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组成课程设计
第一章“计算机组成”分解实验
本章共设三个实验，是为课程设计整机实验而准备的。
从逻辑功能上讲，每个实验都可以是CPU整机实验中有关的一部分，但实验本身来说，又可构成一个独立的逻辑功能，每个实验的逻辑规模，其用片数均在十片左右。
因此，学生通过这些实验可以积累一些实验经验和技巧，熟悉一些中、大规模集成电路的使用方法，提高逻辑设计能力，为整机实验打下基础。
实验一启停、时序电路实验
一、实验目的
（1）加深理解启停电路的作用是对脉冲信号进行有效的控制，以保证计算机可靠地启动和停机。
（2）按对启停电路的要求设计实现电路，并通过分频，组合所需的时标信号。
二、实验原理
1．启停电路的要求
计算机是靠非常严格的节拍电平和节拍脉冲，按时间的先后次序一步一步地控制各部件工作的，所以，机器启停的标志是有无节拍脉冲，而控制节拍脉冲按一定的时序发生和停止，不能简单地用电源开关来实现。
为了使机器可靠地工作，要求启停电路在机器启动或停机时，保证每次从规定的第一个脉冲开始启动，到最后一个脉冲结束才停机，并且必须保证第一个和最后—个脉冲的波形完整。
2．启停电路的实现
（1）启停时，保证脉冲的波形完整
a．简单电路
如果只使用一个触发器来控制主脉冲的输出，由于停机触发器置“1”的状态是随机的，它的出现和消失很可能正好处于主脉冲的高电位期间，这样它的输出也就可能会使第一个或最后一个脉冲不完整，如图1-1所示。
图1-1简单的启停电路
b．改进后电路
利用维持阻塞原理，增加几片“与非门”电路，可以保证在启动或停止时，所发的脉冲都完整无缺。
其电路原理如图1-2所示。
图1-2利用维持阻塞原理的启停电路
电路的工作过程叙述如下：
（a）停机状态
＝0，YF3=1；
当m’为负跳变时，置由YF4、YF5组成的R—S触发器A=1，F6=0，即无脉冲输出。
（b）启动：
当m’＝1时，置
=1，由YF1，YF2组成的R—S触发器仍然输出B=0，YF3被阻塞，即YF3=1，A仍为“1”，无脉冲输出。
当m’＝0时，置
＝1，则由m’作用置R—S触发器B=1，YF3=0，YF4=1，YF5被打开，开始输出A=m’，F6＝m’，即输出m脉冲。
（c）停机
当m’＝1时，A＝0；
置
＝0，YF3=1，m’的高电平仍然可通过YF5，F6输出m脉冲。
当m’来低电平时，置R-S触发器A＝1，则YF4=0，关闭YF5，F6停止输出m脉冲。
（2）保证每次从规定的第一个脉冲开始启动
为保证每次从规定的第一个脉冲开始起动，我们对工作脉冲分频后，再组合成规定的时标信号。
因此，只要在停机时或启动时将分频计数器清零就行了，使分频计数器启动后总是从0-F循环输出。
分频计数器选用74LS393，其逻辑图如下图1-3所示。
图1-3
（3）保证每次到最后一个脉冲结束时停机
为保证到早后一个脉冲结束时停机，可利用最后一个时序脉冲m4作为停机定序信号；并且，为实现单次或连续工作，需设计如图1-4所示的停机电路。
图1-4
3．防抖动电路
在机器调试或运行过程中，有时要求单指或单微操作，也就是每按一次键，它只发出一个启动脉冲。
但事实上，由于开关触点的抖动，会有一串脉冲被接连发出，从而使机器在执行完毕单指或单微指操作停机后，又重新被启动，无法使机器真正在单指或单微指条件下工作，这就需要加上防抖动电路，其电路如图1-5所示。
它是用双稳态触发器加上单稳电路隔离组成的。
图1-5
其工作过程是先把触点开关信号送触发器，再用触发器翻转信号触发单稳电路。
在图3—5中，C点信号不能用作启动，因脉冲波宽太宽（手动作至少要ms级），单指令、单微指执行完成后，C点仍在低电平，即仍为启动状态；停不了机。
增加一个单稳电路，起定时作用，控制启动脉冲波宽在机器最高运行速度时的一条微指令内：
74LS123单稳电路输出脉冲宽度由RC来调节，其数值和接线方法见图1-6。
图1-6定时元件连接法
三、实验内容
（1）设计启停电路，要求能实现手动停机和单周期自动停机。
（2）节拍脉冲m经计数器分频后，用组合逻辑方法设计如图1-7所示波形的时序脉冲的电路。
（3）画出时序电路的分频脉冲波形图，写出各工作脉冲的逻辑表达式；画出启停电路和时序电路的逻辑图，元件排列图并组装成电路；显示m1-m8。
