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文檔簡介
1、計算機組成原理實驗指導目 錄1. 運算器實驗(驗證性 2課時)2. 存儲器部件實驗(驗證性 2課時)3. 寄存器部件實驗(驗證性 2課時)4. 指令部件模塊實驗(驗證性 4課時)5. 微程序控制器實驗(綜合性 4課時)運算器實驗驗證性 2課時實驗目的 掌握簡單運算器的數據傳輸方式。 驗證運算功能發生器(74LS181)及進位控制的組合功能。實驗要求完成不帶進位及帶進位算術運算實驗、邏輯運算實驗,了解算術邏輯運算單元的運用。實驗原理 實驗中所用的運算器數據通路如圖1-1所示。其中運算器由兩片74LS181以并/串形式構成8位字長的ALU。運算器的輸出經過一個三態門(74LS245)以8芯扁平線方
2、式和數據總線相連,運算器的2個數據輸入端分別由二個鎖存器(74LS273)鎖存,鎖存器的輸入亦以8芯扁平線方式與數據總線相連,數據開關(INPUT DEVICE)用來給出參與運算的數據,經一三態門(74LS245)以8芯扁平線方式和數據總線相連,數據顯示燈(BUS UNIT)已和數據總線相連,用來顯示數據總線內容。運算器電原理圖見實驗電路圖,T2、T4為時序電路產生的節拍脈沖信號,通過連接時序啟停單元時鐘信號來獲得,剩余均為電平控制信號。進行實驗時,首先按動位于本實驗裝置右中則的紅色復位按鈕使系統進入初始待令狀態,在LED顯示器閃動位出現“P.”的狀態下,按【增址】命令鍵使LED顯示器自左向右
3、第4位切換到提示符“L”,表示本裝置已進入手動單元實驗狀態,在該狀態下按動【單步】命令鍵,即可獲得實驗所需的單脈沖信號,而LDDR1、LDDR2、ALU-B、SW-B、S3、S2、S1、S0、CN、M各電平控制信號用位于LED顯示器上方的26位二進制開關來模擬,均為高電平有效。實驗系統工作狀態設定在閃動的“P.”狀態下按動【增址】命令鍵,使LED顯示器自左向右第4位顯示提示符“L”,表示本裝置已進入手動單元實驗狀態。在“L”狀態下,系統用位于實驗系統“二進制開關單元”的26只撥動開關來模擬與微控制器相對應的控制信號。用手動加載正邏輯控制電平(即高電平信號“H”)和按【單步】命令鍵產生的單周期4
4、拍時序信號T1、T2、T3、T4的方法來實現和完成各單元實驗所需的控制信號操作。二進制開關模擬控制原理圖手動實驗提示(一)初始化操作一旦進入“L”狀態,首先應把“ 二進制開關單元”的26只模擬開關撥至下方(即低電平信號“L”),使26只微控制狀態指示燈處“暗”,然后按【單步】命令鍵關閉全部控制信號鎖存輸出位,用手動方法完成微控制器的初始清零操作。在“L”狀態下直接按【復位】按鈕亦可完成微控制器的初始清零操作。(二)控制信號的打入方法 有效狀態的特征:本系統提供的是“正邏輯”控制電路,通常情況下把高電平“H”定義為有效狀態,以點亮發光二極管為標志。 有效狀態的建立:結合實驗項目,按實驗要求把相關
5、的二進制開關撥向上方,點亮對應的發光二極管。 有效狀態的控制:在建立有效狀態的基礎上,按【單步】命令鍵單次啟動時序節拍信號T1、T2、T3、T4,模型機按時序要求在相關時刻發出控制信號,以手動方式實現相關單元實驗。(三)總線輸入/輸出約定 輸入約定對于計算機各部件的數據輸出必須通過數據總線來完成,為了避免總線沖突與競爭,模型機規定在同一機器周期內只能允許一個部件的數據占用總線。結合手動控制列舉如下約定: 數據開關送總線:令SW-B=1,CBA=000,CE=0 存儲器內容送總線:令CE=1,SW-B=0,CBA=000 其它部件送總線:令CBA=001111,SW-B=0,CE=0 輸出共享對
6、于計算機各部件的數據輸入可共享總線內容,即在同一機器周期內允許把當前數據同時送2個以上部件單元,結合手動控制舉例如下:例:把數據開關的內容送通用寄存器R0、運算寄存器DR1、地址寄存器AR、指令寄存器IR,令SW-B=1,LDR0=1,LDDR1=1,LDAR=1,LDIR=1,然后按【單步】命令鍵即可實現總線數據共享。實驗內容(一)算術運算實驗 寫操作(置數操作)撥動二進制數據開關向DR1和DR2寄存器置數,具體操作步驟如下: 注:【單步】鍵的功能是啟動時序電路產生T1T4四拍單周期脈沖 讀操作(運算寄存器內容送總線)首先關閉數據輸入三態控制端(SW-B=0),存儲器控制端CE保持為0,令L
