合肥工业大学计算机组成原理实验报告汇编.docx

1、合肥工业大学计算机组成原理实验报告汇编实验一 存储器实验1、实验目的了解静态随机存取存贮器的工作原理；掌握读写存贮器的方法。二、实验原理实验仪的存贮器MEM单元选用一片静态存贮器6116（2K8bit）存放程序和数据。CE：片选信号线，低电平有效，实验仪已将该管脚接地。OE：读信号线，低电平有效。WE：写信号线，低电平有效。A0.A10: 地址信号线。I/O0.I/O7:数据信号线。CEOEWE功能1不选中6116001读010写000不确定SRAM6116功能表存贮器挂在CPU的总线上，CPU通过读写控制逻辑，控制MEM的读写。实验中的读写控制逻辑如下图：读写控制逻辑M_nI/O用来选择对M

2、EM还是I/O读写，M_nI/O = 1，选择存贮器MEM；M_nI/O = 0，选择I/O设备。nRD = 0为读操作；nWR = 0为写操作。对MEM、I/O的写脉冲宽度与T2一致；读脉冲宽度与T2+T3一致，T2、T3由CON单元提供。存贮器实验原理图存贮器数据信号线与数据总线DBus相连；地址信号线与地址总线ABus相连，6116的高三位地址A10.A8接地，所以其实际容量为256字节。数据总线DBus、地址总线ABus、控制总线CBus与扩展区单元相连，扩展区单元的数码管、发光二极管上显示对应的数据。IN单元通过一片74HC245(三态门)，连接到内部数据总线iDBus上，分时提供地

3、址、数据。MAR由锁存器（74HC574，锁存写入的地址数据）、三态门（74HC245、控制锁存器中的地址数据是否输出到地址总线上）、8个发光二极管（显示锁存器中的地址数据）组成。T2、T3由CON单元提供，按一次CON单元的uSTEP键，时序单元发出T1信号；按一次uSTEP键，时序单元发出T2信号；按一次uSTEP键，时序单元发出T3信号；再按一次uSTEP键，时序单元又发出T1信号，按一次STEP键，相当于按了三次uSTEP键，依次发出T1、T2、T3信号。其余信号由开关区单元的拨动开关模拟给出，其中M_nI/O应为高（即对MEM读写操作）电平有效，nRD、nWR、wMAR、nMAROE

4、、IN单元的nCS、nRD都是低电平有效。三、实验结果及分析四、思考题1本实验系统中所使用的存储芯片的容量有多大？系统中实际可访问的空间是多大? 2K*8位、256*8位本实验系统中存储器的读写控制信号如何得到的？它们各自在什么时候有效？通过手拨动开关来获得控制信号，OE：读信号线，低电平有效。WE：写信号线，低电平有效。实验二 系统总线和具有基本输入输出功能的总线接口实验一、实验目的理解总线的概念及其特性；掌握控制总线的功能和应用。二、实验内容由于存储器和输入、输出设备最终是要挂接到外部总线上，所以需要外部总线提供数据信号、地址信号以及控制信号。在该实验平台中，外部总线分为数据总线、地址总线

5、、和控制总线，分别为外设提供上述信号。外部总线和CPU内总线之间通过三态门连接，同时实现了内外总线的分离和对于数据流向的控制。地址总线可以为外部设备提供地址信号和片选信号。由地址总线的高位进行译码，系统的I/O地址译码原理见下图（在地址总线单元）。 由于使用A6、A7进行译码，I/O地址空间被分为四个区，如表所示：I/O地址译码原理图A07 A06片 选地址范围00IO_nCE000-3F01IO_nCE140-7F10IO_nCE280-BF11IO_nCE3C0-FFI/O地址空间分配CPU通过读写控制逻辑，控制MEM和I/O设备的读写。实验中的读写控制逻辑如下图：读写控制逻辑M_nIO用

6、来选择对MEM还是I/O读写，M_nIO = 1，选择存贮器MEM；M_nIO = 0，选择I/O设备。nRD = 0为读操作；nWR = 0为写操作。对MEM、I/O的写脉冲宽度与T2一致；读脉冲宽度与T2+T3一致，T2、T3由CON单元提供。在理解读写控制逻辑的基础上我们设计一个总线传输的实验。实验所用总线传输实验框图如下图所示，它将几种不同的设备挂至总线上，有存贮器、输入设备、输出设备、寄存器。这些设备都需要有三态输出控制，按照传输要求恰当有序的控制它们，就可实现总线信息传输。总线传输实验框图一、读写控制逻辑实验1、连线说明： CBus单元：M_nIO、nRD、nWR、nINTA(JP

