1、 數字邏輯與計算機組成原理 實 驗 指 導 書 適用專業：09，10軟件工程 閩江學院計算機系2010年7月前 言“數字邏輯與計算機組成原理實驗”是一門實踐性、綜合性、應用性較強的計算機基礎課程，是必修課程。對計算機應用及程序有重大意義，有利于理解計算機系統中軟件和硬件的關系。通過實驗學生掌握各個單元模塊的工作原理，可進一步深化和掌握課堂理論教學內容，為學生提供必要的實踐機會，以加強其感性認識和增強其實際動手能力，能使學生更好的領會計算工作原理以及相關接口技術實踐知識，激勵學生勇于創新，全面提高學生解決實際問題的動手能力。 本實驗主要訓練和培養學生利用所學的知識進行數字電路和模型機的設計與調試

2、等應用等方面的技能，訓練學生開發高級應用系統的設計思路、具體過程和步驟等，激發學生的學習熱情和創新性思維。本指導書中設置的實驗項目，包括驗證性、綜合性和設計性實驗，分為必做和選做，可根據學生的專業方向和課時安排以及學生的能力和興趣等對實驗項目的內容和順序等重新調整安排。 目 錄實驗一 ：multisim 仿真實驗-3實驗二 ：組合邏輯電路的設計與仿真-5實驗三 ：時序邏輯電路的設計與仿真-7實驗四 ：算術邏輯運算實驗-9實驗五 ： 存儲器實驗-22實驗六 ： 微控制器實驗-28附件：實驗報告基本要求 40實驗一 熟悉multisim 仿真軟件實驗學時：2實驗類型：驗證實驗要求：必修一、實驗目的

3、（1） 熟悉multisim軟件的功能及使用（2） 掌握multisim軟件的各種仿真手段（3） 掌握multisim軟件的各種虛擬儀器的運用（4） 熟悉multisim軟件的元件庫及調用（5） 設計一個半加器電路，運用multisim軟件進行優化和測試。二、實驗內容2.1 multisim軟件的功能及使用2.2 multisim軟件的各種仿真手段2.3 multisim軟件的各種虛擬儀器的運用2.4 multisim軟件的元件庫及調用2.5 設計一個半加器電路，運用multisim軟件進行優化和測試三、實驗原理、方法和手段運用multisim仿真軟件進行數字電路的設計、優化和測試等四、實驗組

4、織運行要求根據本實驗的特點、要求和具體條件，采用“以學生自主訓練為主的集中授課形式”，按每人一組獨立完成。五、實驗條件pc機，multisim仿真軟件六、實驗步驟6.1 multisim軟件的各種功能及使用6.2 multisim軟件的各種仿真手段運用6.3 multisim軟件的各種虛擬儀器的運用6.4 multisim軟件的元件庫及調用6.5 設計半加器電路，并進行測試和優化七、思考題7.1 如何選擇multisim仿真軟件的元件?7.2 如何選擇multisim不同的設計及仿真方法？ 7.3 如何選擇multisim的輸入信號及輸出結果仿真？ 八、實驗報告實驗報告的內容及要求包括實驗預習

5、、實驗記錄和實驗報告三部分。8.1了解相關集成門電路的工作原理和引腳功能。8.2 熟悉multisim仿真軟件的元件庫及使用。8.3 認真記錄實驗過程中的有關現象和實驗結果，課后結合所學的知識加以分析并完成實驗報告。九、其它說明本實驗內容多，若在課堂上無法完成所有內容，可在課后繼續。實驗二 組合邏輯電路的設計與仿真實驗學時：2實驗類型：驗證實驗要求：必修一、實驗目的1.1熟悉顯示譯碼器的使用，理解其工作原理。1.2運用multisim設計顯示譯碼器電路并仿真結果。二、實驗內容設計一個bcd碼和余3碼的雙向轉換電路，并通過兩個數碼管顯示出來。三、實驗原理、方法和手段運用multisim仿真軟件進

