实验五处理器数据通路实验
实验五数据通路的设计和验证
一、实验目的
1、通过数据通路的的设计和验证,掌握CPU数据通路的基本原理和控制信号的顺序。
2、了解QUARTUS II硬件描述语言和原理图混合输入设计的过程。
3、掌握Simplest CPU的数据通路的控制方法，为控制器实验奠定基础。
二、实验原理
如图1所示是本次实验所设计的Simplest CPU的数据通路和存储器部分的原理框图，该处理器支持的指令集如表1所示，只有4条指令。该CPU的寄存器如表2所示，数据通路的控制信号如表2所示。
表1 SimplestCPU的指令集
该处理器的存储器为64单元，编址0~63，通过地址总线Addr[5..0]进行选择；每个单元数据宽度8位，分别通过Dout[7..0]和Din[7..0]进行数据的读写，存储器的读、写控制信号分别为MRD和MWR。
表2 寄存器介绍
表3 数据通路控制信号
实验内容
本实验由多个设计文件构成，并且顶层设计采用原理图输入方式，如图2所示是本次实验的顶层设计原理图。图中的各个模块采用verilog硬件描述语言设计，对应的模块分别是时钟分频器ClockInput、数据通路datapath、存储器mem、显示输出display和与PC机的输入输出调试接口PC_InOut，对应的设计文件分别是ClockInput.v、datapath.v、mem.v、display.v和PC_InOut.v，如表4所示。
表4 本实验所用的设计文件
图2 本次实验的顶层设计原理图
四、实验步骤（请参考实验演示文档）
1、打开QUARTUSII软件，新建一个工程。
2、建完工程之后，新建一个原理图文件，并保存为EXP5.bdf。
3、再新建一个Verilog File，打开编辑器。
4、按照实验原理和自己的想法，在编辑窗口编写Verilog代码，请参考实验所提供的实验代码文件。
5、编写完Verilog代码后，保存起来。
6、对自己编写的Verilog代码生成符号文件“Create Symbol File from current file”，对程序的错误进行修改。
7、依次重复过程2、3、4、5依次完成表4所示的5个verilog文件的编写和符号文件生成。
8、切换到原理图文件，按图2所示的原理图选择模块并进行连接，并保存设计。
9、编译设计无误后，数码管与FPGA的管脚连接参照表5进行引脚分配。分配完成后，再进行全编译一次，以使管脚分配生效。
表5 端口管脚分配表
10、用下载电缆通过JTAG口将对应的sof文件加载到FPGA中。
11、在PC机打开“SimplestCPU数据通路控制面板”软件，并连接实验箱。
图3 实验使用的控制面板软件
12、在连接成功之后，通过操作控制面板上对应的控制信号，观察实验结果
是否与自己的数据通路的控制思想一致。
五、实验现象与结果
该CPU的取指令和执行指令的过程如图4所示，以控制器从存储器取指令(fetch)为例，取指令过程依次包含3个操作步骤，分别用fetch1、fetch2和fetch3来表示，如表6所示。在PC端的SimplestCPU数据通路控制面板软件界面上，在发出步骤fetch1所示的控制信号后，可以在实验箱和软件界面上观察到指示灯和AR寄存器的值是3DH。这是存放在程序存储器地址0的指令LD 3DH所对应的指令的机器指令编码。
表6 取指令的操作顺序和控制信号
(说明：表格中绿底色的表示寄存器的写控制，相继的灰底色的表示该过程由软件自动完成，不需要手动操作，PC端的软件该信号对应的按钮按下后延迟弹起，发出对应的控制信号)
实验报告
1、该处理器的指令集有4条指令的控制流程如图4所示。请参考表6，写出
LD指令、ST指令和JZ指令的操作过程和控制信号的赋值，填入表7~表10中。并依据表7~表10通过PC端的实验软件进行验证；
图4 SimplestCPU的指令流程图
表7 LD 指令控制流程
表8 ST
指令控制流程
表9 ADD 指令控制流程
表10 JZ指令控制流程
3、实验原理、设计过程、编译和分析结果、硬件测试结果记录下来。
说明：本次实验存储器中存放了等差数列1+2+3+…+22的数据求和的程序，为方便实验，将该程序列在下面。
实验三数据通路组成实验 一实验目的 1.进一步熟悉计算机的数据通路 2.将双端口通用寄存器堆和双端口存储器模块连接,构成新的数据通路 3.掌握数字逻辑电路中的一般规律,以及排除故障的一般原则和方法 4.锻炼分析问题和解决问题的能力,在出现故障的情况下,独立分析故障现象,并排除故障. 二实验电路 数据通路实验电路图如图所示。它是将双端口存储器模块和双端口通用寄存器堆模块连接在一起形成的。存储器的指令端口(右端口)不参与本次实验。通用寄存器堆连接运算器模块，本次实验涉及其中的DRl。
