计算机组成原理实验报告周辰宇

哈尔滨师范大学

计算机组成原理实验报告

姓名：张兴家

学号：2013026691

年级：2013级

班级：5班

专业：计算机科学与技术

学期：2015-2016-1

计算机科学与信息工程学院

实验一算术逻辑运算实验

1．实验目的和要求

1. 熟悉简单运算器的数据传送通路；

2. 验证4位运算功能发生器功能(74LS181)的组合功能。

2．实验原理

实验中所用到的运算器数据通路如图1-1所示。其中运算器由两片74181以并/串形式构成8位字长的ALU。运算器的输出经过一个三态门(74245)和数据总线相连，运算器的两个数据输入端分别由两个锁存器(74373)锁存，锁存器的输入连接至数据总线，数据开关INPUT DEVICE用来给出参与运算的数据，并经过一个三态门(74245)和数据总线相连，数据显示灯“BUS UNIT”已和数据总线相连，用来显示数据总线内容。

图1-2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，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，而S3，S2，S1，S0，Cn，LDDR1，LDDR2，ALU-B，SW-B各电平控制信号用SWITCH UNIT中的二进制数据开关来模拟，其中Cn，ALU-B，SW-B为低电平控制有效，LDDR1，LDDR2为高电平有效。

3．主要仪器设备（实验用的软硬件环境）

ZYE1603B计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。

4．操作方法与实验步骤

1. 按图1-2连接好实验线路，认真仔细对照接线图，查线无误后，接通电源。

2.用输入单元的二进制数据开关向寄存器DR1和DR2置数，数据开关的内容可以用与开关对应的指示灯来观察，灯亮表示开关量为“1”，灯灭表示开关量为“0”。以向DR1中置入11000001（C1H）和向DR2中置入01000011（43H）为例，具体操作步骤如下：

首先使各个控制电平的初始状态为：CLR=1,LDDR1=0,LDDR2=0.ALU_G=1, SW_G=1,S3 S2 S1 S0 M CN=111111,并将控制台的单元的开关SP05打在“NORM”状态，SP03打在“STEP”状态，SP04打在“RUN”状态。然后按下图所示步骤进行。

上面括号中的控制电平变化要按照从上到下的顺序来进行，其中T4的正脉冲使通过按动一次控制台单元的触动开关START来产生的。（形成时钟脉冲信号T4，操作步骤如下:将控制台单元中的两个二进制开关“SP03”设置为“STEP”状态、“SP04”设置“RUN”状态，每按动一次触动开关START，则T4输出一个单脉冲。）

置数完成以后，检验DR1和DR2中存的数是否正确，具体操作为：关闭数据输入三态门（SW_G=1），打开ALU输出三态门（ALU_G=0），使ALU单元的输出结果进入总线。当设置S3、S2、S1、S0、M、CN的状态为111111时，DATA BUS单元的指示灯显示DR1中的数；而设置成101011时，DATA BUS单元的指示灯显示DR2中的数，然后将指示灯的显示值与输入的数据进行对比。

3. 验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能（采用正逻辑）

74LS181的功能见表1-1，可以通过改变S3 S2 S1 S0 M CN的组合来实现不同的功能，表中“A”和“B”分别表示参与运算的两个数，“+”表示逻辑或，“加”表示算术求和。

表1-1 74LS181功能表

加

）加

通过前面的操作，我们已经向寄存器DR1写入C1H，DR2写入43H，即A=C1H，B=43H。然后改变运算器的控制电平S3 S2 S1 S0 M CN的组合，观察运算器的输出，填入表1-2中，并和理论值进行比较、验证74LS181的功能。

