实验五_指令部件模块实验
《数字逻辑与计算机组成》实验讲义-实验5
实验5：单周期处理器的控制器设计实验一、实验目的1、理解随机访问存储器RAM和只读存储器ROM的操作原理。
2、理解指令类型与指令格式之间的关系，掌握取指部件、指令解析和立即数扩展器的设计方法。
3、理解每条目标指令的功能和数据通路，掌握单周期处理器的控制器设计方法。
二、实验环境Logisim-ITA V2.16.1.0。
三、实验内容1、利用Logisim中的RAM组件进行数据读写操作实验。
Logisim中RAM的地址位宽最多可设置为24位，数据位宽最多可设置为32位。
在属性窗口的数据接口中有三种不同的工作模式。
若设置为“分离的加载和存储引脚”模式，则有两个数据端口分别连接输入数据和输出数据（如图1所示）；否则，使用同一数据端口连接数据总线。
注意：当设置数据位宽为32位时，采用按字编址方式（32位），而不是采用按字节编址方式。
图1 采用分离加载和存储模式的32位数据读取实验图实验要求RAM组件的地址位宽设置为12位，数据接口模式设置为分离的加载和存储引脚模式。
实验过程与验证步骤如下：（1）设置数据位宽为32位，即可访问空间大小为16KB；连接必要的输入输出信号并选择合适的控制信号；从0地址处开始顺序写入以下两个32位的十六进制数据：0x4E4A5543、0x53657200；然后再读出所存储的数据。
（2）设置数据位宽为8位，即可访问空间大小为4KB；将输出数据端口连接到如图2所示的文本终端TTY；从0地址开始顺序写入以下八个字节的十六进制数据：4E4A554353657200；然后按字节为单位读出并输出到文本终端TTY，观察显示的内容。
图2 采用分离加载和存储模式的8位数据读取实验图（3）Logisim中RAM和ROM组件的数据输入还可以采用Logisim十六进制编辑器和直接读取二进制编码文件的方法实现。
把鼠标移到存储器组件上，点击鼠标右键，则弹出菜单框（如图3所示），选中“编辑存储内容”，则打开Logisim十六进制编辑器（如图4所示），可按照存储器设置的数据位宽，直接使用键盘输入数据；输入数据后，可点击保存按钮，把输入的数据保存到数据镜像文件(image)中。
PLC实验讲义 5
PLC实验讲义 5plc实验讲义-5实验五常用功能指令实验一、实验目的1、掌握数据比较指令、数据传送指令、加法指令、减法指令的使用方法。
2、熟悉编译调试软件的使用。
二、实验器材1、pc机一台2、plc实验箱一台3、编程电缆一根三、实验内容1、传输指令指令符令：梯形图符令：mov_bmov_wmov_dw传输指令可以分成字节传输（mov_b）、字传输（mov_w）、双字传输（mov_dw）和实数传输指令。
在不能发生改变原值的情况下将in中的值传输至out中。
2、加法指令指令符令：add_iadd_di梯形图符令：3、减法指令指令符令：sub_isub_di梯形图符令：整数加法（add_i）或者整数减法（sub_i）指令，将两个16位整数相加或者相减，产生一个16位结果。
双整数乘法（add_di）或者双整数加法（sub_di）指令，将两个32十一位整数相乘或者相乘，产生一个32十一位结果。
加法减法in1+in2=outin1cin2=out4、比较指令字节比较指令：字比较指令：双字比较指令：比较指令用作比较两个数值：in1=in2in1>=in2in1<=in2in1>in2in1<in2in1<>in2字节（b）比较操作方式就是并无符号的。
整数（i）比较操作方式就是存有符号的。
双字（d）比较操作方式就是存有符号的。
当比较结果为真时，比较指令使能点闭合或者输出接通。
四、实验步骤1、实验前，先用下载电缆将pc机串口与s7-200-cpu224cn主机的port0端口连好，然后对实验箱通电，并打开电源开关。
主机指示灯亮，表示工作正常，可进入下一步实验。
2、步入编程调试环境，用指令符令或梯形图输出以下练程序。
3、根据程序，展开适当的连线。
（接线可以参看第一章中“输出/输入端口的采用方法”）4、浏览程序并运转，观测运转结果。