7、42)开关区单元：K15.K12(JP92)CBus单元：nM_RD、nM_WR、nIO_RD、nIO_WR (JP50)扩展区单元：JP67 注意：nINTA(K12)置“1”，使中断响应信号不干扰读写存贮器。2、打开实验仪电源，按CON单元的nRST按键，复位实验仪3、如果EXEC键上方指示灯点亮，表示实验仪在运行状态；否则，按一次EXEC键，使EXEC键上方指示灯点亮 4、对MEM进行读操作（M_nIO = 1、nRD = 0、nWR = 1），按CON单元的uSTEP键，在T2、T3时刻，扩展区单元JP67对应的DS159指示灯熄灭，DS160-DS162指示灯点亮，表示nM_RD读信

8、号在T2、T3时刻有效 5、对MEM进行写操作（M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 0），按CON单元的uSTEP键，在T2时刻，扩展区单元JP67对应的DS160指示灯熄灭，DS159、DS161、DS162指示灯点亮，表示nM_WR写信号在T2时刻有效 6、对I/O进行读操作（M_nIO = 0、nRD = 0、nWR = 1），按CON单元的uSTEP键，在T2、T3时刻，扩展区单元JP67对应的DS161指示灯熄灭，DS159、DS160、DS162指示灯点亮，表示nIO_RD读信号在T2、T3时刻有效 7、对I/O进行写操作（M_nIO = 0、nRD = 1、nWR =

9、 0），按CON单元的uSTEP键，在T2时刻，扩展区单元JP67对应的DS162指示灯熄灭，DS159-DS161指示灯点亮，表示nIO_WR写信号在T2时刻有效二、基本输入输出功能的总线接口实验。1、根据挂在总线上的几个基本部件，设计一个简单的流程：输入设备将一个数打入R0寄存器。输入设备将另一个数打入地址寄存器。将R0寄存器中的数写入到当前地址的存储器中。将当前地址的存储器中的数通过OUT单元用LED数码管显示。2、连线说明：CBus单元：M_nIO、nRD、nWR、nINTA(JP42)开关区单元：K5.K12(JP92)ALU单元：rR0、wR0开关区单元：K9、K8ALU单元：IN

10、0.IN7(JP22)iDBus单元：JP37MAR单元：nMAROE、wMAR(JP13)开关区单元：K11、K10(JP94)MAR单元：D0.D7(JP14)iDBus单元：iD0.iD7(JP38)存贮器MEM单元：A0.A7(JP72)ABus单元：A00.A07(JP56)存贮器MEM单元：D0.D7(JP73)DBus单元：D0.D7(JP53)存贮器MEM单元：M_nRD、M_nWR(JP71)CBus单元：nM_RD、nM_WR (JP44)IN单元：IN0.IN7(JP101)DBus单元：D0.D7(JP52)IN单元：nRDCBus单元：nIO_RD(JP49)IN单元

11、：nCS扩展区单元：GNDOUT单元：nWR(JP68)CBus单元：nIO_WR(JP48)OUT单元：nCS扩展区单元：GNDOUT单元：JP69DBus单元：D0.D7(JP54)OUT单元：JP70扩展区单元：JP65 注意：nINTA(K12)置“1”，使中断响应信号不干扰读写存贮器。3、具体操作步骤图示如下：在星研软件的工具条中选择“简单模型机实验”，打开简单模型机实验的数据通路图。(1)拨动开关区单元开关：M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1、nINTA = 1、rR0 = 1、wR0 = 1、wMAR = 1；nMAROE = 0(允许地址寄存器MAR输出到地址总

12、线)(2) 打开实验仪电源(3)通过输入设备（IN单元）将数据55H写入R0寄存器将IN单元置01010101，wR0 = 0,允许写寄存器R0，M_nIO = 0、nRD = 0、nWR = 1，点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，T2、T3时刻IN单元输出数据，在T3的下降沿IN单元输出的数据写入R0。wR0 = 1，结束写R0操作(4)读R0中数据写入存贮器MEM的15H单元将IN单元置00010101，wMAR = 0，允许写MAR，M_nIO = 0、nRD = 0、nWR = 1，点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T3的下