5．实验内容及实验数据记录

6．实验数据处理与分析

所得实验数据与74LS181功能表对应无误。所得结果正确。

7．质疑、建议、问题讨论

实验过程中经常会因为粗心把线接错，导致实验结果有误。实验过程中应该仔细认真的接线并进行检查，才能保证出错率最低。

报告评分：

指导教师签字：

实验二存储器实验

1．实验目的和要求

1. 掌握静态随机存储器RAM工作特性。

2. 掌握静态随机存储器RAM的数据读写方法。

2．实验原理

图1－9 存储器实验原理图

实验所用的半导体双端口静态存储器电路原理如图1－9所示，实验中的双

端口静态存储器的左端口和右端口，它们分别具有各自独立的地址线（A

0－A

9

）、

数据线（I/O

0－I/O

7

）和控制线（R/W，CE，OE，BUSY）。它的结构参考附录 1 中

的7130结构图。在实验系统的大多数实验保，该芯片仅使用了右端口的数据线、地址线、控制线，使用方法与通用的单端口静态存储品相同；在做与流水相关的实验中同时用到了它的左、右端口地址由地址锁存器（74LS273）给出。地址灯

L101——L108与地址总线相连，显示地址内容。输入单元的数据开关经一个三态门（74LS245）边至数据总线，分别给出地址和数据。

地址总线为8位，接入IDT7130的地址AL7－AL0与AR0－AR7，将IDT7130的高两位AR8－AR9接地，所以其实际容量为256字节。IDT7130两个端口分有三个独立的控制线，如右边有：CER（右端口片选线）、OER（右端口读线）、R/WR （右端口写线）。本实验中将左、右端口的读线OER常接地，在此情况下，当CER ＝0、R/WR＝0时进行右端口写操作，CER＝0、R/WR＝1时进行右端口读操作，其写时间与T3脉冲宽度一致。原理图中右端口的地址线AR8－AR9接地，其访问实际容量为256字节，同时由于左端口的写信号R/WR常接高电平，所以在端口的写功能被封锁了，故实验时输入数据从右端口写入，从左端口写读出。实验时，将T3脉冲接至实验板上时序电路模块的TS3相应插针中，其它电平控制信号由开关单元的二进制开关给出，其中SW_G为低电平有效，LDAR为高电平有效。3．主要仪器设备（实验用的软硬件环境）

ZYE1603B计算机组成原理教学实验箱一台，排线若干。

4．操作方法与实验步骤

1.形成时钟脉冲信号T3，具体接线方法和操作步骤如下：

（1）将信号单元中的TS3和T3用排线相连。

（2）将信号单元中的两个二进制开关“SP03”设置为“STEP”状态、“SPO4”设置为“RUN”状态（当“SP03”开关设置为“RUN”状态、“SP04”开关设置为“RUN”状态时，每按动一次触动开关START，则T3的输出为的方波信号。当“SP03”开关设置为“STEP”状态、“SP04”开关设置为“RUN”状态时，每按动一次触动开关START，则T3输出一个单脉冲，其脉冲宽度与连续方式相同。）

2.按图1－10连接实验线路，仔细检查无误后接通电源。（图路箭头表示需要接线的地方，接总线和控制信号时要注意高低位一一对应，可用彩排线的颜色来进行区分）

图1－10 存储实验接线图

3.从右端口给存储嚣的00、01、02、03、04地址单元中分别写入数据11、22、33、44、55、具体操作步骤如下：（以向00号单元写入11为例）

首先使各种电平的初始状态为：SW－G＝1，CE＝1.PC－G＝1，WE＝1，LDAR ＝0，CLR＝1－0－1，并将控制台单元的开关SP05打在“NORM”状态，然后按下面框图所示步骤进行操作来完成数据的写入。图中方括号中的控制电平变化要按照从上到下的顺序来进行，其中T3的正脉冲是通过按动一次控制台单元的触动

开关START来产生的，而WE-R的负脉冲则是通过让开关单元的WE开关做1->0->1的变化来产生。

4.从做端口依次读出00，01，02，03，04号单元中的内容，在数据总线单元的指示灯上进行显示，观察上述各单元中的内容，是否与前面写入的一致。具体操作步骤如下：（以从00号单元读出11数据为例）

其中地址寄存器AR的值在地址总线单元的指示灯上显示，双端口RAM相应单元的值从左端口读出，在数据单元的指示灯上显示。

5．实验内容及实验数据记录

6．实验数据处理与分析

所得实验数据与理论数据对应无误，所得结果正确

报告评分：

指导教师签字：

实验三总线控制实验

1．实验目的和要求

1．理解总线的概念及其特性。

2．掌握传输总线控制特性。

2．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传送地址、数据和控制信息的操作。因此，所谓总线就是指能为多个功能部件服务的一组公用信息线。