7、DDR1=0、LDDR2=0,然后打開ALU輸出三態門(CBA=010),置M、S0、S1、S2、S3為1 1 1 1 1,再按【單步】鍵,數據總線單元顯示DR1的內容,若把M、S0、S1、S2、S3置為1 0 1 0 1,再按【單步】鍵,數據總線單元顯示DR2的內容。 算術運算(不帶進位加)置CBA=010,CN、M、S0、S1、S2、S3狀態為1 0 1 0 0 1,按【單步】鍵,此時數據總線單元應顯示00001100(0CH)。(二)進位控制實驗進位控制運算器的實驗原理如實驗四圖7-4-1所示,其中181的進位位進入74LS74鎖存器D端,該端的狀態鎖存受AR和T4信號控制,其中AR為進
8、位位允許信號,高電平有效;T4為時序脈沖信號,當AR=1時在T4節拍將本次運算的進位結果鎖存到進位鎖存器中,實現帶進位控制實驗。 進位位清零操作在“L”狀態下,按動【復位】按鈕,進位標志燈CY“滅”,實現對進位位的清零操作。(當進位標志燈“亮”時,表示CY=1)。 用二進制數據開關向DR1和DR2寄存器置數首先關閉ALU輸出三態門(CBA=000)、CE=0,開啟輸入三態門(SW-B=1),設置數據開關,向DR1存入01010101,向DR2存入10101010。操作步驟如下:注:【單步】鍵的功能是啟動時序電路產生T1T4四拍單周期脈沖 驗證帶進位運算的進位鎖存功能關閉數據輸入三態門(SW-B
9、=0)、CE=0,使CBA=010,AR=1,置CN、M、S0、S1、S2、S3的狀態為101001,按【單步】鍵,此時數據總線單元顯示的數據為DR1加DR2,若進位標志燈CY“亮”,表示有進位;反之無進位。(三)邏輯運算實驗 寫操作(置數操作)撥動二進制數據開關向DR1和DR2寄存器置數,具體操作步驟如下:注:【單步】鍵的功能是啟動時序電路產生T1T4四拍單周期脈沖 讀操作(運算寄存器內容送總線)首先關閉數據輸入三態控制端(SW-B=0),存儲器控制端CE保持為0,令LDDR1=0、LDDR2=0,然后打開ALU輸出三態門(CBA=010),置M、S0、S1、S2、S3為1 1 1 1 1,
10、再按【單步】鍵,數據總線單元顯示DR1的內容,若把M、S0、S1、S2、S3置為1 0 1 0 1,再按【單步】鍵,數據總線單元顯示DR2的內容。 邏輯或非運算邏輯或非運算的方法是置CBA=010,M、S0、S1、S2、S3狀態為11000,按【單步】鍵,此時數據總線單元應顯示00011000(18H)。實驗思考驗證74LS181的算術邏輯運算功能。在給定DR1=65、DR2=A7的情況下,改變運算器的功能設置,按【單步】鍵,觀察運算器的輸出,填入下頁表格中,并和理論分析進行比較、驗證。附:74LS181邏輯注:表中“+”表示邏輯或,“”表示邏輯異或,“/”表示邏輯非,“AB”表示邏輯與。存儲
11、器部件實驗(存儲器和總線實驗)驗證性 2課時實驗目的熟悉存儲器和總線組成的硬件電路。實驗要求按照實驗步驟完成實驗項目,利用存儲器和總線傳輸數據。實驗原理實驗所用的半導體靜態存儲器電路原理如實驗電路圖所示,該靜態存儲器由一片6116(2Kx8)構成,其數據線(D0D7)以8芯扁平線方式和數據總線(B0B7)相連接,地址線由地址鎖存器(74LS273)給出,該鎖存器的輸入/輸出通過8芯扁平線分別連至數據總線接口和存儲器地址接口。地址顯示單元顯示AD0AD7的內容。數據開關經一三態門(74LS245)以8芯扁平線方式連至數據總線接口,分時給出地址和數據。6116有3根控制線:CS(片選線)、OE(讀