13、降沿IN单元输出的数据写入地址寄存器MAR。wMAR = 1,结束写MAR操作。rR0 = 0,允许读寄存器R0；M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 0，允许写存贮器；点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T2的时刻完成对存贮器的写入操作。rR0 = 1， M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1，结束写MEM操作。(5)将当前地址的存贮器中数据读出，写入R0寄存器中。将IN单元置00010101，wMAR = 0，允许写MAR，M_nIO = 0、nRD = 0、nWR = 1，点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，

14、在T3的下降沿IN单元输出的数据写入地址寄存器MAR。wMAR = 1,结束写MAR操作。wR0 = 0,允许写寄存器R0；M_nIO = 1、nRD = 0、nWR = 1，允许读存贮器；点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，T2、T3时刻MEM单元输出数据，在T3的下降沿MEM单元输出的数据写入R0。wR0 = 1，M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1，结束写R0操作。(6)读R0寄存器，数据写入OUT单元，用数码管显示数据。rR0 = 0, 允许读寄存器R0；M_nIO = 0、nRD = 1、nWR = 0，允许写I/O设备；点击星研软件“单节拍

15、运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T2的下降沿，R0寄存器输出的数据写入OUT单元。rR0 = 1、M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1，结束本次操作。三、实验结果及分析本次实验由于是2人完成，由我的学号作为地址，将另一个人的学号输出。四、思考题本实验系统中外设的读写控制信号如何得到的？对外设的读、写控制信号能不能同时发出？对存储器呢？本实验系统中外设的读写控制信号是拨开关得到的，对外设的读、写控制信号不能同时发出，对存储器的读、写控制信号也不能同时发出。总线上的部件输出数据时为什么要加三态门？三态门是一种扩展逻辑功能的输出级，也是一种控制开关。主要是用于总线的连接，

16、因为总线只允许同时只有一个使用者。通常在数据总线上接有多个器件，每个器件通过OE/CE之类的信号选通。如器件没有选通的话它就处于高阻态，相当于没有接在总线上，不影响其它器件的工作。实验三 具有中断控制功能的总线接口实验具有 DMA控制功能的总线接口实验一、实验目的DMA控制信号线的功能和应用；掌握在系统总线上设计 DMA控制信号线的方法。 二、实验内容直接存贮器传送DMA是指将外设的数据不经过CPU直接送入存贮器，或者，从存贮器不经过CPU直接送往外围设备。一次DMA传送只需要执行一个DMA周期，能够满足一些高速外设数据传输的需要。现在流行的ARM类CPU，内部集成有多个DMA控制器，允许SD

17、卡、USB、CAN、串口、AD、DA等与存贮器之间通过DMA方式传输数据，可以大大减少占用CPU的时间。DMA控制器（简称DMAC）传输数据时，需要占用总线，总线的控制权需要在CPU和DMAC之间切换，这就需要控制总线提供相应的信号，实现这种切换，避免总线竞争。外设需要DMA传输时，向DMAC提出请求，DMAC通过控制总线HOLD信号向CPU提出DMA请求；CPU在当前总线周期结束时，响应DMA请求：释放总线控制权，发出有效HLDA信号给DMAC；DMAC接受总线控制权，开始DMA传输，传送完毕后，撤销HOLD信号，释放总线控制权；CPU收回总线控制权，同时使HLDA信号失效。实验原理图如上图

18、所示，CPU在每个机器周期的T3时刻结束时锁存DMA请求HOLD，如果有DMA请求，生成有效的HLDA信号，（1）锁住CPU时钟信号，使T1、T2、T3均无效，冻住CPU（2）释放控制总线、数据总线、地址总线，外部总线都处于高阻状态；DMAC接受总线控制权，等DMA传输完毕，撤消HOLD信号；CPU在每个时钟周期，检查HOLD信号，监测到无效的HOLD的信号后，（1）CPU输出时钟信号，使CPU可以继续工作（2）收回控制总线、数据总线、地址总线控制权。在本实验中，检查U36（74HC245，CPU内外数据总线缓冲器）、U37（74HC245，CPU内外地址总线缓冲器）的OE脚，判断CPU是否失

