计算机组成原理.docx

计算机组成原理.docx

《计算机组成原理.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机组成原理.docx（15页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

计算机组成原理

一、算术逻辑运算实验（上，下）

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．学习运算器的设计方法。

4．掌握简单运算器的数据传送通路。

5．验证运算功能发生器74LS181 的组合功能。

二．实验设备 

TDN-CM+或TDN-CM++教学实验系统一套。

三．实验原理 

实验中所用的运算器数据通路图如图2.6-1。

图中所示的是由两片74LS181 芯片以并/串 形式构成的8 位字长的运算器。

右方为低4 位运算芯片，左方为高4 位运算芯片。

低位芯片 的进位输出端Cn+4 与高位芯片的进位输入端Cn 相连，使低4 位运算产生的进位送进高4 位运算中。

低位芯片的进位输入端Cn 可与外来进位相连，高位芯片的进位输出引至外部。

 两个芯片的控制端S0～S3 和M 各自相连，其控制电平按表2.6-1。

为进行双操作数运算，运算器的两个数据输入端分别由两个数据暂存器DR1、DR2（用 锁存器74LS273 实现）来锁存数据。

要将内总线上的数据锁存到DR1 或DR2 中，则锁存器 74LS273 的控制端LDDR1 或LDDR2 须为高电平。

当T4 脉冲来到的时候，总线上的数据就 被锁存进DR1 或DR2 中了。

为控制运算器向内总线上输出运算结果，在其输出端连接了一个三态门（用74LS245 实 现）。

若要将运算结果输出到总线上，则要将三态门74LS245 的控制端ALU-B 置低电平。

否则输出高阻态。

数据输入单元（实验板上印有INPUT DEVICE）用以给出参与运算的数据。

其中，输入开 关经过一个三态门（74LS245）和内总线相连，该三态门的控制信号为SW-B，取低电平时， 开关上的数据则通过三态门而送入内总线中。

  总线数据显示灯（在BUS UNIT 单元中）已与内总线相连，用来显示内总线上的数据。

 控制信号中除T4 为脉冲信号，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”单元中的相应时序信号引出端，因 此，需要将“W/R UNIT”单元中的T4 接至“STATE UNIT”单元中的微动开关KK2 的输出 端。

在进行实验时，按动微动开关，即可获得实验所需的单脉冲。

S3、S2、 S1、S0 、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU-B、SW-B 各电平控制信号则使用“SWITCH UNIT”单元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，LDDR1、 LDDR2 为高电平有效。

对于单总线数据通路，作实验时就要分时控制总线，即当向DR1、DR2 工作暂存器打入 数据时，数据开关三态门打开，这时应保证运算器输出三态门关闭；同样，当运算器输出结 果至总线时也应保证数据输入三态门是在关闭状态。

四．实验步骤 

1．按图2.6-2 连接实验电路并检查无误。

图中将用户需要连接的信号线用小圆圈标明（其 它实验相同，不再说明）。

2．开电源开关。

3．用输入开关向暂存器DR1 置数。

①拨动输入开关形成二进制数01100101（或其它数值）。

（数据显示灯亮为0，灭为1）。

②使SWITCH UNIT 单元中的开关SW-B=0（打开数据输入三态门）、ALU-B=1（关闭 ALU 输出三态门）、LDDR1=1、LDDR2=0。

③按动微动开关KK2，则将二进制数01100101 置入DR1 中。

4．用输入开关向暂存器DR2 置数。

①拨动输入开关形成二进制数10100111（或其它数值）。

②SW-B=0、ALU-B=1 保持不变，改变LDDR1、LDDR2，使LDDR1=0、LDDR2=1。

③按动微动开关KK2，则将二进制数10100111 置入DR2 中。

5．检验DR1 和DR2 中存的数是否正确。

①关闭数据输入三态门（SW-B=1），打开ALU 输出三态门（ALU-B=0），并使LDDR1=0、 LDDR2=0，关闭寄存器。

②置S3、S2、 S1、S0 、M 为1、1、1、1、1，总线显示灯则显示DR1 中的数。

 ③置S3、S2、 S1、S0 、M 为1、0、1、0、1，总线显示灯则显示DR2 中的数。

6．改变运算器的功能设置，观察运算器的输出。

①SW-B=1、ALU-B=0 保持不变。

②按表2-2 置S3、S2、 S1、S0 、M、Cn 的数值，并观察总线显示灯显示的结果。

 例如：

置S3、S2、 S1、S0 、M、Cn 为1、0、0、1、0、1，运算器作加法运算。

 置S3、S2、 S1、S0 、M、Cn 为0 、1、1、0、0、0，运算器作减法运算。

7．验证74LS181 的算术运算和逻辑运算功能（采用正逻辑） 

在给定DR1=65、DR2=A7 的情况下，改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，填 入下表中，并和理论分析进行比较、验证。

