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1、1第1页/共92页2实验装置各单元介绍 1 1运算器单元(ALU UNIT)(ALU UNIT)2 2计数器与地址寄存器单元(ADDRESS UNIT)(ADDRESS UNIT)3 3指令寄存器单元(INS UNIT)(INS UNIT)4 4时序电路单元(STATE UNIT)(STATE UNIT)第2页/共92页3实验装置各单元介绍(续)5 5微控器电路单元(MICRO-(MICRO-CONTROLLER UNIT)CONTROLLER UNIT)6.6.逻辑译码单元(LOG UNIT)(LOG UNIT)7 7主存贮器单元(MAIN MEM)(MAIN MEM)8 8输入设备单元(I
2、NPUT DEVICE)(INPUT DEVICE)第3页/共92页4实验装置各单元介绍(续)9 9输出设备单元(OUTPUT(OUTPUT DEVICE)DEVICE)1010总线单元(BUS UNIT)(BUS UNIT)1111控制信号发生单元(W/R UNIT)(W/R UNIT)1212扩展总线单元(EXT BUS)(EXT BUS)1313外总线单元(EX UNIT)(EX UNIT)第4页/共92页5实验装置各单元介绍(续)1414逻辑信号测量单元(OSC UNIT)(OSC UNIT)1515单片机控制单元(8051 UNIT)(8051 UNIT)1616开关单元(SWITC
3、H UNIT)(SWITCH UNIT)1717指示灯单元(LED UNlT)(LED UNlT)1818PLDPLD单元 第5页/共92页6实验设备的数据通路结构第6页/共92页7实验准备和实验注意事项1、完成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，此时可以只使用一根线连接。2、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”。3、实验接线图中带有圆圈的连线为实验中要接的线。第7页/共92页实验一 算术逻辑运算实验 内容提要 1.1.实验目的2.
4、2.实验原理3.3.实验内容4.4.实验步骤第8页/共92页9算术逻辑运算实验目的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。第9页/共92页10算术逻辑运算实验原理图1-1 运算器数据通路图第10页/共92页111、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、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？实验预习检查内容第11页/共92页12算术逻辑运算实验内容1输入数据通过三态门74LS245
5、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。2输入数据通过三态门74LS245后输入DR1(或DR2)、ALU，再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。第12页/共92页13算术逻辑运算实验步骤1-1(1)(1)按下图连接实验线路，仔细查线无误后，接通电源。第13页/共92页14算术逻辑运算实验步骤1-2（2 2）用二进制数码开关输入数据65(65(十六进制)，观察总线数据显示灯和LEDLED的变化。设置：SW-B=1 SW-B=1 从输入开关输入：从输入开关输入：0110
6、010101100101SW-B=0 SW-B=0 299-B=0 299-B=0 改变改变PC-B(01 PC-B(01 或或10)10)第14页/共92页15算术逻辑运算实验步骤2-1(1)重新按下图连接实验线路，仔细查线无误后，接通电源 第15页/共92页16算术逻辑运算实验步骤2-2使用以下操作步骤向DRl寄存器中置入数据65。设置：SW-B=1SW-B=1从输入开关输入：从输入开关输入：0110010101100101SW-B=0SW-B=0299-B=0299-B=0ALU-B=1ALU-B=1LDDR1 =1LDDR1 =1LDDR2=0LDDR2=0按按KK2KK2发发T4T4
7、脉冲脉冲改变改变PC-BPC-B第16页/共92页17算术逻辑运算实验步骤2-3检查输入DRl寄存器中的数据是否正确。操作步骤如下，设置：SW-B=1SW-B=1ALU-B=0ALU-B=0299-B=0299-B=0S3S2S1S0M=S3S2S1S0M=1111111111 改变改变PC-BPC-B第17页/共92页18算术逻辑运算实验步骤2-3检查输入DR2寄存器中的数据是否正确。操作步骤如下，设置：SW-B=1SW-B=1ALU-B=0ALU-B=0299-B=0299-B=0S3S2S1S0M=S3S2S1S0M=10101 10101 改变改变PC-BPC-B第18页/共92页19