6、行組合邏輯電路的設計、優化、演示和測試等四、實驗組織運行要求根據本實驗的特點、要求和具體條件，采用“以學生自主訓練為主的集中授課形式”，按每人一組獨立完成。五、實驗條件pc機，multisim仿真軟件六、實驗步驟6.1 設計一個bcd碼和余3碼的雙向轉換電路，6.2 數碼管顯示驅動設計6.3 實驗結果的演示6.4 電路的優化和測試七、思考題7.1 實現該功能的電路設計方案是唯一的嗎?為什么？7.2 如何選擇最佳的設計及仿真方法？ 7.3 如何選擇最適合的輸入及輸出元件？ 八、實驗報告實驗報告的內容及要求包括實驗預習、實驗記錄和實驗報告三部分。8.1 了解相關led驅動集成電路的工作原理和引腳功

7、能。8.2 熟悉multisim仿真軟件的元件庫及使用。8.3 認真記錄實驗過程中的有關現象和實驗結果，課后結合所學的知識加以分析并完成實驗報告。九、其它說明本實驗內容多，若在課堂上無法完成所有內容，可在課后繼續。實驗三 時序邏輯電路的設計及仿真實驗學時：2實驗類型：驗證實驗要求：必修一、實驗目的1.1設計一個可自啟動的五進制增/減計數器并仿真1.2學習和掌握時序邏輯電路的應用和計數器的工作原理1.3學習和掌握時序邏輯電路的設計與仿真方法二、實驗內容設計一個可自啟動的五進制增/減計數器電路，并通過兩個數碼管顯示出來。三、實驗原理、方法和手段運用multisim仿真軟件進行時序邏輯電路的設計、優

8、化、演示和測試等四、實驗組織運行要求根據本實驗的特點、要求和具體條件，采用“以學生自主訓練為主的集中授課形式”，按每人一組獨立完成。五、實驗條件pc機，multisim仿真軟件六、實驗步驟6.1 設計一個可自啟動的五進制增/減計數器6.2 數碼管顯示驅動設計6.3 實驗結果的演示6.4 電路的優化和測試七、思考題7.1 實現該功能的電路設計方案是唯一的嗎?為什么？7.2 如何選擇最佳的設計及仿真方法？ 7.3 如何選擇最適合的輸入及輸出元件？ 八、實驗報告實驗報告的內容及要求包括實驗預習、實驗記錄和實驗報告三部分。8.1 了解相關led驅動集成電路的工作原理和引腳功能。8.2 了解計數器的工作

9、原理和設計方法。8.3 熟悉multisim仿真軟件的元件庫及使用。8.4 認真記錄實驗過程中的有關現象和實驗結果，課后結合所學的知識加以分析并完成實驗報告。九、其它說明本實驗內容多，若在課堂上無法完成所有內容，可在課后繼續。實驗四 運算器（alu）實驗實驗學時：2實驗類型：驗證實驗要求：必修 一實驗目的 1.1掌握簡單運算器的數據傳送通路。1.2驗證運算功能發生器(74lsl81)的組合功能。1.3驗證帶進位控制的算術運算功能發生器的功能。1.4按指定數據完成幾種指定的算術運算。1.5驗證移位控制的組合功能。二實驗內容2.1 算術邏輯運算實驗2.2進位控制實驗2.3移位運算實驗三、實驗原理、

10、方法和手段3.1算術邏輯運算實驗原理 實驗中所用的運算器數據通路圖11所示。其中運算器由兩片74lsl81以并串形成構成8位字長的alu。運算器的輸出經過一個三態門(74ls245)和數據總線相連，運算器的兩個數據輸入端分別由二個鎖存器(74ls373)鎖存，鎖存器的輸入連至數據總線，數據開并(“input device”)用來給出參與運算的數據，并經過三態門(74ls245)和數據總線相連，數據顯示燈(“bus unit”)已與數據總線相連，用來顯示數據總線內容。圖中已將用戶需要連接的控制信與用圓圈標明(其他實驗相同，不再說明)，其中除t4為脈沖信與，其它均為電平信號。由于電路中的時序信號均