由于双端口存储器是三态输出，因而可以直接连接到DBUS上。此外，DBUS还连接着通用寄存器堆。这样，写入存储器的数据由通用寄存器提供，从RAM中读出的数据也可以放到通用寄存器堆中保存。 本实验的各模块在以前的实验中都已介绍，请参阅前面相关章节。注意实验中的控制信号与模拟它们的二进制开关的连接。 三、实验设备 1． TEC-5计算机组成原理实验系统1台 2．逻辑测试笔一支(在TEC-5实验台上) 3．双踪示波器一台(公用) 4．万用表一只(公用) 四、实验任务 1.将实验电路与控制台的有关信号进行连接。 2.用8位数据开关SW7-SW0向RF中的四个通用寄存器分别置入以下数 据:R0=OFH,R1=0F0H,R2=55H,R3=0AAH. 3.用8位数据开关向AR送入地址0FH,然后将R0中的数据0FH写入双端口存储器中.用同样的方法,依次将R1,R2,R3中的数据分别置入RAM的0F0H,55H,0AAH单元. 4.分别将RAM的0AAH单元数据写入R0,55H单元数据写入R1,0F0H单元数据写入 R2,0FH单元数据写入R3.然后将R0-R3中的数据读出,验证数据的正确性,并记录数据. 五、实验要求 1．做好实验预习，掌握实验电路的数据通路特点和通用寄存器堆的功能特性和使用方法。 2．写出实验报告，内容是： （1）实验目的。 （2）写出详细的实验步骤、记录实验数据及校验结果。 （3）其他值得讨论的问题。 六、实验步骤及结果 任务1：接线
实验现象和实验数据的搜集整理与分析 一．问题阐述 实验现象和数据是定量实验结果的主要表现形式，亦是定量研究结果的主要证据。数据对于实验教学来讲，有着重要的意义和价值。然而在我们的教学中，不尊重事实，漠视实验数据的现象仍经常出现，具体分析，在小学科学实验数据教学中主要存在以下一些问题： （一）数据收集存在的问题 1.数据收集不真实 如《摆的研究》一课教学中，由于测量的次数多，时间紧，而测同一摆重或同一摆长前后时间又几近相同，于是有小组就根据前面的实验数据，推测了后面的数据。又如教学《热是怎样传递的》一课时，有一小组的火柴掉下来的顺序明明不是有规律地从左往右，但听到其他小组火柴都是从左往右有顺序地掉下来，于是他们也修改了自己的数据。 2.数据收集不准确 如教学《水和食用油的比较》一课时，教师引导学生把水和食用油分别装入相同的试管中来比较，结果教学中却出现了相反的现象——装油的试管比装水的试管还要重，原来是装水的试管壁薄，装油的试管壁厚，实验准备时教师并没有发现这个现象，结果出现了上述问题。 3.数据收集不全面 教师在收集数据过程中，各小组虽然都做了同一个实验，但教师只挑选1-2个组的实验表进行展示汇报，而其他组的实验数据一概不论，就草草作结论，这样的实验过程和结果很难说服所有人，也很容易出错。 （二）数据整理存在的问题 1.整理方式简单 课堂上教师比较重视设计小组或个人填写的实验数据表格，但对全班汇总的实验数据形式容易忽视，呈现方式比较简单。在数据呈现时，要么逐一呈现小组原始记录单，要么按小组顺序呈现数据，平时更少使用统计图来整理。黑板上数据显得杂乱无章，不易发现其中的规律。 2.数据取舍不清
非常简单CPU数据通路设计 【实验目的】 1.掌握CPU的设计步骤 2.学会芯片的运用及其功能 【实验环境】 Maxplus2环境下实现非常简单CPU数据通路的设计 【实验内容】 绘制非常简单CPU的寄存器：一个8位累加器AC，一个6位的地址寄存器AR，一个6位的程序计数器PC，一个8位的数据寄存器DR，一个2位的指令寄存器IR。其数据通路详见教材P。 1、零件制作 6位寄存器（自行设计） 6位计数器（自行设计） 8位寄存器（可选择74系列宏函数74273） 8位计数器（由两个74161构成） 2位寄存器（由D触发器构成，自行设计） 6三态缓冲器（自行设计，可由74244内部逻辑修改而成） 8三态缓冲器（选择74系列宏函数74244，或作修改） alu模块（自行设计，限于时间，其内部逻辑不作要求） 2、选择器件，加入数据通路顶层图 8位累加器AC：选择8位计数器 6位地址寄存器AR：reg6 6位的程序计数器PC：cou6 8位的数据寄存器DR：选择8位寄存器 2位的指令寄存器IR：选择2位寄存器 3、为PC、DR加入三态缓冲器。 4、调整版面大小，器件位置。 5、设计地址引脚、数据引脚、8位内部总线，加入数据引脚到内部总线的 缓冲器。 6、连接各器件之间以及到内部总线的线路，设计并标注各控制信号。 7、（选做）编译之后，给出微操作AR<-PC 的测试方法及仿真结果。 8、实验报告中应给出各元部件的实现方法、内部逻辑贴图、打包符号说 明及顶层的“非常简单CPU”数据通路图。 实验报告 一、实验步骤 基于前面非常简单CPU的讲解，我掌握了非常简单CPU的指令集结构及非常简单CPU的指令读取过程和执行过程，本次实验是在上次实验的基础之上完成非常简单CPU数据通路的设计，其步骤如下： （1）、AC累加器原理图如下：
非常简单CPU数据通路设计实验报告非常简单CPU数据通路设计【实验目的】 1. 掌握CPU的设计步骤 2. 学会芯片的运用及其功能 【实验环境】 Maxplus2环境下实现非常简单CPU数据通路的设计 【实验内容】 非常简单CPU的寄存器:一个8位累加器AC，一个6位的地址寄存器绘制 AR，一个6位的程序计数器PC，一个8位的数据寄存器DR，一个2位的指令寄存器IR。其数据通路详见教材P。 1、零件制作 6位寄存器 (自行设计) 6位计数器 (自行设计) 8位寄存器 (可选择74系列宏函数74273) 8位计数器 (由两个74161构成) 2位寄存器 (由D触发器构成，自行设计) 6三态缓冲器 (自行设计，可由74244内部逻辑修改而成) 8三态缓冲器 (选择74系列宏函数74244，或作修改) alu模块 (自行设计，限于时间，其内部逻辑不作要求) 2、选择器件，加入数据通路顶层图 8位累加器AC:选择8位计数器 6位地址寄存器AR:reg6 6位的程序计数器PC:cou6