8、算术逻辑运算实验步骤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(具体完成的操作见181的功能表)，然后填写下表：第19页/共92页20算术逻辑运算实验步骤3进位控制实验 第20页/共92页实验二 进位控制实验 内容提要 1.1.实验目的2.2.实验原理3.3.实验内容4.4.实验步骤第21页/共92页22进位控
9、制实验目的1掌握运算器的工作原理、运算器的数据传送通路。2验证带进位控制的运算器的功能；3验证运算功能发生器(74LSl81)的组合功能。第22页/共92页23进位控制实验原理第23页/共92页241、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、进行运算时为什么要关闭DR1,DR2?实验预习检查内容第24页/共92页25进位控制实验内容通过输入两组不同的数据(一组产生进位，一组不产生进位)，完成指定的运算，观察进位显示，以及进位对ALU下一步操作的影响。第25页/共92页26进位控制实验步骤1按图22连接实验线路，仔
10、细查线无误后，接通电源 第26页/共92页27进位控制实验步骤2-1用二进制数码开关向DR1DR1和DR2DR2寄存器置数55H55H和AAH AAH，具体方法同实验一 。第27页/共92页28进位控制实验步骤2-2检查DR1DR1和DR2DR2中的数，检查方法见本实验一 。注意保持ARAR信号为1 1。第28页/共92页29进位控制实验步骤2-3进位标志清零，具体操作方法是：让CLRCLR开关做101101操作。实验板中“SWITCH UNITSWITCH UNIT”单元中的CLRCLR开关为标志CYCY、ZIZI的清零开关，它为零时是清零状态，所以将此开关做101101操作，即可使标志位清
11、零。第29页/共92页30进位控制实验步骤2-4验证带进位的运算及进位锁存功能。关闭输入三态门：关闭输入三态门：SW-B=1SW-B=1打开打开ALUALU输出三态门：输出三态门：ALU-B=O ALU-B=O 关闭寄存器的输入：关闭寄存器的输入：LDDR1=0LDDR1=0，LDDR2=0 LDDR2=0 进行带进位加法运算：进行带进位加法运算：Cn=l Cn=l，Ar=OAr=OS3 S2 Sl S0 M=l 0 0 1 0S3 S2 Sl S0 M=l 0 0 1 0第30页/共92页31进位控制实验步骤2-5输入另一组数据FFH，01H到DR1和DR2中，重复(2)、(3)、(4)、(
12、5)的步骤，观察CY，ZI显示灯以及运算结果。第31页/共92页32进位控制实验步骤2-6当刚才运算的进位已经锁存到74LS74时，输入另一组数据FFH，01H到DR1和DR2中，观察进位灯及结果。第32页/共92页33进位控制实验步骤2-7输入另一组数据0EH，01H到DR1和DR2中，观察进位灯及结果。第33页/共92页实验三 移位运算实验 第34页/共92页35实验目的 1了解移位发生器74LS299的功能。2验证移位控制电路的组合功能。第35页/共92页36实验原理 使用了一片74LS299作为移位发生器，其8位输入/输出端可连接至内部总线。74LS299移位器的片选信号为299B,在
13、低电平时有效。T4为其控制脉冲信号，由“W/R UNIT”单元中的T4接至“STATE UNIT”单元中的单脉冲发生器KK2上而产生，S0、S1、M作为移位控制信号，此移位控制逻辑功能表如表3-1所示。第36页/共92页37第37页/共92页38表3-1 移位控制逻辑功能表 第38页/共92页39实验内容 1输入数据,进行移位操作,输出结果,并观察。第39页/共92页40 01101101 01101101 10110110循环右移一次第40页/共92页41 001101101 01101101 001101101 01101101 10110110 100110110 100110110 0
14、10011011 带进位循环右移一次进位数据位第41页/共92页42 74LS299开关单元SW-B299-B第42页/共92页43第43页/共92页实验四 静态随机存储器实验 第44页/共92页45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、存储器的组成方法。第45页/共92页46实验原理 第46页/共92页47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，数据在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
15、和数码显示管显示。第47页/共92页48实验线路 第48页/共92页49实验要求 地址地址数据数据0101121202021313030314140404151500001111第49页/共92页实验五 数据传送实验 第50页/共92页51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；3.掌握组成计算机的五大部件之间的连接。第51页/共92页52实验原理 第52页/共92页53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