练习1、mov指令network1ldi0.0movb16#55,qb0network2ldi0.1movb16#aa,qb0network3ldi0.2movb16#a5,qb1network4ldi0.3movb16#5a,qb1练习2、加法指令network1ldi0.0movw16#0011,qw0+i16#0022,qw0network2ldi0.1movw16#1100,qw0+i16#2200,qw0练习3、减法指令network1ldi0.0movw16#0022,qw0-i16#0011,qw0network2ldi0.1movw16#2200,qw0-i16#1100,qw0练4、比较指令network1ldi0.0lpsab=6,5=q0.0lrdab<>6,5=q0.1lrdab>=6,5=q0.2lrdab<=6,5=q0.3lrdab>6,5=q0.4lppab<6,5=q0.5练5、按自已的见解修正练1――练4的程序中的指令，例如把字节指令改成字指令或双字指令，或者自已撰写另外的程序，观测运转结果。
计算机组成原理实验
二、通用寄存器单元实验
3.实验说明 (2)通用寄存器单元的工作原理
二、通用寄存器单元实验
3.实验说明 (2)通用寄存器单元的工作原理 通用寄存器单元的核心部件为2片GAL16V8，它 具有锁存、左移、右移、保存等功能。各个功能 都由X1、X2信号和工作脉冲RACK来决定。当置 ERA=0、X0=1、X1=1，RACK有上升沿时，把总线上 的数据打入通用寄存器。可通过设置X0、X1来指 定通用寄存器工作方式，通用寄存器的输出端Q0-Q7接入判零电路。LED(ZD)亮时，表示当前通用 寄存器内数据为0。
A+B
CN=0，M=0 A+1 (A+B)+1
(A+B) + 1
0
0
AB
B A⊕B A B A +B A⊕B
A+AB (A+B)+AB
A-B-1
AB- 1
A+AB+ 1 (A + B )+ A B +1
A-B
A B
A+AB A+B AB-1 A+A (A+B)+A
(A+B)+A
(A+B)+AB
A+AB+1 A+B+1
一、算术逻辑运算单元实验
4.实验步骤 (2)不带进位位加法 74LS181的M=0，CN=1，S3S2S1S0=1110，则 74LS181工作在无进位位加法运算状态，运算为 F=A加B 本实验中，A=33H，B=55H 应得结果为：F=33H加55H=88H LED显示结果：88H 结果正确？
一、算术逻辑运算单元实验
一、算术逻辑运算单元实验
指令寄存器实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 理解指令寄存器（Instruction Register, IR）在CPU中的作用和工作原理。
2. 掌握指令寄存器在指令执行过程中的数据流动和状态变化。
3. 通过实验加深对CPU工作流程的理解，提高对计算机硬件的认识。
二、实验原理指令寄存器是CPU中用于存放当前正在执行的指令的寄存器。
在指令执行过程中，CPU从内存中取出指令并存放到指令寄存器中，然后对指令进行解码和执行。
指令寄存器的主要功能如下：1. 存储指令：CPU从内存中读取指令并存放到指令寄存器中。
2. 指令解码：控制器分析指令寄存器中的指令，提取操作码和操作数地址。
3. 控制信号生成：根据操作码确定指令类型和操作，生成相应的控制信号。
4. 状态更新：执行指令后，更新状态寄存器中的标志位，反映运算结果的状态。
三、实验仪器与设备1. 单片机实验平台2. 示波器3. 编程软件4. 逻辑分析仪5. 信号发生器四、实验步骤1. 搭建实验环境：根据实验要求搭建单片机实验平台，连接示波器、逻辑分析仪等设备。
2. 编写程序：使用编程软件编写实验程序，实现指令寄存器的相关功能。
3. 程序下载：将编写好的程序下载到单片机中。
4. 调试程序：使用示波器、逻辑分析仪等设备对程序进行调试，观察指令寄存器在指令执行过程中的状态变化。
5. 分析实验结果：根据实验数据，分析指令寄存器在指令执行过程中的工作原理和功能。
五、实验结果与分析1. 指令存储：在实验过程中，通过编程将指令存储到指令寄存器中。
实验结果显示，指令被正确地存放到指令寄存器中。
2. 指令解码：在实验过程中，通过逻辑分析仪观察指令寄存器中的指令，发现控制器能够正确地提取操作码和操作数地址。
3. 控制信号生成：在实验过程中，通过示波器观察控制信号，发现控制器能够根据操作码生成相应的控制信号。
