运算器存储器实验指导.docx
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运算器存储器实验指导
实验指导
实验1基本算术逻辑运算实验
一、实验目的
1.掌握简单运算器的数据传送通路。
2.掌握运算器的组成及工作原理。
3.了解4位算术逻辑单元74LS181的组合功能，熟悉运算器执行算术操作和逻辑操作的具体实现过程。
4.验证带进位控制的74LS181的功能。
二、预习要求
1.复习本次实验所用的各种数字集成电路的性能及工作原理。
2.预习实验步骤，了解实验中要求的注意之处。
三、实验设备
EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套，排线若干。
附：
EL-JY-II型计算机组成原理实验系统简介
（1）实验系统采用“基板+CPU板”形式，将系统公共部分放置在基板上，兼容8位机和16位机，同一套系统通过更换不同的CPU板即可完成8位机或16位机的实验。
（2）实验系统提供面包板和PLD实验板，能自行设计实验内容。
可在单片机控制下编程、显示和完成实验，也可在PC机上编程、传送、装载、调试和运行等，还可手动完成全部实验，具备单步执行一条微指令或一条机器指令、连续运行程序、联机打印等功能。
（3）系统支持动态微程序设计，微程序指令格式及定义可由用户自行设计并装入E2PROM。
采用红、黄、绿三种颜色指示灯以及数码管等多种形式的显示方法。
（4）实验系统的基板是8位机和16位机的公共部分，包括数据输入/输出、显示及监控、脉冲源及时序、数据和地址总线、8255接口、单片机控制接口和键盘操作、与PC机通讯接口、主存储器、微代码输入及显示、电源、PLD实验板、自由布线区等。
基板布局如图3-20所示。
图3-20EL-JY-II型计算机组成原理实验系统基板布局
（5）实验系统的CPU板分为8位机和16位机两种，除数据总线和地址总线分别为8位和16位以外，还包括微程序控制器、运算器、寄存器堆、程序计数器、指令寄存器、指令译码、地址寄存器、数据和控制总线等。
CPU板布局如图3-21所示。
图3-21EL-JY-II型计算机组成原理实验系统CPU板布局
四、电路组成
实验系统的运算器模块由算术逻辑单元ALU（74LS181）、暂存器（74LS273）、三态门（74LS244）和进位控制电路及GAL芯片等组成。
运算器的结构框图如图3-22所示。
图3-22运算器的结构框图
算术逻辑单元ALU是运算器的核心。
集成电路74LS181是4位运算器，两片74LS181以并/串形式构成8位运算器，可以对两个8位二进制数进行多种算术或逻辑运算，74LS181有高电平和低电平两种工作方式，高电平方式采用原码输入/输出，低电平方式采用反码输入/输出，这里采用高电平方式。
74LS181的功能控制条件由S3、S2、S1、S0、M、Cn决定。
高电平工作方式74LS181的功能、管脚分配和引出端功能符号如图3-23所示。
图3-2374LS181管脚分配及输出端功能符号
两片74LS273作为两个8位数据暂存器，其控制信号分别为LDR1和LDR2，当LDR1和LDR2为高电平有效时，在T4脉冲的前沿，总线上的数据被送入暂存器保存。
74LS273的管脚分配和引出端功能符号如图3-24所示。
图3-2474LS273管脚分配及功能表
三态门74LS244作为输出缓冲器，由ALU-G信号控制，ALU-G为“0”时，三态门开通，此时其输出等于其输入；ALU-G为“1”时，三态门关闭，此时其输出呈高阻。
74LS244的管脚分配和引出端功能符号如图3-25所示。
图3-2574LS244管脚分配及功能
五、实验原理及实验内容
1.实验原理
实验中所用的运算器连线如图3-26所示（采用单片机键盘操作方式）。
运算器由两片74LS181以并/串形式构成8位字长的ALU。
运算器输出经过三态门74LS245和数据总线相连，运算器的两个数据输入端分别由两个锁存器74LS373锁存，锁存器的输入连至数据总线，数据显示灯已与数据总线相连，用来显示数据总线的内容。
图3-26中除了T4为脉冲信号，其它均为电平信号。
电路中时序信号均已连好。
2.实验步骤及内容
（1）按照原理图，参考连线图连接电路，仔细查线无误后，接通电源。
（2）拨动清零开关CLR使指示灯灭。
再拨动CLR使指示灯亮。