12、線)、WR(寫線)。當片選有效CS=0時,OE=0時進行讀操作,WR=0時進行寫操作。本實驗中將OE引腳接地,在此情況下,當CS=0、WR=1時進行讀操作,CS=0、WR=0時進行寫操作,其寫時間與T3脈沖寬度一致。實驗時T3脈沖由【單步】命令鍵產生,其它電平控制信號由二進制開關模擬,其中CE、SW-B、LDAR為高電平有效,而WE為讀/寫(W/R)控制信號,當WE=0時進行讀操作,當WE=1時進行寫操作。存儲器實驗原理圖實驗內容在閃動的“P.”狀態下按動【增址】命令鍵,使LED顯示器自左向右第4位顯示提示符“L”,表示本裝置已進入手動單元實驗狀態。(若當前處“L”狀態,本操作可略)。(一)內
13、部總線數據寫入存儲器給存儲器的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):注:【單步】鍵的功能是啟動時序電路產生T1T4四拍單周期脈沖(二)讀存儲器的數據到總線上依次讀出第00、01、02、03、04號單元中的內容,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(以從0號單元讀出11數據為例):注:【單步】鍵的功能是啟動時序電路產生T1T4四拍單周期脈沖寄存器部件實驗(通用寄存器實驗)驗證性 2課時實驗目的 熟悉通用寄存器概念。 熟悉通用寄存器的組成和硬件電路。實驗要求完成3個通用寄存器的數據寫入與
14、讀出。實驗原理實驗中所用的通用寄存器數據通路如圖7-2-1所示。由三片8位字長的74LS374組成R0、R1、R2寄存器組成。三個寄存器的輸入接口用一8芯扁平線連至BUS總線接口,而三個寄存器的輸出接口用一8芯扁平線連至BUS總線接口。圖中R0-B、R1-B、R2-B經CBA二進制控制開關譯碼產生數據輸出選通信號(詳見表7-2-1),LDR0、LDR1、LDR2為數據寫入允許信號,由二進制控制開關模擬,均為高電平有效;T4信號為寄存器數據寫入脈沖,上升沿有效。在手動實驗狀態(即“L”狀態)每按動一次【單步】命令鍵,產生一次T4信號。通用寄存器單元電路通用寄存器單元選通真值表實驗內容(一)通用寄
15、存器的寫入撥動二進制數據開關向R0和R1寄存器置數,具體操作步驟如下: 注:【單步】鍵的功能是啟動時序電路產生T1T4四拍單周期脈沖(二)通用寄存器的讀出關閉數據輸入三態(SW-B=0),存儲器控制端CE=0,令LDR0=0、LDR1=0、LDR2=0,分別打開通用寄存器R0、R1、R2輸出控制位,置CBA=100時,按【單步】鍵,數據總線單元顯示R0中的數據01H;置CBA=101時,按【單步】鍵。數據總線單元顯示R1中的數據80H;置CBA=110時,按【單步】鍵,數據總線單元顯示R2中的數據(隨機)。指令部件模塊實驗驗證性 4課時實驗目的 掌握時序產生器的組成方式。 熟悉指令產生的原理。
16、實驗要求按照實驗步驟完成實驗項目,完成將數據打入IR寄存器的數據打入PC指針式寄存器,PC指針自動加1。指令部件模塊的構成 如實驗電路圖所示,2片74LS163作為8位PC程序計數器的8位輸入/輸出公用端用8芯扁平線與BUS總線接口相連接。2片74LS163組成了PC程序計數器,它有LDPC、LOAD信號,脈沖T3來控制PC指針的裝載和加1操作。在“L”狀態下,由8位置數開關裝入起始地址,當LOAD=1、LDPC=1時,按【單步】命令鍵,在T3上升沿把數據開關的內容裝入PC。當CBA=001、LOAD=0、LDPC=1、LDAR=1時,按【單步】命令鍵,在單周期四節拍時序的T2時刻打開PC-B
17、三態門,在T3時刻PC值通過總線打入地址寄存器、同時PC值加1。 如下圖所示,1片74LS273作為指令寄存器單元,其8位輸入端與BUS總線之間實驗裝置已作連接,其輸出端用一8芯扁平線與SE5SE0接口連接。指令數據寄存器IR(74LS273)的LDIR為電平正跳變時,把來自數據總線的數據打入寄存器IR,IR的輸出就作為本系統內的8位指令I7I0。在本系統內由這8位指令(可最多譯碼256條不同的指令),通過編碼可對應這些指令在微程序存儲器中的入口地址,并且輸出相應的微控制指令。 1片74LS74用來實現多種條件的跳轉指令(JZ、JC等跳轉指令)。74LS74芯片是雙D觸發器,其中一組是鎖存進位