8位的数据寄存器DR:选择8位寄存器 2位的指令寄存器IR:选择2位寄存器 3、为PC、DR加入三态缓冲器。 4、调整版面大小，器件位置。 5、设计地址引脚、数据引脚、8位内部总线，加入数据引脚到内部总线的 缓冲器。 6、连接各器件之间以及到内部总线的线路，设计并标注各控制信号。 7、(选做)编译之后，给出微操作 AR<-PC 的测试方法及仿真结果。 8、实验报告中应给出各元部件的实现方法、内部逻辑贴图、打包符号说 明及顶层的“非常简单CPU”数据通路图。 实验报告 一、实验步骤 基于前面非常简单CPU的讲解，我掌握了非常简单CPU的指令集结构及非常简单CPU的指令读取过程和执行过程，本次实验是在上次实验的基础之上完成非常简单CPU数据通路的设计，其步骤如下: (1)、AC累加器原理图如下:
Guangzhou Colle-ge of South China University of Technology 计算机组成原理课程实验报告 9.5数据通路实验 姓名：曾国江______________________ 学号：____________________________ 系别：计算机工程学院 班级：网络工程1班 指导老师：_________________________ 完成时间：_________________________ 评语： 得分:
一、实验类型 本实验类型为验证型+分析型+设计型 二、实验目的 1?进一步熟悉计算机的数据通路 2.将双端口通用寄存器堆和双端口存储器模块连接，构成新的数据通路. 3.掌握数字逻辑电路中的一般规律，以及排除故障的一般原则和方法. 4.锻炼分析问题和解决问题的能力，在出现故障的情况下，独立分析故障现象，并排除故障? 三、实验设备 1、TEC-5实验系统一台 2、双踪示波器一台 3、逻辑测试笔一支 、实验电路 DBUS7 DBUSO 左端口 > 1JWK273) H3F2HTQ Cn*4 Al JU <181 CnN 戍蜩口通用寄"器那RF CispLSI10165 -一耐'1 2 ARM — T2 —- 双堵口存储器 IDT7132
数据通路实验电路图如图9.7 所示。它是将双端口存储器模块和双端口通用寄存器堆模块连接在一起形成的。存储器的指令端口（右端口）不参与本次实验。通用寄存器堆连接运算器模块，本次实验涉及其中的DRl 。由于双端口存储器是三态输出，因而可以直接连接到DBUS 上。此外，DBUS 还连接着通用寄存器堆。这样，写入存储器的数据由通用寄存器提供，从RAM 中读出的数据也可以放到通用寄存器堆中保存。本实验的各模块在以前的实验中都已介绍，请参阅前面相关章节。注意实验中的控制信号与模拟它们的开关K0~K15 的连接。 五、实验任务 1、将实验电路与控制台的有关信号进行连接。 2、用8位数据开关SW7-SW0向RF中的四个通用寄存器分别置入以下数据：RO=OFH, R1=0F0H， R2=55H，R3=0AAH。 3、用8位数据开关向AR送入地址OFH,然后将R0中的数据OFH写入双端口存储器中. 用同样的方法依次将R1,R2,R3中的数据分别置入RAM的0F0H,55H,0AAH单元. 4、分别将RAM 的0AAH 单元数据写入R0,55H 单元数据写入R1,0F0H 单元数据写入R2,0FH单元数据写入R3然后将R0-R3中的数据读出，验证数据的正确性，并记录数据? 六、实验要求 1、做好实验预习,掌握实验电路的数据通路特点和通用寄存器堆的功能特性和使用方法。 2、写出实验报告,内容是： （1）实验目的。 （2）写出详细的实验步骤、记录实验数据及校验结果。 （3）其他值得讨论的问题。
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。
实验数据处理的几种方法 物理实验中测量得到的许多数据需要处理后才能表示测量的最终结果。对实验数据进行记录、整理、计算、分析、拟合等，从中获得实验结果和寻找物理量变化规律或经验公式的过程就是数据处理。它是实验方法的一个重要组成部分，是实验课的基本训练内容。本章主要介绍列表法、作图法、图解法、逐差法和最小二乘法。 1.4.1 列表法 列表法就是将一组实验数据和计算的中间数据依据一定的形式和顺序列成表格。列表法可以简单明确地表示出物理量之间的对应关系，便于分析和发现资料的规律性，也有助于检查和发现实验中的问题，这就是列表法的优点。设计记录表格时要做到：（1）表格设计要合理，以利于记录、检查、运算和分析。 （2）表格中涉及的各物理量，其符号、单位及量值的数量级均要表示清楚。但不要把单位写在数字后。 （3）表中数据要正确反映测量结果的有效数字和不确定度。列入表中的除原始数据外，计算过程中的一些中间结果和最后结果也可以列入表中。 （4）表格要加上必要的说明。实验室所给的数据或查得的单项数据应列在表格的上部，说明写在表格的下部。 1.4.2 作图法 作图法是在坐标纸上用图线表示物理量之间的关系，揭示物理量之间的联系。作图法既有简明、形象、直观、便于比较研究实验结果等优点，它是一种最常用的数据处理方法。 作图法的基本规则是： （1）根据函数关系选择适当的坐标纸（如直角坐标纸，单对数坐标纸，双对数坐标纸，极坐标纸等）和比例，画出坐标轴，标明物理量符号、单位和刻度值，并写明测试条件。 （2）坐标的原点不一定是变量的零点，可根据测试范围加以选择。，坐标分格最好使最低数字的一个单位可靠数与坐标最小分度相当。纵横坐标比例要恰当，以使图线居中。 （3）描点和连线。根据测量数据，用直尺和笔尖使其函数对应的实验点准确地落在相应的位置。一张图纸上画上几条实验曲线时，每条图线应用不同的标记如“+”、“×”、“·”、“Δ”等符号标出，以免混淆。连线时，要顾及到数据点，使曲线呈光滑曲线（含直线），并使数据点均匀分布在曲线（直线）的两侧，且尽量贴近曲线。个别偏离过大的点要重新审核，属过失误差的应剔去。 （4）标明图名，即做好实验图线后，应在图纸下方或空白的明显位置处，写上图的名称、作者和作图日期，有时还要附上简单的说明，如实验条件等，使读者一目了然。作图时，一般将纵轴代表的物理量写在前面，横轴代表的物理量写在后面，中间用“～”