11、已連至“wr unit”的相應時序信號引出端，因此，在進行實驗時，只需將“wr unit”的t4接至“state unit”的微動開關kk2的輸出端，按動微動開關，即可獲得實驗所需的單脈沖，而s3、s2、s1、s0、cn、m、lddrl、lddr2、alub、swb各電平控制信號用“switch unit”中的二進制數據開關來模擬，其中cn、 alub、swb為電低電平有效，lddrl、lddr2為高電子有效。圖1-1運算器數據通路3.2進位控制運算實驗原理進位控制運算器的實驗原理如圖13所示，在實驗(1)的基礎上增加進位控制部分，其中181的進位進入一個74鎖存器，其寫入是由t4和ar信號控

12、制，t4是脈沖信號，實驗時將t4連至“state unit”的微動開關kk2上。 ar是電子控制信號(低電平有效)，可用于實現帶進位控制實驗，而t4脈沖是將本次運算的進位結果鎖存到進位鎖存器中。圖1-3進位控制實驗原理圖3.3移位運算實驗原理移位運算實驗原理如圖1-5所示，使用了一片74ls299作為移位發生器，其八個輸入輸出端以排針方式和總線單元連接。299-b信號控制其使能端，t4時序為其時鐘脈沖，實驗時將“wr unit”中的t4接至“state unit”中的kk2單脈沖發生器，由s0 s1 m控制信號控制其功能狀態，其列表如下：圖1-5移位運算原理圖四、實驗組織運行要求根據本實驗的特

13、點、要求和具體條件，采用“以學生自主訓練為主的集中授課形式”，按兩人一組分組進行。五、實驗條件 cctiv計算機組成原理教學實驗系統一臺，排線若干。六、實驗步驟6.1算術邏輯運算實驗步驟(1) 按圖1-2連接路線,仔細檢查無誤后,接通電源。(2) 用二進制數碼開關dr1和dr2寄存器置數，具體操作步驟圖示如下：檢驗drl和dr2中存的數是否正確，具體操作為：關閉數據輸入三態門(swb=1)，打開alu輸出三態門(alub=0)，當置s3、s2、s1、s0、m為1 1 1 1 l時，總線指示燈顯示drl中的數，而置成10101時總線指示燈顯示dr2中的數。圖 12 實驗接線圖(3)驗證74lsl

14、81的算術運算和邏輯運算功能 (采用正邏輯)在給定drl=65、dr2=a7的情況下，改變運算器的功能設置，觀察運算器的輸出，填入下表中，并和理論分析進行比較、驗證。表1-16.2進位控制運算實驗步驟(1)按圖14連接實驗線路，仔細查線無誤后，接通電源。圖14 實驗接線圖 (2)用二進制數碼開關向drl和dr2寄存器置數，具體方法： 關閉alu輸出三態門 (alub=1)，開啟輸入三態門(sw-b=0)，設置數據開關；例如向drl存入01010101，向dr2存入10101010。具體操作步驟如下：(3)進位標志清零具體操作方法如下： s3s2s1s0m的狀態置為0 0 0 0 0，ar狀態置

15、為0(清零時drl寄存器中的數應不等于ff) 按動微動開關kk2，觀察進位標志指示燈并記錄。 注：進位標志指示燈cy亮時表示進位標志為“0”，無進位；標志指示燈cy滅時表示進位為“1”，有進位。(4)更改存入dr1、dr2的數據（至少3組數據），重復步驟(2)、 (3)并記錄。(5)驗證帶進位運算及進位鎖存功能，使cn=l，ar=0，swb=1來進行帶位算術運算。例如：做加法運算，首先向drl、dr2置數，然后使alub=0，s3s2s1s0m狀態為1 0 0 1 0，此時數據總線上顯示的數據為drl加dr2加當前進位標志，這個結果是否產生進位，則要按動微動開關kk2，若進位標志燈亮，表示無進