（3）在监控滚动条显示[CLASSSELECt]时按[实验选择]键，显示[ES--__],输入“01”，按[确认]键，监控显示为[ES01]，表示准备进入本实验程序，也可按[取消]键取消上一操作，重新输入。
图3-26运算器实验连线
（4）再按[确认]键，监控显示[InSt--]，提示输入运算指令，输入两位十六进制数，选择执行规定的操作，按[确认]键。
（5）监控显示[L0=0]，此处L0相当于表3-6中的算术/逻辑运算标志M，默认为M=0，进行算术运算；若M=1时进行逻辑运算，按[确认]键，显示[Cn=0]，默认“0”，此时进行带进位运算，也可输入“1”进行不带位运算（注：
如前面选择逻辑运算则Cn不起作用）。
按[确认]键，显示[Ar=1]，使用默认值“1”，关闭进位输入，也可输入“0”打开进位输入，按[确认]键。
（6）监控显示[DATA]，提示输入第一个数据，如输入十六进制数[1234H]，按[确认]，显示[DATA]，提示输入第二个数，如输入十六进制数[5678H]，按[确认]，监控显示[FINISH]，表示运算结束，可从数据总线显示灯观察结果，CY指示灯显示进位输出结果，按[确认]，监控显示[ES01]，可执行下一运算操作。
（7）在给定LT1=1234H、LT2=5678H的情况下，改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，填入表3-7中，并进行比较论证。
表3-7给定LT1=1234H、LT2=5678H时运算器功能设置及输出
S3S2S1S0
M=0
M=1（逻辑运算）
Cn=1（无进位）
Cn=0（有进位）
00或0
F=0001001000110100
F=0001001000110101
F=1110110111001011
01或1
=010*********
=010*********
F=1010100110000011
02或2
F=1011101110110111
F=1011101110111000
=010*********
03或3
F=111111*********1
F=0000000000000000
F=0000000000000000
04或4
F=0001001000111000
F=0001001000111001
F=1110110111001111
05或5
=010*********
=010*********
F=1010100110000111
06或6
F=1011101110111011
F=1011101110111100
=010*********
07或7
F=0000000000000011
F=0000000000000000
F=0000000000000100
08或8
F=0010010001100100
F=0010010001100101
F=111111*********1
09或9
F=0110100010101100
F=0110100010101101
F=1011101110110011
0A或A
F=110011*********1
F=110011*********0
=010*********
0B或B
F=0001001000101111
F=0001001000110000
F=0001001000110000
0C或C
F=0010010001101000
F=001001000110100
F=0000000000000001
0D或D
F=0110100010110000
F=011000010110001
F=1011101110110111
0E或E
F=110011*********1
F=110011*********0
=010*********
0F或F
F=0001001000110011
F=0001001000110100
F=0001001000110100
六、注意事项
（1）应在实验前掌握典型芯片的功能及控制信号的作用。
（2）实验过程中应认真进行操作，既不要因为粗心造成短路等事故而损坏设备，又要仔细思考实验有关内容，提高学习的主动性和创造性，把学习中存在的问题通过实验理解清楚，争取最好的实验效果。
（3）实验之后应认真思考总结，写出实验报告，包括实验步骤和具体实验结果，遇到的主要问题、故障现象和分析与解决的思路。
实验报告中应写出学习心得、切身体会和本次实验的收获，也可对教学实验提出新的建议。
实验2移位运算实验
一、实验目的
1.掌握移位控制的功能及工作原理。
2.输入数据，利用移位寄存器进行移位。
