输出为连续的方波信号，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。) (3) 向存储器指定的地址送入数据，如:向00单元中输入11, 步骤如下: ① 向地址寄存器AR中输入地址00的流程如下： 操作步骤是，设置： SW-B = 1 从输入开关输入：00000000 打开输入三态门：SW-B = 0 将地址打入地址锁存器中：LDAR = 1 按START 发T3脉冲 观察地址灯的变化: ② 输入要存放的数据11的流程如下： 操作步骤是，设置： SW-B = 1 从输入开关输入：00010001 打开输入三态门：SW-B = 0 关闭地址寄存器：LDAR =0 将数据写入存储单元：CE = 0 WE = 1 按START 发T3脉冲 输入数据在数码管上显示：LED-B = 0 发W/R脉冲 观察数据显示灯和数码显示管的变化: ③ 按照①②的步骤继续向下面的几个地址中输入下述数据: 地址 数据 01 12 02 13 03 14 04 15 (4) 从存储器指定的地址中读出数据. 如从00中读出的流程如下： 操作步骤是，设置: SW-B = 1 禁止存储器读写：CE = 1 从输入开关输入：00000000 打开输入三态门：SW-B = 0 将地址打入地址锁存器中：LDAR = 1 按START 发T3脉冲 关闭输入三态门：SW-B = 1 关闭地址寄存器：LDAR = 0 从存储器中读出数据：CE = 0 WE = 0 数据在数码显示管显示：LED-B = 0 发W/R脉冲 同样从其它4个地址: 01 ,02 ,03 , 04中读出数据，观察地址显示灯, 数据显示灯和数码显示管的变化，并检查是否和输入的数据一致。 六．思考题 1．OE, A10 ~A8为什么要接地, 不接地有何影响? 2．本实验中存储器能够存储的最大容量是多少？PC、AR寄存器的位数是多少？存储器的每个单元能存放的最大整数和最小整数是多少？ 3．存储器本身是怎样存取数据的？本实验中是如何控制内存的读和写？ !- 实验五 总线传送控制实验 一．实验目的 1．理解总线的概念及其特性: 三态控制,单向双向传送等。 2．掌握总线传输控制特性。 二．实验设备 TDN—CM++计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。 三．实验原理 总线是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路，是构成计算机系统的骨架。借助总线连接，计算机在系统各部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作。因此，总线就是指能为多个功能部件服务的一组公用信息线。 本实验所用总线传输实验框图如图4—1所示，需要用排线连接，使几种不同的设备挂至总线上，有存储器、输入设备、输出设备、寄存器。这些设备都需要有三态输出控制，按照传输要求恰当有序的控制它们，就可实线总线信息的传输。 图4-1 总线传送实验框图 四．实验内容 1．输入设备将一个数打入R0寄存器。 2．输入设备将另一个数(存储器地址)打入地址寄存器AR。 3．将R0寄存器中的数写入到地址寄存器指定的存储器地址单元中。 4．将存储器指定地址单元中的数读出用LED数码管显示。 五．实验步骤 (1)．按下图连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。 图4-2 数据传送接线图 (2)．设置初始状态: 先将全部开关设为1 再设置： 关闭所有的三态门：LDAR = 0 LDPC = 0 (3) 从输入开关向R0中输入数据63H, 设置: 从输入开关输入:01100011 打开输入三态门：SW-B = 0 将总线上的数据打入寄存器：发LDR0脉冲 [方法：改变LDPC: 0—>10] (4) 从输入开关将存储器地址20H输入AR中: 从输入开关输入:00100000 将数据输入地址寄存器：发LDAR脉冲 (5) 将R0中的数据63H读出,送入到AR指定的存储器单元20H中,设置: 关闭输入三态门：SW-B = 1 打开寄存器输出：R0-B = 0 向存储器写数据：CE = 0 WE = 0 (6) 将AR中指定的RAM地址单元20H中的数据63H读出,送入到数码显示管中显示,设置: 关闭三态门：CE = 1 R0-B = 1 从存储器中读数：存储器W/R = 1 CE=0 数据在数码管上显示：LED-B = 0 发输出设备W/R脉冲 (7) 按同样的方式重复步骤(3)~(7), 输入数据64到存储器单元21中。 (8) 检查数据是否写入到指定的存储单元中，步骤如下： a) 将地址输入AR中： 所有开关设置为(3)的初始状态 从输入开关输入20：00100000 打开输入三态门：SW-B = 0 将地址打入地址寄存器：发LDAR脉冲 b) 从存储器中将数据取出，送入输出设备显示： 关闭输入三态门：SW-B = 1 从存储器中取数据：CE = 0 存储器WE = 1 数据输出到数码管：LED-B = 0 发W/R脉冲 六．思考题 1. 数码显示管与总线数据灯显示一致吗？ 总线上有哪些信息？ 2. 什么是总线，总线有几种，总线的作用是什么？ 3．哪些总线应是单向总线，哪些是双向总线?