4. 状态更新：在实验过程中，通过逻辑分析仪观察状态寄存器中的标志位，发现执行指令后，标志位能够正确地反映运算结果的状态。
计组实验报 微程序控制单元实验、指令部件模块实验、时序及启停实验
按照实验步骤完成实验项目，熟悉微程序的编制、写入、观察运行状态。
三、实验原理
图 3-1-1 微控制器原理
1.微程序控制电路
微程序控制器的组成见图 3-1-1，其中控制存储器采用 4 片 6116 静态存储器，微命令寄存 器 32 位，用三片 8D 触发器（273）和一片 4D（175）触发器组成。微地址寄存器 6 位，用三片 正沿触发的双 D 触发器（74）组成，他们带有清零端和指数端。再不判别测试的状态下，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 时刻进行测试判断时，转移逻辑满足
条件后输出的负脉冲通过置位端将某一触发器输出端置为“1”状态，完成地址修改。 2.微指令格式 表 3-1-1
M25 M24 M23 M22
M21 中断 M19 M18 M17
பைடு நூலகம்
M16
C
B
A
AR 保留位 PX3 A9
A8
CE LOAD
M15 M14 M13 M12 M11 M10
M9
M8
M7
M6
CN
M
元的内容）光标闪动至第 7 位
55
C n 0 0 0 0 5 5 按 55 键，将内容写入 00 区域 00H 单元
【增值】 C n 0 0 0 1 X X 按【增值】命令键，读出 00 区域的下一个单元 01H，
光标重新移至第 7 位
AA
C n 0 0 0 1 A A 按【AA】键，将内容写入 00 区域 01H 单元
信息学院
《计算机组成原理》 实验报告
姓名 学号 班级 年级 指导教师
实验名称 微程序控制单元实验、指令部件模块实验、时序与启停实验 实验室 实验楼 418 实验日期 2012-12-12、2012-12-14、2012-12-19
指令部件模块实验报告总结
指令部件模块实验报告总结一、实验目的本次实验的主要目的是了解指令部件模块的工作原理和设计方法，掌握指令部件模块的基本功能和操作流程，以及学习如何使用Verilog HDL语言进行指令部件模块的设计和仿真。
二、实验原理指令部件模块是计算机中最重要的模块之一，它负责执行CPU中所有指令的操作。
在现代计算机中，通常采用微程序控制器来实现指令部件模块。
微程序控制器是一种存储程序控制方式，它将CPU中所有可能执行的操作都编码成一系列微操作，并将这些微操作存储在一个ROM中。
当CPU需要执行某个指令时，微程序控制器会根据该指令所对应的微程序地址从ROM中读取相应的微操作，并将其送入CPU 中。
三、实验内容本次实验主要分为以下几个步骤：1. 设计ALU模块：ALU（算术逻辑单元）是指令部件模块中最重要的组成部分之一，它负责执行所有与算术和逻辑相关的操作。
在本次实验中，我们需要使用Verilog HDL语言设计一个ALU模块，并对其进行仿真验证。
2. 设计微程序控制器模块：微程序控制器是指令部件模块中最核心的组成部分，它负责执行所有CPU指令的操作。
在本次实验中，我们需要使用Verilog HDL语言设计一个微程序控制器模块，并对其进行仿真验证。
3. 设计指令译码器模块：指令译码器是指令部件模块中的一个重要组成部分，它负责将CPU中的二进制指令转换为相应的微程序地址。
在本次实验中，我们需要使用Verilog HDL语言设计一个指令译码器模块，并对其进行仿真验证。
4. 整合各模块并进行系统仿真：在完成以上三个步骤后，我们需要将ALU、微程序控制器和指令译码器三个模块整合起来，并进行系统级别的仿真测试。
四、实验结果经过多次实验测试和优化，我们最终成功地设计出了一个完整的指令部件模块，并对其进行了系统级别的仿真测试。
在测试过程中，我们发现该指令部件模块具有以下几个显著特点：1. 高效性能：该指令部件模块采用了高效的微程序控制方式，在执行各种CPU指令时具有极高的执行效率和速度。
PLC实验内容实验三、四、五
实验三四节传送带模拟实验一、实验目的1、熟悉和掌握SET（置位）、RST（复位）的使用方法。
2、复习定时器/计数器指令的使用方法。
二、实验器材1、ZY17PLC12BC型可编程控制器实验箱 1台2、PC机或FX-20P-E编程器 1台3、编程电缆 1根4、连接导线若干三、实验原理（1）SET指令中，X0一接通，Y0马上接通，即使X0再变成断开，Y0也保持接通。