总线传输实验框图如图1-11所示，它将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。这些都需要有三态输出控制，按照传输要求有序的控制它们，就

可实现总线信息传输。

数据总线

图1-11总线示意图

3．主要仪器设备

ZYE1603B计算机组成原理教学实验箱一台，排线若干。

4．操作方法与实验步骤

1．根据挂在总线上的几个基本部件，设计一个简单的流程：

①输入设备将一个数写入地址寄存器。

②输入设备将另一个数写入到存储器的当前地址单元中。

③将存储器当前地址单元中的数用LED 数码管显示。

2．按照图1-12实验接线图进行连线，仔细检查无误后，接通电源。（图中箭头表示需要接线的地方，接总线和控制信号时要注意高低位一一对应，可用彩排线的颜色来进行区分）

图1-12 总线控制实验接线图

3．具体操作步骤图示如下：

首先使各个控制电平的初始状态为：SW_G=1，CE=1，WE=1，LDAR=0，299_G （LED_G ）=1，PC_G （WE ）=1，CLR= l →0→1，并将控制台单元的开关SP05打在“NORM ”状态，然后按下图所示步骤进行。图中方括号中的控制电平变化要按照

从上到下的顺序来进行，其中LDAR的正脉冲是通过让SWITCH单元的LDAR开关做0→1→0变化来产生的，而WE和PC_G（WE）的负脉冲则是通过让SWITCH单元的WE和PC_G开关做1→0→1变化来产生的。

完成上述操作后，在输出单元的数码管上观察结果。

5．实验内容及实验数据记录

打开三态门，将数据00000001写入地址寄存器；然后将数据11100111写入存储器RAM，再将 RAM中的数据送到LED显示出来。

显示的结果为E7.

6．实验数据处理与分析

数码管上的显示结果与输入的数据相同，实验值与理论值相符合。

总线是多个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。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。这些设备通过三态输出控制，按照传输要求恰当有序的控制它们，从而实现总线信息传输。

报告评分：

指导教师签字：

实验四微程序控制器实验

1．实验目的和要求

1.掌握微程序控制器的组成原理

2.掌握微程序的编制、写入，观察微程序的运行。

2．实验原理

实验所用的时序电路原理可以参考时序实验。由于时序电路的内部线路已经连好（时序电路的CLR已接到实验板中下方的CLR清零开关上），所以只需将时序电路与方波信号源连接即可。

1．微程序控制电路

微程序控制器的组成见图5-1。其中控制存储器采用3片2816 E2PR0M，具有掉电保护功能。微命令寄存器18位，用两片8D触发器（74LS273）和一片4D （74LS175）触发器组成。微地址寄存器6位，用三片上升沿触发的双D触发器（74LS74）组成，它们带有清“0”端和置“1”端。在不进行判别测试的情况下，T2时刻打入微地址寄存器的内容即为下一条微指令地址。当T4时刻进行判别测试时，转移逻辑满足条件后输出的负脉冲通过强置端将某一触发器设置为“1”状态，完成地址修改。

在该实验电路中，在CONTROL UNIT有一个编程开关SP06，它具有三种状态：WRITE （编程）、READ（校验）、RUN（运行）。当处于“编程状态”时，实验者可根据微地址和微指令格式将微指令二进制代码写入到控制存储器2816中。当处于“校验状态”时，可以对写入控制存储器中的二进制代码进行验证，从而可以判断写入的二进制代码是否正确。当处于“运行状态”时，只要给出微程序的入口微地址，则可根据微程序流程图自动执行微程序。图中微地址寄存器输出端增加了一组三态门74LS245，目的是隔离触发器的输出，增加抗干扰能力，并用来驱动微地址显示灯。

2．微指令格式

微指令字长24位，其控制位顺序如下：

表5-1 微指令结构图

图1-16微控制器实验原理图

其中uA5一uA0为6位的后续微地址，A、B、P为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位。P字段中的Pl一P4是四个测试字位。其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码，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、循环运行。AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位，其为零