19、去数据总线、地址总线的控制权；通过检查CBus单元的nIO_RD、nIO_WR、nM_RD、nM_WR信号，检查CPU对控制总线的控制权。三、实验结果及分析四、思考题响应中断的条件是什么？答：1、有中断源发出的中断请求；2、中断总允许位EA=1，即CPU开中断；3、申请中断的中断源的中断允许位为1，即中断没有被屏蔽；4、无同级或更高级中断正在被服务；5、当前的指令周期已经结束中断源的中断向量地址是通过数据线还是地址线送给？答：数据线响应请求后，其地址线、数据线和控制线引脚出现什么状态？答：高阻态实验四 基本运算器实验一、实验目的了解运算器的组成结构；掌握运算器的工作原理。二、实验内容运算器内部

20、含有三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，要处理的数据存于暂存器A和暂存器 B，三个部件同时接受来自A和B的数据（有些处理器体系结构把移位运算器放于算术和逻辑运算部件之前，如ARM），控制信号S3.S0、CN_I决定哪个部件工作、对操作数进行何种运算，S3.S0通过多路选择开关选择这个部件的结果作为ALU的输出；如果运算影响进位标志FC、零标志FZ、正负标志位FS，在T3状态的下降沿，结果分别锁存到FC、FZ、FS ；I是中断允许标志位。ALU中所有模块集成在一片 CPLD中。逻辑运算部件由逻辑门构成，较为简单，后一节有专门的算术运算部件设计实验，在此对这两个部件不再赘述。移位运算

21、采用的是88位桶形移位器，这样，可以使所有的移位操作都可以一次完成。下图是一个44位桶形移位器所有的输入通过交叉开关与所有的输出端相连。如右移2位，第2条对角线(右移2)上的2个交叉开关接通，即第3位(in3)右移至第1位(out1),第2位(in2)移至第0位(out0)。又如右环移1位，第3条对角线(右移1)和第7条对角线(左3，3=4-1)同时有效，即可方便地实现右环移。逻辑左移/右移只须把没连接的输出位同时充以“0”即可实现；算术右移也只须把没连接的输出位用符号位填充即可。运算器部件由一片CPLD实现。ALU的输出通过三态门连到CPU内部数据总线（iDBus）上，另外还有指示灯标明进位

22、标志FC、零标志FZ、正负标志FS。请注意：图中T1、T2、T3、nRST已与CON单元相连，其它信号都来自于ALU单元的排针上。实验仪所有单元的T1、T2、T3、nRST已与控制台（CON）单元的T1、T2、T3、nRst连接，nRst提供复位信号；T1、T2、T3是一个微指令周期的三个节拍，高电平有效，瞬间只有一个信号有效，初始状态T1、T2、T3都是低电平。wA（允许写暂存器A）、wB(允许写暂存器B）、rALU(允许ALU结果输出到内部数据总线（iDBus）上)，都是低电平有效。暂存器A和暂存器B的数据能在 LED灯上实时显示，原理如下图： 进位标志FC、零标志FZ、正负标志FS、内部

23、数据总线 iD7iD0的显示原理与此类似；B、寄存器R0-3、堆栈寄存器SP、标志寄存器PSW（含FC、FZ、FS、I）共用R_0.R_7八个发光二极管，通过Select按键选择，按键上方的发光二极管指示R_0.R_7显示那个寄存器的值。ALU功能表运算类型S3 S2 S1 S0CN_I功能逻辑运算00000F = A （直通）00001F = B （直通）0001XF = A + B （或）（FZ）0010XF = A * B （与）（FZ）0011XF = A B （异或）（FZ）0100XF = /A （取反）（FZ）移位运算01010F = A 不带进位循环右移B(取低3位)位（FZ）

24、1F = A 算术右移一位（FZ）01100F = A 逻辑右移一位（FZ）1F = A 带进位循环右移一位（FC，FZ）01110F = A 逻辑左移一位（FZ）1F = A 带进位循环左移一位（FC，FZ）算术运算10000F = A + B（FC，FZ，FS）1F = A + B + FC（FC，FZ，FS）10010F = A - B（FC，FZ，FS）1F = A - B - FC（FC，FZ，FS）10100F = A + 1（FZ）1F = NEG A (取补)（FZ）1011XF = A - 1（FZ）其它1100X置FC = CN_I（FC）1101X置I = CN_I(I)