16、中的数读出用LED数码管显示。第53页/共92页54实验线路 63H-20H64H-21H第54页/共92页实验六 微控制器实验 内容提要 1.1.实验目的2.2.实验原理3.3.实验内容4.4.实验步骤第55页/共92页56微控制器实验目的1掌握微程序控制器的组成原理;2.掌握微程序流程图的编制和微指令的设计方法。第56页/共92页57实验原理图图6-1数据通路结构框图数据通路结构框图第57页/共92页58实验原理在编制微程序之前，必须确定微指令的格式。在实验中使用的模型机的微指令格式如下表给定，长度共24位。第58页/共92页59实验原理S3-S0、M、Cn是ALU功能选择信号，每位的含义
17、见实验一的74LS181逻辑功能表。第59页/共92页60实验原理WE是存储器读写控制信号，1为写操作，0为读操作。第60页/共92页61实验原理A9和A8外设选择译码信号，当A9A8=00时，选中Y0，当A9A8=01时，选中Y1，当A9A8=10时，选中Y2，当A9A8=11时，选中Y3。由图71，INPUT DEVICE使用Y0，MAIN MEM使用Y1，OUTPUT DEVICE使用Y2。第61页/共92页62实验原理A、B、C是三个译码字段，分别译出多个控制位，A、B、C字段的含义如下:第62页/共92页63A A字段字段B B字段字段C C字段字段1 15 51 14 41 13
18、3选择选择1 12 21 11 11 10 0选择选择9 98 87 7选择选择0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 01 1LDRiLDRi0 00 01 1RS-BRS-B0 00 01 1P(1)P(1)0 01 10 0LDDR1LDDR10 01 10 0RD-BRD-B0 01 10 0P(2)P(2)0 01 11 1LDDR2LDDR20 01 11 1RI-BRI-B0 01 11 1P(3)P(3)1 10 00 0LDIRLDIR1 10 00 0299-B299-B1 10 00 0P(4)P(4)1 10 01 1LOADLOAD1 10 0
19、1 1ALU-BALU-B1 10 01 1ARAR1 11 10 0LDARLDAR1 11 10 0PC-BPC-B1 11 10 0LDPCLDPC A,B,CA,B,C的的含义含义 第63页/共92页64实验原理注意：在本实验中，LDRi信号直接与寄存器单元的LDRO相连、RS-B信号直接与寄存器单元的RO-B相连。第64页/共92页65实验原理第65页/共92页66实验原理P(1)-P(4)是4个测试字位，其功能是根据机器指令进行译码，使微程序转入相应的微地址入口，从而实现微程序的顺序、分支或循环运行。指令译码的译码电路如图6-3所示。图中I2-I7为指令寄存器的第2-7位输出。第6
20、6页/共92页67实验原理第67页/共92页68第68页/共92页69实验原理SE5-SE1为微控制器微地址锁存器的强置位端，低有效，分别强行置位A4-A0，比如SE2=0,则A1=1。本电路主要是通过指令寄存器的各位的值、各个测试字段P(1)-P(4)，以及控制台信号SWA、SWB来强制改变微程序的执行流程。第69页/共92页70实验原理A5A0是下址字段，表示下一条微指令的地址。第70页/共92页71实验内容1、设计以下机器指令的微程序IN 指令，其功能是：“INPUT DEVICE”中的开关状态R0机器码格式：XXXXXXXXADD data 指令，其功能是：RO+dataR0机器码格式
21、：XXXXXXXX XXXXXXXXOUT 指令，其功能是：R0LED机器码格式：XXXXXXXX2、将微程序下载到控制存储器中并运行第71页/共92页72实验步骤1、写出每条机器指令的操作步骤和控制信号如如ININ指令：指令：(1)PC-AR(1)PC-AR信号：信号：PB-BPB-B、LDARLDAR(2)PC+1(2)PC+1信号：信号：LDPCLDPC(3)MEM-DB(3)MEM-DB信号：信号：W/R=1W/R=1、CE=0CE=0(4)DB-IR(4)DB-IR信号：信号：LDIRLDIR、P(1)P(1)(5)INPUT-DB(5)INPUT-DB信号：信号：SW-B=0SW-
22、B=0(6)DB-R0(6)DB-R0信号：信号：LDR0=1LDR0=1第72页/共92页73实验步骤2、画出每条机器指令的微程序流程图 在流程图中，每一个矩形框代表一条微指令。并非所有的控制信号都能安排在一条微指令中，确定微指令的原则是：（1）写总线的微操作不能安排在同一条微指令中；（2）当一微操作使用T4节拍时，其后续微操作不能与它安排同一条微指令中。如IN指令的流程图如右图所示。ININ指令步骤和信号指令步骤和信号(1)PC-AR(1)PC-AR信号：信号：PB-BPB-B、LDARLDAR(2)PC+1(2)PC+1信号：信号：LDPCLDPC(3)MEM-DB(3)MEM-DB信号
23、：信号：W/R=1W/R=1、CE=0CE=0(4)DB-IR(4)DB-IR信号：信号：LDIRLDIR、P(1)P(1)(5)INPUT-DB(5)INPUT-DB信号：信号：SW-B=0SW-B=0(6)DB-R0(6)DB-R0信号：信号：LDR0=1LDR0=1第73页/共92页74第74页/共92页75实验步骤3、设计微指令 首先确定每条微指令所需要的控制信号，其次对微指令的相应位进行设置就得到所要求的微指令。如代号为01的 微 指 令 需 要 PC-B、LDAR和LDPC三个控制信号，那么A字段、B字段和C字段分别就为110。注意：不使用的位可用0来填充。ININ指令步骤和信号指