图1-7一个周期的工作脉冲波形
四、实验要求
做好“实验预习”，并按“实验报告规范”做好实验报告。
特别强调，逻辑图上门电路应用图示符号，其它用方框图，引线归类画在一侧，并标上符号和引脚号，组装时先组装启停电路，调试通过后，再组装时序电路，实验时，记录实验实测波形、启停情况、出现现象的分析，总结实验体会，提出改进意见和问题。
五、实验仪器和器件
（1）仪器：
计算机实验台和+5V直流稳压电源各一台。
（2）器件：
由附录中“集成电路清单”内选用。
六、首次实验须知
（1）凭借条领用实验用元器件；
（2）检查和清点仪器附件；
（3）按逻辑图和元件排列图接线组装；
（4）经指导老师检查后，上电进行实验操作；
（5）实验由指导老师验收通过后，整理仪器、工具、元器件、导线，办理归还手续。
实验二总线、半导体静态存贮器实验
一、实验目的
（1）熟悉挂总线的逻辑器件的特性和总线传送的逻辑实现方法。
（2）掌握半导体静态存储器的存取方法。
二、实验原理
1．总线传送
计算机全部工作过程，可以看作为信息的传送和加工过程，信息传送在机器内部是极为频繁的。
为了减少机器中的信息传输线，节省器件，提高传送能力及可靠性，采用总线方法是必不可少的。
通常用来建立总线的器件有两种：
OC门和三态门。
对OC门，由于负裁能力、阻抗匹配等问题，仅适宜于小规模的总线传送中应用，三态门是目前大量应用的总线传送器件。
其中74LS244是专作挂总线用的三态门器件之一，而74LS373锁存器亦带有三态传输门。
可直接挂上总线。
2．建立总线的几个原则
（1）互斥性：
挂上总线的各总线驱动器（发送端）必须具有分时操作的可能性，即不允许在同一总线上同时有两个发送源发送信息。
（2）一致性：
同一总线中所用挂总线的器件类型要一致，本实验均用三态门。
3．MM2114芯片介绍
（1）内部逻辑结构图（见图1-8）
图1-82114结构
（2）组成
存储体——寄存信息代码。
译码器——分行译码、列译码，以选择要访问的单元。
读写电路——将代码从存储体读出放大或写入存储体单元。
控制电路——接收读写命令，并发出相应的信息，来控制相应的读写动作。
三态输入输出缓冲器一一控制其接收或发送数据信息。
（3）存储器工作过程
读操作
①～③读一地址单元，①～⑥……连续“读”操作
写操作
①～③写一地址单元，①～⑥～⑦～④……连续“写”操作
当连续“写”操作时，一个数据被写好后，在改变地址前，WE或CS必须有一个为高电平，否则会在地址改变期间产生误写动作。
（4）2114字长的扩展
将2114芯片的地址输入端A0一A9，读写控制端WE，片选控制端CS作对应相连便可扩展字长。
例如8位存储器连接如图1-9所示。
图1-92114字长的扩展
（5）2114容量扩充
利用片选端CS及线或方式输出，分别控制某片2114芯片。
即存储器十位低位地址线A9–A0接各2114芯片相应的地址输入端，余下的高位地址经译码后输出，控制各芯片的CS端。
例：
2kx4位RAM连接如图1-10所示。
图1-102114容量扩充
4．实验电路方案
我们采用单总线结构，地址和数据信息都是通过同一组数据开关经过三态传输门挂上总线，发送到相应计数器、地址寄存器或存贮器单元中，怎样来区分送入总线的信息是地址还是数据，可以通过控制操作时序来实现。
计数器具有双向传输特性，即它可以从总线上接受信息，也可以发送数据到总线上，（计数器可选用74LSl61和74LS244构成可预置计数器，并具有双向传送逻辑功能），而输出缓冲器及地址寄存器仅是接收总线信息的一个部件。
实验电路方案如图1-11所示。
图1-11存储器实验电路方案
5．部分芯片逻辑图介绍
（1）八三态门74LS244（见图1-12）每片两组装，计八位。
图1-12八三态门74LS244（1/2）
（2）八D触发器74LS273（见图1-13）
图1-13八D触发器74LS273
（3）同步四位计数器74LS161字长扩展（见图1—14）
图1-14同步四位计数器74LS161
图1—14中：
DCBA输入端（D为高位，A为低位）；
QDQcQBQA，输出端（QD为高位，QA为低位）；
PT使能（置数或计数为高）；
LD操作模式（置数为L，计数为H），
CK置数或计数脉冲；