16、位；反之，有進位。6.3移位控制運算實驗步驟 (1)按圖16連接實驗線路，仔細查線無誤后接通電源。圖16 實驗接線圖(2)移位操作： 置數，具體步驟如下： 移位，參照上表設置s0、s1、m、299-b的狀態，每按動一次微動開關kk2，觀察移位結果并記錄，循環8次。改變s0、s1、m、299-b的設置，重復步驟，觀察移位結果并記錄。七、思考題本實驗為驗證實驗，試分析如果在實驗過程中出現結果不正確的情況，可能是由于什么原因引起的？八、實驗報告實驗報告的內容及要求包括實驗預習、實驗記錄和實驗報告三部分。8.1 復習課本中有關算術邏輯運算單元(74lsl81)的內容，了解其它相關集成如電路鎖存器(74

17、ls373)、三態門(74ls245)等的工作原理和引腳功能。8.2 熟悉cctiv計算機組成原理教學實驗系統的布置與正確的使用方法，防止不正當的操作而造成實驗儀器的損壞。8.3 實驗結束后恢復實驗儀器，并將所有排線和其它工具整理好。8.4 認真記錄實驗過程中的有關現象和實驗結果，課后結合所學的知識加以分析并完成實驗報告。8.5 掌握16位串/并運算器的工作原理和寄存器工作原理。九、其它說明本實驗內容多，若在課堂上無法完成所有內容，可在課后繼續。實驗五 存儲器實驗實驗學時：2實驗類型：驗證實驗要求：必修一、實驗目的 掌握靜態隨機存儲器ram工作特性及數據的讀寫方法。掌握計算機中ram存儲器部分

18、的硬件構成。二、實驗內容通過手動產生相關的控制信號實現對存儲器的讀寫操作。三、實驗原理、方法和手段實驗所用的半導體靜態存儲器電路原理如圖21所示，實驗中的靜態存儲器由一片6116(2k x 8)構成，其數據線接至數據總線，地址線由地址鎖存器(74ls273)給出。地址燈ado-ad7與地址線相連，顯示地址線內容。數據開并經三態門 (74ls245)連至數據總線，分時給出地址和數據。因地址寄存器為8位，接入6116的地址a7一a0，而高三位a8一a10接地，所以其實際容量為256字節。6116有三個控制線：ce(片選線)、oe(讀線)、we(寫線)。當片選有效(ce=0)時，oe=0時進行讀操作

19、，ce=0、we=1時進行寫操作，其寫時間與t3脈沖寬度一致。實驗時將t3脈沖接至實驗板上時序電路模塊的ts3相應插孔中，其脈沖寬度可調，其它電平控制信號由“switch unit”單元的二進制開關模擬，其中swb為低電平有效，ldar為高電平有效。圖2-l 存儲器實驗原理圖四、實驗組織運行要求根據本實驗的特點、要求和具體條件，采用“以學生自主訓練為主的集中授課形式”，按兩人一組分組進行。五、實驗條件 cctiv計算機組成原理教學實驗系統一臺，排線若干。六、實驗步驟 (1)形成時鐘脈信號t3，具體接線方法和操作步驟如下： 接通電源，用示波器接入方波信號源的輸出插孔h24，調節電位器w1，使h2

20、4端輸出實驗所期望的頻率的方波。 將時序電路模塊中的和h23排針相連，clr置“1”。 在時序電路模塊中有兩個二進制開關“stop和“step。將“stop”開關置為“run”狀態、“step”開關置為“exec”狀態時，按動微動開關start，則t3輸出連續的方波信號，此時調節電位器w1，用示波器觀察，使t3輸出實驗要求的脈沖信號。當“stop”開關置為“run”狀態、“step”開關置為“step”狀態時，每按動一次微動開關start，則t3輸出一個單脈沖，其脈沖寬度與連續方式相同。 關閉電源。(3) 按圖22連接實驗線路，仔細查線無誤后接通電源。由于存儲器模塊內部連線已經接好，因此只需完