实验3 存储器实验 预习实验报告 疑问： 1、数据通路是干嘛的？ 2、数据通路如何实现其功能？ 3、实验书上的存储器部分总线开关接在高电平上，是不是错了？ 实验报告 一、波形图： 参数设置： Endtime:2.0us Gridsize:100.0ns 信号设置： clk：时钟信号，设置周期为100ns占空比为50%。 bus_sel: sw|r4|r5|alu|pc_bus的组合，分别代表的是总线（sw_bus）开关,将 存储器r4的数据显示到总线上，将存储器r5的数据显示到总线上， 将alu的运算结果显示到总线上，将pc的数据打入AR中二进制 输入，低电平有效。 alu_sel:m|cn|s[3..0]的组合，代表运算器的运算符号选择，二进制输入，高 电平有效。 ld_reg:lddr1|lddr2|ldr4|ldr5|ld_ar的组合，分别表示将总线数据载入寄存器 r1,r2,r4, r5或AR中，二进制输入，高电平有效。 pc_sel: pc_clr|ld|en的组合，分别代表地址计数器PC的清零（pc_clr）、装 载（pc_ld）和计数使能信号（pc_en），二进制输入，低电平有效。we_rd:信号we和rd的组合，分别代表对ram的读(we)与写(rd)的操作， 二进制输入，高电平有效 k：k [7]~ k [0]，数据输入端信号，十六进制输入。 d: d[7]~d[0]，数据输出中间信号，十六进制双向信号。 d~result: d [7] result ~d[0] result，最终的数据输出信号，十六进制输出。ar: ar[7]~ ar[0]，地址寄存器AR的输出结果，十六进制输出。 pc: pc [7]~ pc [0]，地址计数器PC的输出结果，十六进制输出。 仿真波形
讲座 实验误差及数据处理 教学要求 1、了解实验误差及其表示方法； 2、掌握了解有效数字的概念，熟悉其运算规则； 3、初步掌握实验数据处理的方法。 重点及难点 重点：实验误差及其表示方法；有效数字；实验数据处理。 难点：有效数字运算规则；实验数据的作图法处理。 教学方法与手段 讲授，ppt演示。 教学时数 4学时 教学内容 引言 化学实验中经常使用仪器对一些物理量进行测量，从而对系统中的某些化学性质和物理性质作出定量描述，以发现事物的客观规律。但实践证明，任何测量的结果都只能是相对准确，或者说是存在某种程度上的不可靠性，这种不可靠性被称为实验误差。产生这种误差的原因，是因为测量仪器、方法、实验条件以及实验者本人不可避免地存在一定局限性。 对于不可避免的实验误差，实验者必须了解其产生的原因、性质及有关规律，从而在实验中设法控制和减小误差，并对测量的结果进行适当处理，以达到可以接受的程度。 一、误差及其表示方法 1.准确度和误差 ⑴准确度和误差的定义 准确度是指某一测定值与“真实值”接近的程度。一般以误差E表示， E＝测定值－真实值 当测定值大于真实值，E为正值，说明测定结果偏高；反之，E为负值，说明测定结果偏低。误差愈大，准确度就愈差。 实际上绝对准确的实验结果是无法得到的。化学研究中所谓真实值是指由有经验的研究人员同可靠的测定方法进行多次平行测定得到的平均值。以此作为真实值，或者以公认的手册上的数据作为真实值。 ⑵绝对误差和相对误差 误差可以用绝对误差和相对误差来表示。 绝对误差表示实验测定值与真实值之差。它具有与测定值相同的量纲。如克、毫升、百分数等。例如，对于质量为0.1000g的某一物体。在分析天平上称得其质量为0.1001g，则称量的绝对误差为+0.0001g。 只用绝对误差不能说明测量结果与真实值接近的程度。分析误差时，除要去
实验三数据通路组成实验 一、实验目的 1.进一步熟悉计算机的数据通路。 2.将双端口通用寄存器堆和双端口存储器模块连接，构成新的数据通路。 3.掌握数字逻辑电路中的一般规律，以及排除故障的一般原则和方法。 4.锻炼分析问题和解决问题的能力，在出现故障的情况下，独立分析故障现象，并 排除故障。 二、实验电路 图3.3 数据通路实验电路图 数据通路实验电路图如图3.3所示。它是将双端口存储器模块和双端口通用寄存器堆模块连接在一起形成的。存储器的指令端口(右端口)不参与本次实验。通用寄存器堆连接运算器模块，本次实验涉及其中的DR1。 由于双端口存储器是三态输出，因而可以直接连接到DBUS上。此外，DBUS还连接着通用寄存器堆。这样，写入存储器的数据由通用寄存器提供，从RAM中读出的数据也可以放到通用寄存器堆中保存。 本实验的各模块在以前的实验中都已介绍，请参阅前面相关章节。注意实验中的控制信号与模拟它们的二进制开关的连接。 三、实验设备 1.TEC-5计算机组成原理实验系统1台