Ca动态进位输出Ca＝QDQcQBQA；
CR清除。
三、实验内容
（1）根据实验方案框图，选用适当元器件，画出实验电路逻辑图、元件排列图（包括控制信息对开关的定义），并组装成电路。
（2）在电路上实现下列手动单功能操作，（控制信息可用电平开关输出电平）。
四、实验要求
做好“实验预习”，并按“实验报告规范”，写好实验报告。
组装过程中，强调首先建立总线，再将各部件逐个挂总线，边挂边检查直至全部挂上，并无差错；然后，进行读写操作。
实验中，记录实测数据和波形。
最后对结果进行分析，总结心得体会与收获，提出改进建议。
五、实验仪器和器件
（1）实验台和+5V直流稳压电源各一台。
（2）器件：
由附录中“集成电路清单内选用”。
实验三运算器数据通路实验
一、实验目的
（1）熟悉74LS181函数功能发生器，提高器件在系统中应用的能力。
（2）熟悉运算器的数据传送通路。
（3）完成几种算逻运算操作，加深对运算器工作原理的理解。
二、实验原理
1．四位函数功能发生器（ALU）74LS181的功能
74LS181通过“控制参数”S3～S0和“模式控制”M，可对两个输入操作数完成32种算逻运算，并可以工作于正逻辑输入输出或负逻辑输入输出方式（本实验为正逻辑方式）。
控制端M＝0时，属算术运算；M=1时，属逻辑运算。
进位采用反码形式输入输出，电路亦可进行数的比较运算。
其操作功能可查阅附录。
2．数据传送通路实验电路方案（见图3-15）
运算器是计算机对数据进行运算的重要部件，它的核心是AlU函数功能发生器，其次还要有存放操作数和运算中间结果的寄存器、移位门、传送数据的总线等部件，在不同的控制信号下，运算器完成不同的运算功能。
在图3-15中，SA、SB为存放两个现行操作数的缓冲寄存器。
其中SA兼作存放中间结果的累加器，并给予显示。
它们仅接收来自总线的数据信息，送入ALU进行算逻运算。
ALU输出经移位门，将运算结果送入母线。
移位门挂母线是发送源，需用三态门作隔离器。
可采用74LS244兼作移位门和隔离器。
在计算机运算过程中，经常要根据运算结果和进位输出来决定程序的流程，可从ALU的A=B和Cn+4端输出判断信息，分别打入进位位C和结果Z触发器。
当n位数运算结果超出n位所能表示的数的范围时，即发生了溢出。
在八位补码形式运算中，数的表示在-128～127范围内，溢出V同操作数的符号位及运算结果的符号位输出有如下关系：
（1）加操作时，两操作数符号位（第七位）相同，才会产生溢出，即：
（2）减操作时，两操作数符号位相异，才会产生溢出，即：
所以V＝V㈩+V㈠。
实验中，为减少拟开关占用量，可在总线上挂一个指令寄存器，存放ALU的控制信息S3～S0，M、Cn。
实验电路方案如图3-15所示：
图3-15ALU数据通路实验
移位门和判电路如图3-16、3-17、3-18、3-19所示。
图3-16移位门示意图3-17结果触发器
左移采用A加A运算模式，可省掉一个移位门。
由于A＝B输出为F0～F3之“与”运算，而本实验采用正逻辑方式传送，所以，运算结果要再送ALU取反，才能判零。
图3-18进位触发器图3-19溢出触发器
三、实验内容
（1）按图3.15参考框图自行设计一个能完成表3-1所列出的八种补码运算指令的运算器。
（为简化电路，进位和结果触发器可以不设置），并按原理部分给定的溢出表达式设计实现的电路。
表3-1
指令
助记符
代码
功能
加
减
加1
减1
ADD
SUB
INR
DCR
1001
0110
0000
1111
（Sa）+（Sb）→Sa
（Sa）-（Sb）→Sa
（Sa）+1→Sa
（Sa）-1→Sa
逻辑与
取反
右移
左移
ANA
CMA
SHR
SHL
1011
0101
1010
1100
（Sa）∧（Sb）→Sa
（Sb）→Sa
（Sb）R→Sa
（Sa）L→Sa
（2）选择适当元件，画出详细实验电路逻辑图、元件排列图（包括对开关的定义），并组装成电路。
（3）在电路上进行表3-1八种指令的手动单指令操作（操作数、指令码由数据开关输入）。
（4）组装控制电路，并分别进行加减法指令的自动单次操作；接上溢出停机电路，进行加减法指令的循环自动操作。
其数据流程如图3-20所示；停机电路如图3-21所示。
自动操作控制信号仍可利用“实验一”提供的m1～m4来定序（实验台左下方固定印刷电路输出）。