（2）RST指令中，X1接通后，Y0马上断开，即使X1再变成断开，Y0也将保持断开。
对于M、S也是同样。
（3）对同一元件可以多次使用SET、RST指令，顺序可任意，但在最后执行的一条才有效。
（4）如果要使数据寄存器D，变址寄存器V、Z的内容清零，也可用RST指令（用常数为K0的传送指令也可得到同样的结果）。
说明：（1）使用PLS指令，元件Y、M仅在驱动输入接通后的一个扫描周期内动作（置1）。
（2）使用PLF指令，元件Y、M仅在驱动输入断开后的一个扫描周期内动作（置1）。
（3）特殊继电器不能用作PLS或PLF的操作元件。
（4）在驱动输入接通时，PLC由运行→停机→运行，此时PLS M0动作，但PLS M600（断电时由电池作后备的辅助继电器）不动作。
这是因为M600是保持继电器，即使在断电停机时也能保持。
3、控制要求本实验利用PLC控制四节传送带的运行。
传送系统由四条传送带构成，YM1，YM2，YM3，YM4分别模拟传送带1，传送带2，传送带3，传送带4并由四台电动机带动，控制要求如下：（1）给一个“启动”脉冲，起动最末一条传送带（即第4条传送带），依次延时5秒，起动其它传送带。
（2）给一个“停止”脉冲，停止最前一条传送带（即第1条传送带），依次延时5秒，停止其它传送带。
（3）若某条发生故障，“传送带N故障”有输入信号，则该传送带及其前面的传送带立即停止，以后的传送带依次延时5秒停止。
例如YM2故障，YM1，YM2立即停止，延时5秒后，YM3停，再延时5秒，YM4停。
基本指令实训考核模块使用举例
基本指令实训考核模块使用指南实训项目：星三角降压启动控制；指示灯闪烁控制；SET、RST、PLS、PLF、MC、MCR等基本指令控制流水灯工作；数码管显示0-9（时序图编程方法实训）；交通灯模拟控制（时序图编程方法实训）；交通灯模拟控制（并行序列状态转移图编程方法实训）星三角降压启动控制实验一、实验目的熟悉使用三菱FX系列的定时器编程，通过对实例的模拟，熟练地掌握PLC基本指令的使用和程序调试。
二、实验模块1.基本指令实训模块2.计算机一台(或与FX0N系列PLC相配套的手持编程器一个)3.PC/PLC编程数据线一根4.实验导线若干三、接线1、与三菱FX系列PLC相连：2、与单片机PLC实训板相连：四、实验要求本实验要求用三个指示灯模拟KM1、KM2、KM3完成下面控制电路的控制功能：在电机启动时将电机接成星型接线，当电机启动成功后延时8秒再将电机改接成三角型接线。
五、实验过程1、按上面接线图正确连线。
2、编写合适的控制程序，并输入电脑再仿真调试。
3、把PLC程序由计算机下载到PLC主机中（注意：此过程中必须使PLC主机处于STOP 状态）；4、把PLC主机置于RUN状态，按下基本指令实训模块中的启动（S1）按钮，观察指示灯的工作是否达到所要求的控制功能。
如没有达到则修改程序。
六、注意事项：1、+24V电源两根线一定不能接反，否则必烧实训模块中的L7805。
如不幸接反，更换L7805即可！2、按钮公共端（COM）与其它公共端（COM）是不相通的。
七、思考题试着将自动星三角切换改成手动切换。
八、实验示例程序流水灯控制实验一、实验目的熟悉三菱FX系列PLC的定时器的使用，学习置位复位指令（SET、RST）、脉冲输出指令(PLS、PLF)、主控指令(MC、MCR)的使用，通过对实例的模拟，熟练地掌握PLC基本指令的使用和程序调试。
二、实验模块1.基本指令实训模块2.计算机一台(或与FX0N系列PLC相配套的手持编程器一个)3.PC/PLC编程数据线一根4.实验导线若干三、接线1、与三菱FX系列PLC相连：3、与单片机PLC学习板相连：四、实验要求按下启动按钮，模块中的L7常亮，L1和L4、L2和L5、L3和L6按顺时针方向轮流亮1秒，循环不断；按下切换按钮，L1和L4、L2和L5、L3和L6按逆时针方向轮流亮1秒，循环不断；再按下切换按钮又改变方向，直到按下停止按钮。
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实验五指令部件模块实验
一、实验目的
⒈掌握指令部件IU（PC，IR，ID）的组成方式。
⒉熟悉指令操作码产生微程序入口地址的工作过程。