24、令步骤和信号(1)PC-AR(1)PC-AR信号：信号：PB-BPB-B、LDARLDAR(2)PC+1(2)PC+1信号：信号：LDPCLDPC(3)MEM-DB(3)MEM-DB信号：信号：W/R=1W/R=1、CE=0CE=0(4)DB-IR(4)DB-IR信号：信号：LDIRLDIR、P(1)P(1)(5)INPUT-DB(5)INPUT-DB信号：信号：SW-B=0SW-B=0(6)DB-R0(6)DB-R0信号：信号：LDR0=1LDR0=1第75页/共92页76第76页/共92页77实验步骤4.微指令16进制编码 将每个微地址和对应的微指令转换成16进制，并写在一行，格式为：$M
25、*，前面2个*表示该微指令的在微控制器中的地址，后面6个*表示该微指令代码。如：$M00018110：表示在控制存储器地址00h处的代码是018110h。$M0101ED82：表示在控制存储器地址01h处的代码是01ED82h。第77页/共92页78实验步骤5建立联机操作文件 为了从PC机下载工作程序和微程序，需要建立联机操作文件，该文件是普通的文本文件，扩展名为TXT，可用记事本来建立的，要求每个微地址及微指令代码占一行。例 如，下 面 是 一 个 实 验 的 文 件(文 件 名：sample.txt)：$M00018108$M0101ED82$M0200C048$M0300E004第78页
26、/共92页79实验步骤6下载微程序至控制存储器 按下图连接实验线路，使用唐都CMPP软件将微程序下载到实验箱的控制存储器中。方法是，在正确连接计算机与实验箱的串口线的情况下，从桌面上启动软件，然后在菜单中选择转储/装载进行下载。第79页/共92页80实验步骤7在唐都软件界面上的微指令区检查微程序是否正确。单步运行将编程开关MJ20置于“RUN(运行)”状态。实验板的“STEP及STOP开关保持原状。拨动CLR开关使CLR从1-0-1，此时微地址寄存器MA5MA0清零，从而确定本机的运行入口微地址为000000(二进制)。按动“START”键，启动时序电路，则每按动一次启动键，读出一条微指令，此
27、时实验台上的微地址显示灯和微命令显示灯将显示所读出的一条微指令。第80页/共92页实验七 基于微控器的模型机的设计与实现杨 宏 雨2 0 0 5.1 1第81页/共92页82一实验目的 1在掌握实验六原理的基础上，结合前面的部件单元电路实验，构造一个较完整的冯.诺依曼结构的模型计算机；2使用实验六定义的3条机器指令编写相应的程序，具体上机调试掌握整机概念。第82页/共92页83二实验内容 用实验六中所设计的3条机器指令编写一汇编语言程序，运行该程序并观察程序运行的结果。要求该程序必须包含IN、ADD和OUT指令并且程序的长度在4条指令以上。第83页/共92页84三实验步骤1微指令16进制编码
28、将实验六的每个微地址和对应的微指令转换成16进制，并写在一行，格式为：$M*前面2个*表示该微指令在微控制器中的地址，后面6个*表示该微指令代码。第84页/共92页85三实验步骤2工作程序16进制编码 利用所设计的3条机器指令编写工作程序，然后将工作程序中对应的每条机器指令和它在内存中的地址用16进制来表示，格式为：$P*前面2个*表示该内存的地址，后面2个*表示该地址的数据。例如：OUT$P0220 表示在内存地址02h处的数据是20h。第85页/共92页86三实验步骤3联机操作文件的建立 为了从PC机下载工作程序和微程序，需要建立联机操作文件，该文件是普通的文本文件，扩展名为TXT，可用记
29、事本来建立，要求：a、测试用的工作程序排在文件的前面，每个内存地址及代码占一行；b、微指令代码排在文件的后面，每个微地址及微指令代码占一行；第86页/共92页87三实验步骤例如，下面是一个实验的文件(文件名：a.txt)：$P0044$P0146$P0298$M00018108$M0101ED82$M0200C050第87页/共92页88三实验步骤4连接实验线路。5下载工作程序和微程序 使用唐都软件将工作程序和微程序下载到实验箱的内存和控制存储器中。外接电源线的实验箱用CMPP软件，启动软件后在菜单中选择转储/装载进行下载。第88页/共92页89三实验步骤6调试 可以使用单步微指令方式或单步机器指令方式或连续运行方式执行工作程序。在执行过程中，可以通过联机软件的数据通路图观察信息在计算机中的传送路径，更有利于掌握数据的通路结构。这样也可以直接验证程序和微程序的正确性。如果运行结果不正确，则重新修改程序或微程序，每次修改后，需要重新将工作程序和微程序下载到实验箱中。第89页/共92页90注意：运行过程中要注意观察模型机中的数据传输情况。如果运行情况不符合设计要求，要进行单步调试，并认真观察软件中的数据显示和实验箱上相应信号灯的变化情况，结合实验原理，争取自己能够找到问题所在并学会解决问题。第90页/共92页91第91页/共92页92感谢您的观看！第92页/共92页