图3-20加减法指令的循环自动操作
图3-21停机电路
四、实验要求
做好“实验预习”，并按“实验报告规范”做好实验报告；实验中记录实例数据和波形；对结果进行分析，总结心得、体会，提出自己的改进建议。
五、实验仪器与器件
（1）实验台和+5V直流稳压电源各一台。
（2）器件由附录中“集成电路清单”内选用。
注：
控制信号电路设计方法：
①按框图定义控制点信号名称：
（K）→BUS，LodSA，LodSB，F→BUS，LodIR
②确定IR内容：
指令
IR（S3～S0，M，Cn）
ADD
SUB
INR
DCR
ANA
CMA
SHR
SHL
100101
011000
000000
111101
10111×
01011×
10101×
110001
③手动操作控制信号开关设立置：
K0=（K）→BUS
K1＝LodV
K2＝F→BUS
K3＝FR→BUS
K4＝LodIR
A1＝LodSA
A2＝LodSB
④自动操作控制信号电路设计。
a.各种操作控制信号：
（K）→IR
送IR内容
（K）→BUS：
m3
LodIR：
m4
（K）→SA
预置
（K）→BUS：
m3
LodSA：
m4
（K）→SB
加减运算
（K）→BUS：
m1
LodSB：
m2
（SA）±（SB）→SA
LodV：
m4
F→BUS：
m3
LodSA：
m4
b．加减运算控制信号逻辑表达式：
设K0＝1/0（送IR／不送）
K1＝1/0（预置／运算）
K2＝1/0（单次／连续运算）
则（K）→BUS＝送m3+预m3+运m1
＝K1·m3十K1·m1
LodSA＝预·m4十运·m4=m4
LodSB＝运·m2＝m2
LodV＝运·m3＝m3
F→BUS=运·m3＝K1·m3
LodIR＝送·m4＝K0·m4
C．操作步骤：
送IR内容K0＝K1＝K2＝1，按A1启动；
预置K0＝0，K1＝K2＝1，按A1启动；
单次运算K0＝K1＝0，K2＝1，按A1启动；
连续循环运算K0＝K1＝K2＝0。
清Cv，按A1启动。
第二章课程设计
§1概述
在第一章三个分解实验的基础上，本章进行计算机整机实验。
从分解实验到整机实验，其过程不是简单的连接组合，而是综合提高。
要求实验者运用动态分析方法，在统一的“时空”坐标上考虑各种问题。
例如，控制信息和数据信息的流向，以及和彼此之间的关系，所选用器件的瞬态特性和负载能力；工艺布线的结构和层次；调试过程的步骤和方法等。
下面对课程设计的目的任务、模型机的指令系统、总体结构、微程序控制器、实验方案等方面按设计先后步骤作分析和介绍。
一、实验目的
（1）通过模型机的设计和调试连贯运用“计算机组成原理”课学到的知识，建立计算机的整机概念，加深对计算机“时空”概念的理解。
（2）学习设计和调试计算机的基本步骤和方法。
提高应用集成电路的基本技能，培养和提高独立工作、分析问题和解决问题的能力。
二、实验任务
（1）按给定的数据格式和指令系统在所提供的器件范围内，设计一个具有微程序控制的计算机系统，并组装调试成功。
（2）在组装调试成功的基础上，整理出设计说明书和其他文件，包括指令系统、总体框图、整机电路逻辑图、操作流程图、操作时间表、微指令格式和微程序、元件排列图、调试过程和小结等。
三、实验模型机设计考虑的几个方面
一个机器的指令系统、硬件结构如何确定，这是一个涉及面很广的问题，它主要取决于用户对机器速度、可靠性、价格的要求。
由于我们进行的教学实验的目的是进一步弄清CPU内部各部件间的相互关系，加深整机工作概念，而不是进行实际的数据处理，没有真实的受控对象，因此速度和可靠性不是重要指标，首先要考虑的是价格，即完成本实验所要花费的代价。
它的上限受到下列因素的制约：
（1）所允许的实验时间（包括设计和制作）；
（2）实验器件的来源和价格；
（3）实验台的规模；
（4）实验者的基础（包括有关的理论知识和动手能力）。
实际上这便是一个可行性问题。
不解决这个问题，指令系统和硬件结构搞得再完备也是徒劳的。
根据我们的实际条件，本模型机采用微程序控制方式，在整个设计中作如下安排：
（1）建立实现最简功能的模型，在不花费或不多花费硬件代价的前提下，力争功能的完善。
（2）由于模型机没有速度指标，因此，采用单总线结构，这样可增加系统的灵活性，以利于实验方案的修改和功能的扩展。