二、实验要求
按照实验步骤完成实验项目，完成将数据打入IR寄存器的数据打入PC指针式寄存器，PC指针自动加1。
三、指令部件模块的构成
⑴如图4-1所示，2片74LS163连接成8位PC程序计数器，其输出端经三态门（245）与8位输入端共用8芯扁平线与BUS总线接口相连接。
图4-1程序计数器PC（IP）单元
2片74LS163组成了PC程序计数器，它有LDPC、LOAD信号，脉冲T3来控制PC 指针的装载和加1操作。
在“L”状态下，由8位置数开关装入起始地址，当LOAD=1、LDPC=1时，按【单步】命令键，在T3上升沿把数据开关的内容装入PC。
当CBA=001、LOAD=0、LDPC=1、LDAR=1时，按【单步】命令键，在单周期四节拍时序的T2时刻打开PC-B三态门，在T3时刻PC值通过总线打入地址寄存器、同时PC值加1。
⑵如图4-2所示，1片74LS273作为指令寄存器单元，其8位输入端与BUS总线之间实验装置已作连接，其输出端用一8芯扁平线与SE5~SE0接口连接。
图4-2指令寄存器单元
指令数据寄存器IR(74LS273)的LDIR为电平正跳变时，把来自数据总线的数据打入寄存器IR，IR的输出就作为本系统内的8位指令I7~I0。
在本系统内由这8位指令（可最多译码256条不同的指令），通过编码可对应这些指令在微程序存储器中的入口地址，并且输出相应的微控制指令。
⑶1片74LS74用来实现多种条件的跳转指令（JZ、JC等跳转指令）。
图4-3A CY、零标志锁存原理图
74LS74芯片是双D触发器，其中一组是锁存进位位CY标志，另一组是锁存零标志(Z)可通过AR来控制JC和JZ建立，以实现条件跳转的指令。
⑷1片74LS74用来实现开中断、关中断、中断服务。
图4-3B中断控制电路图
74LS74芯片是双D触发器，其中一组锁存开中断标志，另一组锁存中断服务标志，通过LOAD来控制EA、ED的建立，以实现中断响应与中断服务。
四、实验连接
图 4-4 实验连线示意图
按图4-4所示，连接实验电路：
① 总线接口连接：用8芯扁平线连接图8-4中所有标明“”或“”图案的总线接口。
② 控制线与时钟信号“
”连接：用双头实验导线连接图8-4中所有标明“”或“”图案的插孔（注：Dais-CMH 的时钟信号已作内部连接）。
五、实验内容
在闪动的“P.”状态下按动【增址】命令键 ，使LED 显示器自左向右第4位显示提示符“L ”，表示本装置已进入手动单元实验状态。
（一）程序计数器（PC 值）的置数、输出与加1
⑴ PC 值的写入
拨动二进制数据开关向程序计数单元置数（置数灯亮表示它所对应的数据位为“1”、反之为零）。
具体操作步骤图示如下：
注：【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍单周期脉冲
⑵ PC 值的读出
关闭数据输入三态(SW-B=0)、CE 保持为0、LOAD=0、LDPC=0、CBA=001时，按【单步】键，打开PC-B 缓冲输出门，数据总线单元应显示00000000；
⑶ PC 值送地址寄存器并加1
在保持PC 值读出的开关状态下，置LDAR=1、LDPC=1，按【单步】命令键，在T3节拍把当前数据总线的内容（即PC ）打入地址锁存器，地址总线单元的显示器应显示00H ，在T3节拍的上升沿PC 计数器加1，PC 单元的显示器应显示01H 。
（二）指令码的打入与散转
按微程序流程图7-2所示的微控制流程，对指令译码寄存器IR 分别打入微控制流程定义的操作码20H 、40H 、60H 、80H 、0A0H ，然后根据流程图定义的基地址08H 置入数据开关，按【单步】键，在机器周期的T2节拍把基地址08H 打入微地址锁存器，在机器周期T4节拍按微控制流程对IR 指令寄存器的内容进行测试和判别，使后续微地址转向与操作码相对应的微程序入口地址。
举例操作如下：
⑴ 当IR 寄存器为20H 、微地址为08H ，按【单步】键后微地址为09H 。
⑵当IR寄存器为60H、微地址为08H，按【单步】键后微地址为0BH。
注：【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍单周期脉冲六、实验思考题
思考题 8.1 简述指令分析过程的控制流程是如何进行的？。