3.验证移位运算控制的组合功能及用FPGA的实现方法。
4.熟悉带进位控制的算术逻辑运算器的组成。
二、预习要求
1.熟悉移位寄存器的功能。
2.预习移位运算电路的工作原理。
三、实验设备
EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套，排线若干。
四、电路组成
本模块由逻辑控制单元（由一片GAL构成）和带三态输出的移位寄存器74LS299等组成。
74LS299具有并行接数、左移、右移、保持等功能，且具有三态输出。
移位运算器实验电路如图3-27所示。
图3-27移位运算器实验电路
移位运算实验电路的功能由S1、S0、M等信号组合后控制，具体功能如表3-7所示。
表3-7移位运算器的功能
G-299
S1
S0
M
T4
功能
0
0
0
X
↑
保持
0
1
0
0
↑
循环右移
0
1
0
1
↑
带进位循环右移
0
0
1
0
↑
循环左移
0
0
1
1
↑
带进位循环左移
1
1
1
X
↑
置数（进位保持）
0
1
1
0
↑
置数（进位清零）
0
1
1
1
↑
置数（进位置1）
五、实验原理及实验内容
1.实验原理
移位运算实验连线如图3-28所示，电路使用一片74LS299作为移位发生器，其输入/输出端以排针方式和总线单元连接。
G-299信号控制其使能端，T4时序为时钟脉冲，实验时将T4接至单脉冲发生器，由S1、S0、M信号控制其功能状态。
在进行寄存器数据移位实验时，把T4和通用寄存器的工作脉冲接在一起，当选择带进位左移动时，在工作脉冲下，通用寄存器的最高位将移入进位寄存器中，进位寄存器中的值将移入通用寄存器的最低位。
当进位寄存器中的值为1时，LED（CY）发亮，若进位寄存器中的值为0时，LED（CY）灭。
同样在带进位右移时，也会产生这样的效果。
图3-28移位运算器实验连线
2.实验步骤及内容
（1）按照实验连线图连接电路，仔细查线无误后，接通电源。
（2）拨动清零开关CLR使指示灯灭。
再拨动CLR使其点亮。
（3）在监控滚动条显示[CLASSSELECt]时按[实验选择]键，显示[ES--__]，输入“02”，按[确认]键，监控显示为[ES02]，表示准备进入实验程序，也可按[取消]键取消上一操作，重新输入。
（4）按[确认]键，监控显示[E/E0--]，提示输入操作指令（E/E0相当于G-299二进制“11”关闭输出，“00”允许输出），输入二进制数“11”关闭输出，在输入过程中，可按取消键进行输入修改，再按[确认]键。
（5）监控显示[L0=0]，此处L0相当表3-6算术/逻辑运算标志中的M，默认为“0”，按[确认]键。
（6）监控指示灯显示[S0S1--]，提示输入移位控制指令，输入二进制“11”，对移位寄存器进行置数操作，按[确认]键。
（7）监控显示[DATA]，提示输入要移位数据，输入十六进制数[0001]，按[确认]，显示[PULSE]，此时按[单步]，将数据存入寄存器中可对其进行移位操作。
（8）监控指示灯显示[ES02]，按[确认]进行移位操作，显示[E/E0--]，提示输入操作指令，输入“00”，允许输出，按[确认]键。
（9）监控指示灯显示[L0=0]，和前面一样，输入“0”选择不带位操作，按[确认]键，监控显示[S0S1--]，输入“01”，表示对输入数据进行循环右移，显示[PULSE]，按[单步]键，对数据“0001”执行一次右移操作，数据总线指示灯显示为1000000000000000，按[确认]键显示010*********，连续按[单步]键可单步执行，按[全速]键，监控指示灯显示[Run]，则可连续执行右移操作，观察数据总线指示灯的变化，判断结果是否正确。
（10）重新输入数据“FFFF”，进行带进位的循环右移，观察数据总线指示灯的变化，判断结果的正确性。
实验指导
实验3静态随机存储器RAM的特性和使用实验
一、实验目的
1.掌握静态随机存储器RAM的工作原理。
2.熟悉6116的芯片引脚功能和实验系统连线。
3.掌握静态随机存储器RAM的读写操作过程。
二、预习要求
1.复习本次实验所用的6116、74LS373、74LS245等集成电路性能及工作原理。
2.预习实验步骤，了解存储器读写操作的注意事项。
三、实验设备
EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套，排线若干。
四、实验电路组成