2.逻辑测试笔一支（在TEC-5实验台上） 3.双踪示波器一台（公用） 4.万用表一只（公用） 四、故障的分析与排除 数字电路中难免要出现这样或那样的故障。有了故障迅速加以诊断并排除，使电路能正常运行，这是实际工作中经常遇到的事。因此，学会分析电路故障，提高排除故障的能力，是很有必要的。 就数字电路的故障性质而言，大体有两大类：一类是设计中的错误或不当造成的故障；另一类是元件损坏或性能不良造成的。 1.设计错误造成的故障 常见的设计错误有逻辑设计错误和布线错误。 对于布线错误，只要能仔细的进行检查就可以排除。要较快的判断出布线错误的位置，可以通过对某个预知特性点的观察检测出来。例如，该点的信号不是预期的特性，则可以往前一级查找。常见的布线错误是漏线和布错线。漏线的情况往往是输入端未连线或浮空。浮空输入可用三状态逻辑测试笔或电压表检测出来。 对于设计错误，需要在设计中加以留心和克服。首先要遵循的一个原则是：为使系统可靠的工作，从系统的初始状态开始，应该把线路置于信号的稳定电平上，而不是置于信号的前沿或后沿；其次没有出口的悬空状态是不允许存在的；另外设计中应当避免静态和动态的竞争冒险；最后，为便于维修，设计中应考虑把系统设计成具有单步工作的能力。 常见的设计错误包括对于中小规模集成电路中不用的输入端的接法。对一个不用的输入端常忘了接，因而输入端相当于接了有效的逻辑“1”电平。建议将所有不用的“与”门输入端统一接到一个逻辑“1”电平上，将所有不用的“或”门输入端统一接到一个逻辑“0”电平上。计数器不计数和寄存器不寄存信息的问题常常就是由不用的输入端进来的干扰信号引起的。 2.元件损坏造成的故障 一个数字系统，即使逻辑设计和布线都正确无误，但如果使用的元件损坏或性能不良，也会造成系统的故障。这种故障只要更换元件，就能恢复正常运行。除了元件损坏或性能不良之外，数字系统的故障还可能由于虚焊、噪声等原因造成。许多最初是间歇性故障，但最终还是会变成固定性故障。这种故障不是固定的逻辑高电平，就是固定的逻辑低电平，所以通常称之为“逻辑故障”。 实验逻辑测试笔和逻辑脉冲笔（逻辑脉冲产生器）可以方便地查找数字电路中的逻辑故障。一种方法是先使用逻辑测试笔检测关键信号（如时钟、启动、移位、复位等）丢失的地方，这样就把故障隔离到一个小范围内。有了故障的大概范围以后，去掉内部时钟脉冲，改用逻辑脉冲笔向特定的电路节点施加激励信号，观察输出端的状态。有了提供激励的逻辑脉冲笔和响应激励的逻辑测试笔，可以很容易地检查被怀疑的器件的真值表，从而探查出故障地点。 另一种寻找故障的方法，是预先隔离故障。进行的方法如下：从电路始端送入脉冲，在终端检测响应。如果信号未能正确送达，就对每一串电路用同样的方法检查。反复进行，就能将故障点隔离出来。 五、实验任务 1.将实验电路与控制台的有关信号进行连接。 2.用8位数据开关SW7-SW0向RF中的四个通用寄存器分别置入以下数据：R0＝0FH、 R1＝0F0H、R2＝55H、R3＝0AAH。 3.用8位数据开关向AR送入地址0FH，然后将R0中的数据0FH写入双端口存储器
实验三数据通路(总线)实验 一、实验目的 （1）将双端口通用寄存器堆和双端口存储器模块联机； （2）进一步熟悉计算机的数据通路； （3）掌握数字逻辑电路中故障的一般规律，以及排除故障的一般原则和方法； （4）锻炼分析问题与解决问题的能力，在出现故障的情况下，独立分析故障现象，并排除故障。 二、实验电路 图8示出了数据通路实验电路图，它是将双端口存储器实验模块和一个双端口通用寄存器堆模块（RF）连接在一起形成的。双端口存储器的指令端口不参与本次实验。通用寄存器堆连接运算器模块，本实验涉及其中的操作数寄存器DR2。 由于双端口存储器RAM是三态输出，因而可以将它直接连接到数据总线DBUS上。此外，DBUS上还连接着双端口通用寄存器堆。这样，写入存储器的数据可由通用寄存器提供，而从存储器RAM读出的数据也可送到通用寄存器堆保存。 双端口存储器RAM已在存储器原理实验中做过介绍，DR2运算器实验中使用过。通用寄存器堆RF（U32）由一个ISP1016实现，功能上与两个4位的 MC14580并联构成的寄存器堆类似。RF内含四个8位的通用寄存器R0、RI、R2、R3，带有一个写入端口和两个输出端口，从而可以同时写入一路数据，读出两路数据。写入端口取名为WR端口，连接一个8位的暂存寄存器（U14）ER，这是一个74HC374。输出端口取名为RS端口（B端口）、RD端口（A端口），连接运算器模块的两个操作数寄存器DR1、DR2。RS端口（B端口）的数据输出还可通过一个8位的三态门RS0（U15）直接向DBUS输出。 双端口通用寄存器堆模块的控制信号中，RS1、RS0用于选择从RS端口（B 端口）读出的通用寄存器，RD1、RD0用于选择从RD端口（A端口）读出的通用寄存器。而WR1、WR0则用于选择从WR端口写入的通用寄存器。WRD是写入控制信号，当WRD=1时，在T2上升沿的时刻，将暂存寄存器ER中的数据写入通用寄存器堆中由WR1、WR0选中的寄存器；当WRD=0时，ER中的数据不写入通用寄存器中。LDER信号控制ER从DBUS写入数据，当LDER=1时，在T4的上升沿，DBUS上的数据写入ER。RS_BUS#信号则控制RS端口到DBUS的输出三态门，是一个低电平有效信号。以上控制信号各自连接一个二进制开关K0—Kl5。