25、1110（保留）1111（保留）S3、S2、S1、S0、CN_I为控制信号，FC-进位标志，FZ-零标志，FS-正负标志，I-中断允许标志；表中功能栏内的FC、FZ、FS表示当前运算会影响到该标志。*表中X表示任意值，下同1、连线说明：ALU单元：S0.S3(JP18)开关区单元：K20.K23(JP89)ALU单元：wA、wB、rALU、CN_I(JP19)标题：上海发出通知为大学生就业鼓励自主创业，灵活就业 2004年3月17日开关区单元：K15.K12(JP92)就算你买手工艺品来送给朋友也是一份意义非凡的绝佳礼品哦。而这一份礼物于在工艺品店买的现成的礼品相比，就有价值意义，虽然它的成本

26、比较低但它毕竟它是你花心血花时间去完成的。就像现在最流行的针织围巾，为何会如此深得人心，更有人称它为温暖牌绝大部分多是因为这个原因哦。而且还可以锻炼你的动手能力，不仅实用还有很大的装饰功用哦。ALU单元：ALU_D0.ALU_D7(JP25)3、消费“多样化”扩展区单元：JP62木质、石质、骨质、琉璃、藏银一颗颗、一粒粒、一片片，都浓缩了自然之美，展现着千种风情、万种诱惑，与中国结艺的朴实形成了鲜明的对比，代表着欧洲贵族风格的饰品成了他们最大的主题。ALU单元：IN0.IN7(JP22)1、现代文化对大学生饰品消费的影响开关区单元：K0.K7(JP97) 2、打开实验仪电源，按CON单元的nR

27、ST按键，将ALU的A、B、FC、FZ、FS、I清零；如果EXEC键上方指示灯不亮，请按一次EXEC键，点亮指示灯，表示实验仪在运行状态。3、给暂存器A赋初值（1）拨动开关区单元的K7.K0开关，形成二进制数01011000（或其它值）；指示灯亮，表示该位是1，灭为0。2、传统文化对大学生饰品消费的影响（2）拨动开关区单元K15(wA)、K14(wB)、K13(rALU)、K12(CN_I)开关，赋wA=0（允许写A）、wB=1（禁止写B）、rALU=1(不允许ALU输出)、CN_I=0，按CON单元的STEP按键一次,产生一个T1的下降沿，将二进制数01011000写入暂存器A中，ALU单元

28、的A_7A_0LED上显示A中的值 4、给暂存器B赋初值4、“体验化” 消费（1）拨动开关区单元的K7.K0开关，形成二进制数10101011（或其它值）。（2）赋wA=1（禁止写A）、wB=0（允许写B）、rALU=1(不允许ALU输出)、CN_I=0，按CON单元的STEP按键一次,产生一个T2的下降沿，将二进制数10101011写入暂存器B中，ALU单元的R_7R_0LED上显示B中的值（六）DIY手工艺品的“创作交流性”5、赋wA=1（禁止写A）、wB=1（禁止写B）、rALU(K10)=0,按uSTEP键，进入T3节拍，节拍十几年的学校教育让我们大学生掌握了足够的科学文化知识，深韵的

29、文化底子为我们创业奠定了一定的基础。特别是在大学期间，我们学到的不单单是书本知识，假期的打工经验也帮了大忙。DS169DS168营销调研课题T1、T2、T3无效（T1=0、T2=0、T3=0）00T1（T1=1、T2=0、T3=0）01T2（T1=0、T2=1、T3=0）10T3（T1=0、T2=0、T3=1）11说明：1-亮；0-灭当rALU(K13)=0，如果S3S2S1S0的值是0000时，T2、T3节拍时，允许ALU结果输出；S3S2S1S0的值是其它数值，T3节拍时，允许ALU结果输出，显示于扩展区的二位数码管、DS94.DS101的LED上。6、根据后边的“运算结果表”，改变K20

30、（S0）、K21（S1）、K22（S2）、K23（S3）、K12（CN_I）的值，观察并记录运算器的输出。例如：S0=0，S1=0，S2=0，S3=0，ALU的D7_D0 = 58H；FC、FZ、FS、I不变。注意：只有按CON单元的STEP按键一次，产生一个T3的下降沿，ALU才将标志位FC、FZ、FS、I写入标志寄存器PSW中，才能在ALU单元的FZ、FC、FS、I指示灯上看到结果。如果实验仪、PC联机操作，则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果，方法是：打开软件，在星研软件的工具条中选择“运算器实验”，打开运算器实验的数据通路图。进行上面的手动操作，点击工具条上单节拍或单周期命令图标，数据通路图会反映当前运算器所做的操作。数据通路图重复上述操作，并完成下表。然后改变A、B、CN_I的值，验证 FC、FZ