本实验所用静态存储器由6116（2K×8）构成，因地址寄存器为8位，接入6116的地址A7~A0，而高3位A8-A10接地，所以其实际容量为28＝256字节。
6116有三个控制线，CE（片选）、R（读）、W（写）。
其写时间与T3脉冲宽度一致。
6116的管脚信号和功能如图4-46所示。
图4-466116管脚分配及其功能
实验连线如图4-47所示。
系统中静态存储器由2片6116（2K×8）构成，本实验仅使用了一片（8位，另一片为16位机准备）。
其数据线D0~D7接到数据总线，地址线A0~A7由地址锁存器（74LS273）给出。
黄色地址显示灯MA7~MA0与地址总线相连，显示地址总线的内容。
数据经三态门（74LS245）连至数据总线，分时给出地址和数据。
图4-47存储器实验接线图
五、实验原理及实验内容
写数据：
拨动清零开关CLR，使其指示灯显示状态为亮—灭—亮。
在监视指示灯滚动显示[CLASSSELECt]时按[实验选择]键，显示[ES--__]输入03或3，按[确认]键,监控指示灯显示为[ES03],表示准备进入实验三程序，也可按[取消]键来取消上一步操作，重新输入。
再按[确认]键，进入实验三程序。
监控指示灯显示为[CtL=--],输入1，表示准备对RAM进行写数据，在输入过程中，可按[取消]键进行输入修改，按[确认]键。
监控指示灯显示为[Addr--],提示输入2位16进制数地址，输入“00”按[确认]键，监视指示灯显示[dAtA],提示输入写入存储器地址的数据（4为16进制数），输入“3344”按[确认]键，监视指示灯显示[PULSH]，提示输入单步，按[单步]键，完成对RAM一条数据的输入，数据总线显示灯（绿色）显示“0011001101000100”，即数据“3344”，地址显示灯显示“00000000”，即地址“00”。
监控指示灯重新显示[Addr--],提示输入第二条数据的2位十六进制的地址。
重复上述步骤，按下表输入RAM地址及相应得数据。
地址（十六进制）
数据（十六进制）
00
3333
71
3434
42
3535
5A
5555
A3
6666
CF
ABAB
F8
7777
E6
9D9D
表3-1数据表
读数据及校验数据:
按[取消]键退出到监控指示灯显示为[ES03],或按[RAM]退出到步骤2初始状态进行实验选择。
拨动清零开关CLR，使其指示灯显示状态为亮—灭—亮。
在监控指示灯显示[ES03]状态下，按[确认]键。
监控指示灯显示为[CtL=--],提示输入2位16进制数地址，输入“00”按[确认]键，监视指示灯显示[PULSH]，提示输入单步，按[单步]键，完成对RAM一条数据的读出，数据总线显示灯（绿色）显示“0011001101000100”，即数据“3344”，地址显示灯显示“00000000”，即地址“00”。
监控指示灯重新显示为[Addr--],重复上述步骤读出表3-1的所有数据，注意观察数据总线显示灯和地址显示灯之间的对应关系，检查读出的数据是否正确。
注：
6116为静态随机存储器，如果掉电，所存的数据全部丢失！
（1）形成时钟脉冲信号T3，集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H24，调节电位器W1,使H24端输出实验所期望的频率的方波。
②将时序电路模块中的ø和H23相连，CLR置“1”。
③在时序电路模块中由两个二进制开关“STOP”和“STEP”。
将“STOP”开关置为“RUN”状态、将“STEP”开关置为“EXEC”状态时，按动微动开关START,则T3输出连续的方波信号，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。
④关闭电源。
（2）按照原理图，参考连线图连接电路，仔细查线无误后，接通电源。
由于存储器模块内部连线已经接好，因此只需完成实验电路的形成、控制信号模拟开关、时钟脉冲信号T3与存储模块的外部连线。
（3）给存储器的00、01、02、03、04地址单元中分别写入数据11、12、13、14、15，具体操作步骤入下所示：
（以向0号单元写入数据11为例）
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。
具体操作步骤如下：
（以向0号单元读出数据11为例）：
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