班级：计算机科学与技术3班 学号：20090810310 姓名：康小雪 日期：2011-10-14 实验3 存储器实验 预习实验报告 疑问： 1、数据通路是干嘛的？ 2、数据通路如何实现其功能？ 3、实验书上的存储器部分总线开关接在高电平上，是不是错了？ 实验报告 一、波形图： 参数设置： Endtime:2.0us Gridsize:100.0ns 信号设置： clk：时钟信号，设置周期为100ns占空比为50%。 bus_sel: sw|r4|r5|alu|pc_bus的组合，分别代表的是总线（sw_bus）开关,将 存储器r4的数据显示到总线上，将存储器r5的数据显示到总线上， 将alu的运算结果显示到总线上，将pc的数据打入AR中二进制 输入，低电平有效。 alu_sel:m|cn|s[3..0]的组合，代表运算器的运算符号选择，二进制输入，高 电平有效。 ld_reg:lddr1|lddr2|ldr4|ldr5|ld_ar的组合，分别表示将总线数据载入寄存器 r1,r2,r4, r5或AR中，二进制输入，高电平有效。 pc_sel: pc_clr|ld|en的组合，分别代表地址计数器PC的清零（pc_clr）、装 载（pc_ld）和计数使能信号（pc_en），二进制输入，低电平有效。we_rd:信号we和rd的组合，分别代表对ram的读(we)与写(rd)的操作， 二进制输入，高电平有效 k：k [7]~ k [0]，数据输入端信号，十六进制输入。 d: d[7]~d[0]，数据输出中间信号，十六进制双向信号。 d~result: d [7] result ~d[0] result，最终的数据输出信号，十六进制输出。ar: ar[7]~ ar[0]，地址寄存器AR的输出结果，十六进制输出。 pc: pc [7]~ pc [0]，地址计数器PC的输出结果，十六进制输出。 仿真波形
实验数据处理基本方法 实验必须采集大量数据，数据处理是指从获得数据开始到得出最后结论的整个加工过程，它包括数据记录、整理、计算与分析等，从而寻找出测量对象的内在规律，正确地给出实验结果。因此，数据处理是实验工作不可缺少的一部分。数据处理涉及的内容很多，这里只介绍常用的四种方法。 1 列表法 对一个物理量进行多次测量，或者测量几个量之间的函数关系，往往借助于列表法把实验数据列成表格。其优点是，使大量数据表达清晰醒目，条理化，易于检查数据和发现问题，避免差错，同时有助于反映出物理量之间的对应关系。所以，设计一个简明醒目、合理美观的数据表格，是每一个同学都要掌握的基本技能。 列表没有统一的格式，但所设计的表格要能充分反映上述优点，应注意以下几点： 1．各栏目均应注明所记录的物理量的名称(符号)和单位； 2．栏目的顺序应充分注意数据间的联系和计算顺序，力求简明、齐全、有条理； 3．表中的原始测量数据应正确反映有效数字，数据不应随便涂改，确实要修改数据时，应将原来数据画条杠以备随时查验； 4．对于函数关系的数据表格，应按自变量由小到大或由大到小的顺序排列，以便于判断和处理。 2 图解法 图线能够明显地表示出实验数据间的关系，并且通过它可以找出两个量之间的数学关系，因此图解法是实验数据处理的重要方法之一。图解法处理数据，首先要画出合乎规范的图线，其要点如下： 1.选择图纸 作图纸有直角坐标纸(即毫米方格纸)、对数坐标纸和极坐标纸等，根据作图需要选择。在物理实验中比较常用的是毫米方格纸，其规格多为cm 2517?。 2.曲线改直 由于直线最易描绘,且直线方程的两个参数(斜率和截距)也较易算得。所以对于两个变量之间的函数关系是非线性的情形，在用图解法时应尽可能通过变量代换将非线性的函数曲线转变为线性函数的直线。下面为几种常用的变换方法。 (1)c xy =(c 为常数)。令x z 1 = ，则cz y =，即y 与z 为线性关系。 (2)y c x =(c 为常数)。令2x z =，则z c y 21 =，即y 与z 为线性关系。 (3)b ax y =(a 和b 为常数)。等式两边取对数得，x b a y lg lg lg +=。于是，y lg 与x lg 为线性关系，b 为斜率，a lg 为截距。 (4)bx ae y =(a 和b 为常数)。等式两边取自然对数得，bx a y +=ln ln 。于是，y ln 与 x 为线性关系，b 为斜率，a ln 为截距。
计算机组成原理实验报告数据通路实验 学生院系：计算机科学与技术0907班 学生姓名：刘珂男 学生学号：U200915075
一、实验目的 1、由运算器实验与存储器实验原理的基础上，掌握组成计算机的数据通路，熟悉地址和数据在道路上的传输。 2、要求运算结果能够回写到存储器里存储并读出显示。 3、了解怎样将运算器和存储器两个模块连接起来。 4、地址设计为4位，数据设计为8位。 5、能够对运算的结果进行一位或多位移位处理，并再次参加运算 二．实验设备及器件 JZYL—Ⅱ型计算机组成原理教学实验仪一台； 芯片：74LSl81：运算器芯片2片 74LS373：八D锁存器3~4片 74LS244：数据开关2片 74LSl61：同步4位计数器1片 6116存储器或2114存储器1~2片 三、实验任务 自己设计一个电路和利用实验参考电路进行实验，实验要求先将多个运算数据事先存入存储器中，再由地址选中，选择不同的运算指令，进行运算，并将结果显示，还可以进行连续运算和移位，最后将最终结果回写入存储器中。