21、成實驗電路的形成、控制信號模擬開關、時鐘脈沖信號t3與存儲模塊的外部連接。(4) 給存儲器的00、01、 02、 03、 04 地址單元中分別寫入數據11、12、13、14、15,具體操作步驟如下：（以向0號單元寫入11為例）依次讀出第00、01、 02、 03、 04 地址單元中的內容，觀察上述各單元中的內容是否與前面寫入的一致。具體操作步驟如下：（以向0號讀出11數據為例）七、思考題7.1 結合本實驗及所學知識，試分析對rom（如eerom）進行讀寫操作的過程。7.2 結合本實驗，復習課本中有關ram存儲器地址擴展的方法。八、實驗報告實驗報告的內容及要求包括實驗預習、實驗記錄和實驗報告三部

22、分。8.1 復習課本中有關ram存儲器及其擴展的內容。8.2 熟悉ram存儲器外圍芯片74ls273、74ls245的功能及引腳。8.3 認真記錄實驗過程中的有關現象和實驗結果，理解數據、地址和控制總線的作用。課后結合所學的知識加以分析并完成實驗報告。九、其它說明9.1 由于ram存儲器的地址和要寫入該單元的數據是通過同一個撥動開關設置，要特別注意所設置的數是ram存儲器的地址還是要寫入該單元的數據。9.2 注意區分送數據和送地址時不同的片選信號。9.3 送數據和送地址時均需要一個正脈沖信號，這個信號在本實驗中是同一個信號，而且是手動產生的。實驗六 微控制器實驗實驗學時：2實驗類型：驗證實驗要

23、求：必修一、實驗目的 1.1 掌握時序產生器的組成原理。 1.2 掌握微程序控制器的組成原理。 1.3 掌握微程序的編制、寫入，觀察微程序的運行。1.4 掌握計算機中微指令的構成，控制字段和下址字段的含義。1.5 熟悉計算機的指令是如何通過微指令來執行的。二、實驗內容通過微指令的設計與執行驗證計算機指令的運行過程。三、實驗原理、方法和手段實驗所用的時序電路原理如圖3-1所示，可產生4個等間隔的時序信號tsl-ts4，其中為時鐘信號，由實驗臺左上方的方波信號源提供，可產生頻率及脈寬可調的方波信號。學生可根據實驗自行選擇方波信號的頻率及脈寬。為了便于控制程序的運行，時序電路發生器也設置了一個啟停控

24、制觸發器cr，使tsl-ts4信號輸出可控。圖中step(單步)、stop(停機) 分別是來自實驗板上方中部的兩個二進制開關step、stop的模擬信號。當step開關為0時(exec)，一旦按下啟動鍵，運行觸發器cr一直處于“1”狀態，因此時序信號tsl-ts4將周而復始地發送出去。當step為1(step)時，一旦按下啟動鍵，機器便處于單步運行狀態，即此時只發送一個cpu周期的時序信號就停機。利用單步方式，每次只讀一條微指令，可以觀察微指令的代碼與當前微指令的執行結果。另外，當機器連續運行時，如果stop開關置“1”(stop)，也會使機器停機。由于時序電路的內部線路已經連好，所以只需將時

25、序電路與方波信號源連接(即將時序電路的時鐘脈沖輸入端接至方波信號發生器輸出端h23)，時序電路的clr已接至實驗板左下方的clr模擬開關上。圖3-1時序電路原理圖 3.2 微程序控制電路與微指令格式 (1)微程序控制電路微程序控制器的組成見圖3-2，其中控制存儲器采用3片2816的e2prom，具有掉電保護功能，微命令寄存器18位，用兩片8d觸發器(273)和片4d(175)觸發器組成。微地址寄存器6位，用三片正沿觸發的雙d觸發器(74)組成。它們帶有清“0端和預置端。在不判別測試的情況下，t2時刻打入微地址寄存器的內容即為下一條微指令地址。當t4時刻進行測試判別時，轉移邏輯滿足條件后輸出的負