有效。B字段中的RS_G、RD_G、RI_G分别为源寄存器选通信号、目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号，其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0、R1及R2的选通译码。

3．主要仪器设备（实验用的软硬件环境）

ZY15Comp12BB计算机组成原理教学实验箱一台，排线若干。

4．操作方法与实验步骤

1．图5-2为几条机器指令对应的参考微程序流程图，将全部微程序按微指令格式变成二进制代码，可得到表1-5的二进制代码表。

表5-2 微程序时序控制实验二进制代码表

2．按图5-3连接实验线路，仔细检查无误后接通电源。（图中箭头表示需

要接线的地方，接控制信号时要注意各信号一一对应，可用彩排线的颜色来进行区分）

图1-14 微程序流程图

图5-3 微控制器时序控制实验接线图

3．观察微程序控制器的工作原理：

（1）编程

A．将CONTROL UNIT的编程开关SP06设置为WRITE（编程）状态。

B．将实验板上“SIGNAL UNIT”中的“SP03”设置为“STEP”，“SP04”设置为“RUN”状态。

C．用SWITCH UNIT的二进制模拟开关设置微地址UA5—UA0。

D．在MICRO CONTROL单元的开关SM24—SM01上设置微代码，24位开关对应24位显示灯，开关量为“1”时灯亮，开关量为“0”时灯灭。

E．启动时序电路（按动CONTROL UNIT 的“START”触动开关），即将微代码写入到E2PR0M 28C16的相应地址对应的单元中。

F．重复C—E步骤，将表1-5的微代码写入28C16。

（2）校验

A．将CONTROL UNIT的编程开关SP06设置为READ（校验）状态。

B．将实验板“SIGNAL UNIT”中的“SP03”开关设置为“STEP”状态，“SP04”开关设置为“RUN”状态。

C．用SWITCH UNIT的二进制开关设置要检验的微地址UA5—UA0。

D．按动CONTROL UNIT的“START”触动开关，启动时序电路，读出微代码，观察MICRO CONTROL单元的显示灯LM24－LM01的状态（灯亮为“1”，灭为“0”），检查读出的微代码是否与写入的相同。如果不同，则将开关置于“WRITE”编程状态，重新执行（1）即可。

（3）单步运行

A．将CONTROL UNIT的编程开关SP06置于“RUN（运行）”状态。

B．将实验板“SIGNAL UNIT”中的“SP03”开关设置为“STEP”状态，“SP04”开关设置为“RUN”状态。

C．操作SWITCH UNIT的CLR开关，使CLR信号状态依次为1→0→1，将微地址寄存器74LS74（1）—74LS74（3）清零，从而明确本机的运行入口微地址为000000（二进制）。

D．按动CONTROL UNIT 的“START”触动开关，启动时序电路，则每按动一次“START”键，读出一条微指令后停机，此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指令。

注：在当前条件下，将“MICRO CONTROL”单元的SE6—SE1接至“SWITCH”

中的UA5－UA0对应二进制开关上，可通过强置端SE6—SE1人为设置分

支地址。首先将SE6—SE1对应二进制开关设置为“1”，当需要人为设

置分支地址时，将需要改变的某个或几个二进制开关设置“0”，相应的

微地址位即被强置为“1”，从而改变下一条微指令的地址。（二进制开

关设置为“0”，相应的微地址位将被强置为“1”）

（4）连续运行

A．将CONTROL UNIT的编程开关SP06设置为“RUN（运行）”状态。

B．将实验板SIGNAL UNIT中的开关“SP03”、“SP04”设置为“RUN”

状态。

C．使SWITCH UNIT的CLR信号状态依次为1→0→1，此时微地址寄存器清“0”，从而给出取指微指令的入口地址为000000（二进制）。

D．启动时序电路，即按一下CONTROL UNIT 的“START”键，则可连续读出微指令，并按照微指令存储器（28C16）中的微程序连续运行。

E．如果要退出连续运行状态，可将SIGNAL UNIT中的SP04开关拨动到“STOP”位置。

5．实验内容及实验数据记录

6．实验数据处理与分析

所得实验数据与理论数据对应无误，所得结果正确。