复习前两个实验电路中各个信号的含义和作用，重点是运算与存储器之间的数据通路。 四．实验电路 1.自己设计电路：可以自由设计，位数任意。 2.给出的参考电路：(按8位设计)数据通路参考电路分别如图 3.13和3.15所示。 五．实验要求及步骤 1、实验前的准备 1)复习有关运算器和存储器的内容：复习《计算机组成原理》中有关数据通路的章节内容。对数据通路的构成、数据在数据通路中的流动及控制方法有基本的了解。 2)熟悉电路中各部分的关系及信号间的逻辑关系 3)参考芯片手册，自己设计实验电路，画出芯片间管脚的连线图，标上引脚号，节省实验的时间。 4)对所设计的电路进行检查，重点是检查能否控制数据在电路中不同部件之间的传输。 2、实验步骤 实验可按照自己设计的电路或参考电路按照搭积木的方式进行。先完成运算器的数据通路部分，在运算器部分能够正确完成各类运算的基础上，再增加存储器通路，并能通过带三态控制的数据开关，存入要用的初始数据。最终的结果能够在指示灯上显示，并再回写入存储器中。再通过地址计数器，选择结果地址输出。 3、实验报告要求
“计算机组成原理” 实验指导书 杨伟丰编写 2014年12月
实验一算术逻辑运算实验 一、实验目的 1、掌握简单运算器的组成以及数据传送通路。 2、验证运算功能发生器（74LS181）的组合功能。 二、实验内容 运用算术逻辑运算器进行算术运算和逻辑运算。 三、实验仪器 1、ZY15Comp12BB计算机组成原理教学实验箱一台 2、排线若干 四、实验原理 实验中所用的运算器数据通路如图1-1所示。其中运算器由两片74LS181以并/串形式构成8位字长的ALU。运算器的两个数据输入端分别由两个锁存器（74LS273）锁存，锁存器的输入连至数据总线，数据输入开关（INPUT）用来给出参与运算的数据，并经过一三态门（74LS245）和数据总线相连。运算器的输出经过一个三态门（74LS245）和数据总线相连。数据显示灯已和数据总线（“DATA BUS”）相连，用来显示数据总线内容。 图1-l 运算器数据通路图
图1-2中已将实验需要连接的控制信号用箭头标明（其他实验相同，不再说明）。其中除T4为脉冲信号，其它均为电平控制信号。实验电路中的控制时序信号均已内部连至相应时序信号引出端，进行实验时，还需将S3、S2、S1、S0、Cn 、M 、LDDR1、LDDR2、ALU_G 、SW_G 各电平控制信号与“SWITCH ”单元中的二进制数据开关进行跳线连接,其中ALU_G 、SW_G 为低电平有效，LDDR1、LDDR2为高电平有效。按动微动开关PULSE ，即可获得实验所需的单脉冲。 五、实验步骤 l 、按图1-2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 图1-2 算术逻辑运算实验接线图 2、用INPUT UNIT 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CONTROL UNIT 的开关SP05打在“NORM ”状态，然后按下图所示步骤进行。 LDDR1=0LDDR2=1T4=LDDR1=1 LDDR2=0 T4= SW_G=0 上面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T4的正脉冲是通过按动一次CONTROL UNIT 的触动开关PULSE 来产生的。
数据通路实验 预习报告 1数据通路中运算器与存储器协调工作原理是什么？ 各个数据经过总线连接传输到运算器及存储器，并将运算结果通过数据通路传递到存储器，期间通过每个存储器及运算器的bus输出控制进行协调工作，使得数据不会在总线上冲突。 2、数据及地址在数据通路上传输方法。 通过不同数据控制信号进行传送。地址信号及数据信号存储地方不同而且控制信号要求不同，通过这样的方法使得总线上数据不会冲突从而达到地址和数据在数据通路上的传输。 3、数据通路中需要注意各种控制信号的作用和设定值，否则不能仿真出正确的波形。 思考题： 1、电路的初始状态怎么设置？有几个器件能够发送数据到总线， 它们的控制信号是什么？ （1）、令bus_sel全部为1，即令输出到总线的所有控制信号无效。 同时运算模块m|cn|s3|s2|s1|s0为000000，lddr信号都为无 效，k输入数据为0。 （2）、能够发送数据到总线的器件为PC，R4，R5，，74244，ALU运算单元，RAM存储器单元。其控制信号分别为PC_BUS，LDDR4， LDDR5，ALU_BUS，RD，WE。 2、画数据通路电路图时，如何连结单一总线？
只需将标号标志为相同引脚即可实验数据在总线上的传送。得到单一总线连接的数据通路电路图 3、如何统一两个模块的总线数据输入端k[7..0]及inputd[7..0]？Inputd[7..0]可以不使用，直接将运算模块数据连入到存储器模块的双向输入输出部分，即可将数据送入到存储模块。 实验日志 10月5日 问题：RAM模块sw_bus为什么没有连接输入端? 解决：发现RAM模块的sw_bus是控制inptud输出的信号线，不进行连接一样可以进行总线数据上的传送，其信号线不影响实验结果。10月9日 问题：为何资料上的波形图中ar地址显示与pc地址显示相差一个时间差？ 解决：通过分析数据通路的电路，发现pc的数据在更新时其之前的地址值已经传送到ar中，因此ar所得到的地址并非pc当时得到的。所以在我自己进行仿真的时候，将pc的新地址送入ar后，才将写信号改为有效，从而可以解决困惑。 10月12日 问题： 出现了d[7..0]与后面的数据输入不能运用总线的方法进行输入。解决：
运算器数据通路实验 设计报告 学号：姓名：成绩： 学号：姓名：成绩：