26、脈沖通過強置端將某一觸發器置為“1”狀態，完成地址修改。在該實驗電路中設有一個編程開關(位于實驗板右上方)，它具有三種狀態：prom(編程)、read(校驗)、run(運行)。當處于“編程狀態”時，學生可根據微地址和微指令格式將微指令二進制代碼寫入到控制存儲器2816中。當處于“校驗狀態時，可以對寫入控制存儲器中的二進制代碼進行驗證，從而可以判斷寫入的二進制代碼是否正確。當處于“運行狀態”時，只要給出微程序的入口微地址，則可根據微程序流程圖自動執行微程序。圖中微地址寄存器輸出端增加了一組三態門，目的是隔離觸發器的輸出，增加抗干擾能力，并用來驅動微地址顯示燈。圖3-2微控器實驗原理圖(5) 微指

27、令格式微指令長共24位，其控制位順序如下： 表3-1 其中ua5-ua0為6位的后續微地址，a、b、c三個譯碼字段，分別由三個控制位譯碼出多位。c字段中的p(1)-p(4)是四個測試字位。其功能是根據機器指令及相應微代碼進行譯碼，使微程序轉入相應的微地址入口，從而實現微程序的順序、分支、循環運行，其原理如圖3-3所示，圖中17-12為指令寄存器的第7-2位輸出，se5sel為微控器單元微地址鎖存器的強置端輸出。ar為算術運算是否影響進位及判零標志控制位，其為零有效。b字段中的rdb、r0b、rib分別為源寄存器選通信號、目的寄存器選通信號及變址寄存器選通信號，其功能是根據機器指令來進行三個工作

28、寄存器0、r1及r2的選通譯碼，其原理如圖3-4，圖中10-14為指令寄存器的第0-4位，ldri打入工作寄存器信號的譯碼器使能控制位。圖3-3圖3-4四、實驗組織運行要求根據本實驗的特點、要求和具體條件，采用“以學生自主訓練為主的集中授課形式”，按兩人一組分組進行。五、實驗條件 cctiv計算機組成原理教學實驗系統一臺，排線若干。六、實驗步驟(1) 圖35為幾條機器指令對應的參考微程序流程圖，將全部微程序按微指令格式變成二進制代碼，可得到表32的二進制代碼表。 圖35微程序流程圖表3-2 二進制代碼表(2)按照圖-連接線路，仔細檢查線路后接通電源圖3-6實驗接線圖(3)觀測時序信號用雙蹤示波

29、器(或用pc示波器功能)觀察方波信號源的輸出，時序電路中的“stop”開關置為“run”、“step”開關置為“exec”。按動start按鍵，從示波器上可觀察到tsl、ts2、ts3、ts4各點的波形，比較它們的相互關系，畫出其波形，并標注測量所得的脈沖寬度，見圖37。圖3-7 (4)觀察微程序控制器的工作原理： 編程 a將編程開關置為prom(編程)狀態。 b將實驗板上“state unit”中的“step”置為“step”，“stop”置為“run”狀態。 c用二進制模擬開關置微地址ma5ma0。 d在mk24-mkl開關止置微代碼，24位開關對應24位顯示燈，開關量為“0”時燈亮，開關

30、量為“1”時燈滅。 e，啟動時序電路(按動啟動按鈕“start”)，即將微代碼寫入到e2prom 2816的相應地址對應的單元中。 f重復ce步驟，將表32的微代碼寫入2816。 校驗a將編程開關設置為read(校驗)狀態。 b將實驗板的step開關置為step狀態，stop開關置為run狀態。c用二進制開關置好微地址ma5-ma0。 d按動“start”鍵，啟動時序電路，讀出微代碼，觀察顯示燈md24-mdl的狀態(燈亮為“0”，滅為“1”)，檢查讀出的微代碼是否與寫入的相同。如果不同，則將開關置于prom編程狀態，重新執行即可。 單步運行 a將編程開關置于“run(運行)”狀態。 b，實驗板的“step”及“stop”開關保持原狀。 c操作clr開關(撥動開關在實驗板右下角)使clr信號1-0-l ；微地址寄存器ma5一ma0清零，從而明確本機的運行入口微地址為000000(二進制)。 d按動“start”鍵，啟動時序電路。則每按動一次啟動鍵，讀出一條微指令后停機，此時實驗臺上的微地址顯示燈和微命令顯示燈將顯示所讀出行指令。 注意： 在當前條件下，