二、静态随机存储器实验（上，下）

一．实验目的 

掌握静态随机存储器RAM 工作特性及数据的读写方法。

二．实验设备 

1．TDN-CM+或TDN-CM++教学实验系统一台。

 2．PC 微机（或示波器）一台。

三．实验原理 

实验所用的半导体静态存储器电路原理如图3.6-1 所示，实验中的静态存储器由一片6116（2K×8）构成，其数据线接至数据总线，地址线由地址锁存器（74LS273）给出。

地址灯AD0～AD7 与地址线相连，显示地址线内容。

数据开关经一个三态门（74LS245）连至数据总线，分时给出地址和数据。

因地址寄存器为8 位，所以接入6116 的地址为A7～A0，而高三位A8～A10 接地，所以其实际容量为256 字节。

6116 有三个控制线：

CE（片选线）、OE（读线）、WE（写线）。

当片选有效（CE=0）时，OE=0 时进行读操作，WE=0 时进行写操作。

本实验中将OE 常接地，在此情况下，当CE=0、WE=0 时进行读操作，CE=0、WE=1 时进行写操作，其写时间与T3 脉冲宽度一致。

实验时将T3 脉冲接至实验板上时序电路模块的TS3 相应插孔中，其脉冲宽度可调，其它电平控制信号由“SWITCH UNIT”单元的二进制开关模拟，其中SW-B 为低电平有效，LDAR 为高电平有效。

四．实验步骤 

（1） 形成时钟脉冲信号T3。

具体接线方法和操作步骤如下：

① 接通电源，用示波器接入方波信号源的输出插孔H23，调节电位器W1 及W2 ，使 H23 端输出实验所期望的频率及占空比的方波。

② 将时序电路模块（STATE UNIT）单元中的ф和信号源单元（SIGNAL UNIT）中的 H23 排针相连。

③ 在时序电路模块中有两个二进制开关“STOP”和“STEP” 。

将“STOP”开关置为 “RUN”状态、“STEP”开关置为“EXEC”状态时，按动微动开关START，则TS3 端即输出为连续的方波信号，此时调节电位器W1，用示波器观察，使T3 输出实验 要 求的脉冲信号。

当“STOP”开关置为“RUN”状态、“STEP”开关置为“STEP” 状态时，每按动一次微动开关START，则T3 输出一个单脉冲，其脉冲宽度与连续方 式相同。

若用PC 联机软件中的示波器功能也能看到波形，可以代替真实示波器。

（2） 按图3.6-2 连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。

（3） 写存储器 

给存储器的00、01、02、03、04 地址单元中分别写入数据11H、12H、13H、14H、15H。

由上面的存储器实验原理图（图3.6-2）看出，由于数据和地址全由一个数据开关来给出，这就要分 时地给出。

下面的写存储器要分两个步骤：

第一步写地址，先关掉存储器的片选（CE=1）， 打开地址锁存器门控信号（LDAR=1），打开数据开关三态门（SW-B=0），由开关给出要写存 储单元的地址，按动START 产生T3 脉冲将地址打入到地址锁存器，第二步写数据，关掉地 址锁存器门控信号（LDAR=0），打开存储器片选，使处于写状态（CE=0，WE=1），由开关 给出此单元要写入的数据，按动START 产生T3 脉冲将数据写入到当前的地址单元中。