总线、半导体静态存储器实验 二、实验目的. 1．熟悉函数功能发生器的功能、使用方法。 2．熟悉运算器的数据传送通路。 3．完成几种算逻运算操作，加深对运算器工作原理的理解。 三、实验原理 运算器是计算机中对数据进行运算操作的重要部件，它的核心是ALU 函数功能发生器（由EPM7064S 构成），其次还要有存放操作数和运算的中间结果之寄存器以及传送数据的总线等部分。选用不同的控制信号，运算器可以完成不同的运算功能。 1．函数功能发生器(ALU)的功能。 该函数功能发生器(ALU)，当输入为Aj、Bj，对应输出为Fj(j=0,1,2,3,4,5,6,7)，它可实现8 种不同的算术运算和逻辑算，而且通过对控制参数SEL2～SEL0S0 来选择。 2．数据传送通路实验电路方案 实验方案框图见图2—5 所示。 图中SA、SB 为存放两个现行操作的缓冲寄存器，其中SA 兼作存放中间结果的累加器，并且可以通过SA 所连接的八个数据灯显示。SA、SB 接收来自总线的数据信息送入ALU 进行算术或逻辑操作。通过移位门将运算操作结果送到总线。并且ALU 和总线之间需用三态门隔离(采用74LS245)。
1．按照实验电路方案框图，设计一个能完成下列八种补码运算指令的八位运算器。该运算器实现的八种功能如表2—1 所示。 表2—1： 2.根据运算器设计，选择所需元器件，画出实验电路的详细逻辑图，对开关，单脉冲等定义。因为和上次实验类似，也是绝大多数的器件在“数据通路”中已安排好，只要控制各个控制点即可，除了开关组通过三态传输门(74LS245)的接法和实验一一样外，设置一个指令寄存器(IR)，用74LS573 担当IR。通过八根连接线和“数据通路”中的八位总线连接起来。存放ALU 的控制信息SEL2～SEL0。为了便于观察IR 中内容，可以在IR 的输出端同时接上三个电平显示灯。有的同学如用三个电平开关设置SEL2～SLE0。当然可以得出结果，但是由于IR 是一个不可缺少的计算机部件，为了达到完整熟悉计算机各组成部分的目的，这里专门设置了指令寄存器IR。 3．在电路上进行表2—1 所列的八种指令的手动操作，每次一条指令。实验时可由数据开关输入指令码及操作数，予以功能的验证。 4. 本实验应实现的操作 K→SA （开关输入的第一个操作数置入SA，LED 显示） K→SB （开关输入的第二个操作数置入SB，无显示） K→IR （开关输入的ALU 控制代码置入IR） ALU 运算结果通过ALU－244→SA（将运算结果送SA 显示） 具体实验过程（仅仅作为参考）如下： 1）从输入设备（八个钮子开关）置入第一个数据，74LS245 的E＝0，74LS573 的C 由“0”变为“1”（锁存）后再变为“0”（保持）；送入Sa（该寄存器接有LED 显示）； 2）从输入设备（八个钮子开关）置入第一个数据，74LS245 的E＝0，74LS573 的C 由“0”变为“1”（锁存）后再变为“0”（保持）；送入Sb（该寄存器没有接LED 显示）； 3）从输入设备（八个钮子开关）将需要进行运算操作（如加法操作）的控制代码（具体内容可见表3－4）置入到IR，74LS245 的E＝0，74LS573 的C 由“0”变为“1”（锁存）后再变为“0”（保持）； 4）控制接通ALU-244，使运算结果上总线； 5）将结果置入Sa，并通过所接的LED 将结果显示出来。 五、测试结果与性能分析 1、测试结果： 1）数据A准备→三态门①打开→给寄存器Sa脉冲→数据进入Sa； 数据B准备→给寄存器Sb脉冲→数据进入Sb；
计算机组成原理课程实验报告 9.5 数据通路实验 姓名：曾国江 学号： 系别：计算机工程学院 班级：网络工程1班 指导老师： 完成时间： 评语： 得分：
一、实验类型 本实验类型为验证型+分析型+设计型 二、实验目的 1.进一步熟悉计算机的数据通路 2.将双端口通用寄存器堆和双端口存储器模块连接,构成新的数据通路. 3.掌握数字逻辑电路中的一般规律,以及排除故障的一般原则和方法. 4.锻炼分析问题和解决问题的能力,在出现故障的情况下,独立分析故障现象,并排除故障. 三、实验设备 1、TEC-5实验系统一台 2、双踪示波器一台 3、逻辑测试笔一支 四、实验电路
数据通路实验电路图如图9.7所示。它是将双端口存储器模块和双端口通用寄存器堆模块连接在一起形成的。存储器的指令端口(右端口)不参与本次实验。通用寄存器堆连接运算器模块，本次实验涉及其中的DRl。 由于双端口存储器是三态输出，因而可以直接连接到DBUS上。此外，DBUS还连接着通用寄存器堆。这样，写入存储器的数据由通用寄存器提供，从RAM中读出的数据也可以放到通用寄存器堆中保存。 本实验的各模块在以前的实验中都已介绍，请参阅前面相关章节。注意实验中的控制信号与模拟它们的开关K0~K15的连接。 五、实验任务 1、将实验电路与控制台的有关信号进行连接。 2、用8位数据开关SW7-SW0向RF中的四个通用寄存器分别置入以下数据：RO=0FH，R1=0F0H，R2=55H，R3=0AAH。 3、用8位数据开关向AR送入地址0FH,然后将R0中的数据0FH写入双端口存储器中.用同样的方法,依次将R1,R2,R3中的数据分别置入RAM的0F0H,55H,0AAH单元. 4、分别将RAM的0AAH单元数据写入R0,55H单元数据写入R1,0F0H单元数据写入R2,0FH单元数据写入R3.然后将R0-R3中的数据读出,验证数据的正确性,并记录数据. 六、实验要求 1、做好实验预习，掌握实验电路的数据通路特点和通用寄存器堆的功能特性和使用方法。 2、写出实验报告，内容是： （1）实验目的。 （2）写出详细的实验步骤、记录实验数据及校验结果。 （3）其他值得讨论的问题。