18、位CY標志,另一組是鎖存零標志(Z)可通過AR來控制JC和JZ建立,以實現條件跳轉的指令。 1片74LS74用來實現開中斷、關中斷、中斷服務。實驗內容在閃動的“P.”狀態下按動【增址】命令鍵,使LED顯示器自左向右第4位顯示提示符“L”,表示本裝置已進入手動單元實驗狀態。(一)程序計數器(PC值)的置數、輸出與加1 PC值的寫入撥動二進制數據開關向程序計數單元置數(置數燈亮表示它所對應的數據位為“1”、反之為零)。具體操作步驟圖示如下: 注:【單步】鍵的功能是啟動時序電路產生T1T4四拍單周期脈沖 PC值的讀出關閉數據輸入三態(SW-B=0)、CE保持為0、LOAD=0、LDPC=0、CBA=
19、001時,按【單步】鍵,打開PC-B緩沖輸出門,數據總線單元應顯示00000000; PC值送地址寄存器并加1在保持PC值讀出的開關狀態下,置LDAR=1、LDPC=1,按【單步】命令鍵,在T3節拍把當前數據總線的內容(即PC)打入地址鎖存器,地址總線單元的顯示器應顯示00H,在T3節拍的上升沿PC計數器加1,PC單元的顯示器應顯示01H。(二)指令碼的打入與散轉按微程序流程圖所示的微控制流程,對指令譯碼寄存器IR分別打入微控制流程定義的操作碼20H、40H、60H、80H、0A0H,然后根據流程圖定義的基地址08H置入數據開關,按【單步】鍵,在機器周期的T2節拍把基地址08H打入微地址鎖存器
20、,在機器周期T4節拍按微控制流程對IR指令寄存器的內容進行測試和判別,使后續微地址轉向與操作碼相對應的微程序入口地址。舉例操作如下:當IR寄存器為20H、微地址為08H,按【微址】鍵后微地址為09H。當IR寄存器為60H、微地址為08H,按【微址】鍵后微地址為0BH。注:【單步】鍵的功能是啟動時序電路產生T1T4四拍單周期脈沖微程序控制器實驗(微程序控制單元實驗)綜合性 4課時實驗目的 掌握時序產生器的組成方式。 熟悉微程序控制器的原理。 掌握微程序編制及微指令格式。實驗要求按照實驗步驟完成實驗項目,熟悉微程序的編制、寫入、觀察運行狀態。實驗原理 微程序控制電路微程序控制器的組成見實驗電路圖,
21、其中控制存儲器采用4片6116靜態存儲器,微命令寄存器32位,用三片8D觸發器(273)和一片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,它們帶有清零端和置位端。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脈沖通過置位端將某一觸發器輸出端置為“1”狀態,完成地址修改。 微指令格式其中UA5UA0為6位的后續微地址,A、B二譯碼字段,分別由6個控制位譯碼輸出多位。B段中的PX3、PX2、PX1 三個測試字位。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
22、口,從而實現微程序的順序、分支、循環運行。 微程序流程與代碼下圖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,可得到模型機(一)所例舉的8位指令代碼。實驗內容(一)微程序的編寫為了解決微程序的編寫,本裝置設有微程序讀寫命令鍵,學生可根據微地址和微指令格式將微指令代碼以快捷方式寫入到微程序控制單元。具體的操作方法是按動位于本實驗裝置右中則的紅色復位按鈕使系統進入初始待令狀態。再按動【增址】命令鍵使工作方式提示位顯示“H”。微程序存貯器讀寫的狀態標志是:顯示器上顯示8個數字,左邊1、2位顯示實驗裝置的當前狀態,左邊3、4位顯示區域號(區域的分配見表7-7-2),左邊5、6位數字是微存貯單元地址,硬件定義的微地址線是ua0ua5共6根,因此它的可尋址范圍為00H3FH;右邊2位數字是該單元的微程序,光標在第7位與第8位之間,表示等待修改單元內容。用【讀】命令鍵可以對微程序存貯器進行檢查(讀出)或更改(寫入)。對微程序存貯器讀寫,一般應先按MON,使實驗系統進入
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