写其 它单元依次循环上述步骤。

写存储器流程如图所示：

（以向00 号单元写入11 H为例）。

4） 读存储器 

依次读出第00、01、02、03、04 号单元中的内容，观察上述各单元中的内容是否与前 

面写入的一致。

同写操作类似，读每个单元也需要两步，第一步写地址，先关掉存储器的片 选（CE=1），打开地址锁存器门控信号（LDAR=1），打开数据开关三态门（SW-B=0），由开 关给出要写存储单元的地址，按动START 产生T3 脉冲将地址打入到地址锁存器；第二步读 存储器，关掉地址锁存器门控信号（LDAR=0），关掉数据开关三态门（SW-B=1），片选存储 器，使它处于读状态（CE=0，WE=0），此时数据总线上显示的数据即为从存储器当前地址 中读出的数据内容。

读其它单元依次循环上述步骤。

读存储器操作流程如图所示：

（以从00 号单元读出11 H数据为例）。

三、总线基本实验（上，下）

一．实验目的  

1．理解总线的概念及其特性。

2．掌握总线传输控制特性。

二．实验设备 

 TDN-CM++计算机组成原理教学实验系统一台。

3．实验原理

实验所用总线传输实验框图如图4-1所示，它将几种不同的设备挂至总线上，有存储器、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，就可实验总线信息传输。

总线基本实验要求 如下：

   根据挂在总线上的几个基本部件，设计一个简单的流程：

① 输入设备将一个数打入R0寄存器。

② 输入设备将另一个数打入地址寄存器。

③ 将R0寄存器中的数写入到当前地址的存储器中。

④ 将当前地址的存储器中的数用LED数码管显示。

4．实验步骤

（1）按照下图实验接线图进行连线。

（2）实验的具体操作步骤图如图5.4-3所示。

首先应关闭所有三态门（SW-B=1,CS=1,R0-B=1,LED-B=1），并将关联的信号置为LDAR=0，LDR0=0，W/R（RAM）=1，W/R（LED）=1。

然后参照如下操作流程，先给数据开关置数，打开数据输出三态门，拨动LDR0控制信号做0→1→0动作，产生一个上升沿将数据打入到R0中；然后继续给数据开关置数，拨动LDAR控制信号作0→1→0动作，产生一个上升沿江数据打入到AR中；关闭数据开关三态门，打开R0寄存器输出控制，是存储器处于写入状态（W/R=0、CS=0），将R0中的数写到存储器中；关闭存储器片选，关闭R0寄存器输出，使存储器处于读状态（W/R=1、CS=0），打开LED片选，拨动LED的W/R控制信号做1→0→1动作，产生一个沿将数据打入到LED中。

四、具有中断功能的模型机设计与实现（上，下）

1、实验目的

1、掌握中断的概念及实现中断的过程。

2、综合应用所学计算机原理知识，设计并实现具有中断功能的计算机。

二、实验设备

1、硬件：

Yy-z02计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。

2、软件：

Yy-z02计算机组成原理实验虚拟仿真软件。

三、实验要求

1、设计一个指令系统，并基于此编写一个测试程序及中断服务程序，用于实现中断功能。

2、主程序功能为从开关输入一个数据，中断服务程序功能为对此数据执行＋1操作，并输出到输出设备显示。

四、实验原理

1、中断的概念

2、中断的实现

3、模型机中断系统

4、与中断相关的指令

1、中断的概念：

所谓中断，是指CPU在执行当前程序的过程中，由于某种特殊的原因或事故，使得CPU暂时中止当前程序的执行（即中断），转去执行处理该事故的程序（中断服务程序），处理完之后，再返回刚才的断点处，继续执行。

2、中断的实现：

中断申请：

外部中断源向CPU申请中断

实现：

CPU的中断系统保存中断请求（INTR）

中断响应：

CPU在条件满足时，响应中断请求。

3、模型机中断系统：

中断请求信号：

INT_EX、INT

中断使能信号：

INT_E

中断响应信号：

INT_R

中断向量：

由8位中断向量开关经过缓冲器送至总线

中断控制逻辑：

4、与中断相关的指令

STI：

开中断

CLI：

关中断

IRET：

中断返回

HALT：

动态停机指令

5、实验步骤

1、根据实验的要求，设计指令系统，并编写测试程序、中断服务程序和微程序。

2、确定模型机需要的功能模块，并设计连线图。

3、联机装入程序和微程序，并校验。

4、运行程序，检验结果。

注意：

外部中断信号INT_EX的模拟产生：

实验仪：

使用单脉冲开关KK产生

虚拟仿真软件：

使用“INT”按钮产生