（3）由于一般的中、大规模器件所能处理的数据位数为4或8位，因此，本模型的数据通路宽度为8位，作补码传送。
另外，又因为对可靠性要求很低，故存储器宽度=数据宽度＝8，不设校验位。
（4）由于控存选用EPROM2716芯片，容量较大，允许微程序松散存放，允许各指令的相同操作（例如寻址操作等）设置多条相同的微指令，因此，可用指令代码直接修改得到相应的微程序入口地址。
（5）为减少译码电路和微指令长度，机器指令格式是经过精心安排才确定的，使机器指令码与74LS181ALU功能相一致的控制参数S3-S0相同。
同时，为减少移位控制电路，左移操作亦采用“A+A”运算模式。
§2数据格式和指令系统
一、数据格式
76543210
符号
数值
数据采用8位二进制定点补码表示。
其中最高位（第7位）为符号位，小数点可视为最左或最右，数值相对于十进制的表示范围为：
-1≤X＜1或-128≤X≤127
二．寻址方式
指令有单字节和双字节两种。
单字节指令的前四位为操作码，后四位中各用二位表示目的寄存器和源寄存器的地址，或表示寻址特征。
当单数操作时，其中二位无意义。
双字节指令的第一个字节为操作码。
本机共给定四种寻址方式，叙述如下：
1．立即数寻址
76543210
操作码
r1
数据
当操作码＝0001时，即认为本指令是双字节指令，且下一字节内容为操作数。
2．立即地址寻址
76543210
操作码
地址
当操作码为0111、1000、110l或第一字节为01011100，00110000时，则认为下一字节内容为操作数地址。
3．寄存器直接寻址
76543210
操作码
r1
r2
当操作码不为前两种情况，且r1、r2均不为“11”时，认为r1、r2分别表示操作数所在寄存器地址。
其中：
r1或r2的代码所指定的奇存器
00A
OlB
10C
4.寄存器间接导址
76543210
操作码
r1
r2
操作码同第三种情况，但r1或r2其中有一处为“11”，即表示这个操作数的地址在寄存器C内。
三、指令系统
一个完备的指令系统，应具有数据传送、算逻运算、程序控制、输入输出这四种功能的指令。
理论上最小的完备的指令系统的算逻运算功能是加法和移位，程控只需设置一种条件转移指令。
但是，74LSl81ALU具有32种操作模式，靠微命令码点控制，因此不需要增加任何硬件费用便可获得全部的三十二种算逻运算功能。
而程控指令的增加，也不花费硬件代价，仅是在控存CM中增加相应的操作微程序。
现给定的指令系统有30条指令，另有3条面板控制指令是同学自己设计的。
应该指出的是：
各条指令的编码可以多种多样，在此给出的仅是作者认为较好的一种，可节省译码电路和缩短微指令长度；同时，按照这种编码原则，还允许扩展该指令系统。
设计时，教师可根据各位同学的具体情况，选用部分指令作模型机的指令系统，最好能具备下面三个条件：
（1）运算功能的加法和移位指令；
（2）访问内存的存、取指令；
（3）为便于动态观察，能使程序循环的无条件转移指令。
为了叙述方便，下面采用汇编符号表达指令（其中r1、r2，分别表示“源”和“目的”两个寄存器，M表示地址在寄存器C中的存贮单元）：
指令的汇编符号功能指令格式
0010
r1
r2
（1）MOVr1，r2；（r2）→r1
0010
11
r2
（2）MOVM，r2；（r2）→（C）
0010
r1
11
（3）MOVr1，M，（（C））→r1
0001
r1
00
Data
（4）MVIr1，data；data→r1
0001
11
00
Data
（5）MVIM，data；data→（C）
1000
00
00
address
（6）STAaddress；（A）→address
0111
00
00
address
（7）LDAaddress；（address）→A
1001
00
r
（8）ADDr；（A）+（r）→A
1001
00
11
（9）ADDM；（A）+（（C））→A
0110
00
r
（10）SUBr；（A）-（r）→A
0110
00
11
（11）SUBM；（A）-（（C））→A
0000
r
11
（12）INRr；（r）+1→r
0000
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