计算机组成原理实验14.docx

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计算机组成原理实验14

实验一寄存器实验

一、实验目的

1、了解CPTH模型机中寄存器的结构、工作原理及其控制方法。

2、熟悉CPTH实验仪的基本构造及操作方法。

二、实验电路

寄存器的作用是用于保存数据的，因为CPTH模型机是8位的，因此模型机中大部寄存器是8位的，标志位寄存器（Cy,Z）是二位的。

CPTH用74HC574（8-D触发器）来构成寄存器。

74HC574的功能如表1-1所示：

图1-174HC574的引脚图

1.在CLK的上升沿将输入端的数据打入到8个触发器中

2.当OC=1时触发器的输出被关闭，当OC=0时触发器的输出数据

表1-174HC574功能表

图1-274HC574工作波形图

三、实验内容

（一）proteus仿真平台

1、proteus仿真平台简介

Proteus软件是英国LabCenterElectronics公司出版的EDA工具软件。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它的主界面如图1-3所示：

图1-3proteus仿真平台主界面

2、在proteus平台上运行电路：

寄存器_1.DSN。

拨动开关，观察灯的亮灭，回答思考题1。

思考题1：

先使OC=1，拨D0~D7=00110011，按下CK提供CLK上升沿；再拨D0~D7=01000100，OC=0，此时Q0~Q7为多少？

3、CPTH模型机上，寄存器A的电路组成如图1-4所示。

在proteus平台上运行电路：

寄存器_2.DSN，回答思考题2。

图1-4寄存器A原理图

思考题2：

数据从D端传送到Q端，相应的控制端如何设置？

3、CPTH模型机上，寄存器组R0~R3的电路组成如图1-5所示。

在proteus平台上运行电路：

寄存器_3.DSN，回答思考题3。

图1-5寄存器组R0~R3原理图

74LS139是2-4线译码器，由A、B两个输入端选择控制4个输出端Y0~Y3，使能端E低电平有效，允许译码输出。

74HC32是或门，两个输入端同时为低电平，输出为低电平。

具体的控制方式见表1-2。

表1-2寄存器组R0~R3的选择及控制

选择端

控制端

功能描述

SB

SA

RRD

RWR

CK

0

0

0

1

*

Y0为0，选中R0，内部触发器数据输出（读出）

0

1

Y1为0，选中R1，数据输出

1

0

Y2为0，选中R2，数据输出

1

1

Y3为0，选中R3，数据输出

0

0

1

0

↑

Y0为0，选中R0，数据写入内部触发器（写入）

0

1

Y1为0，选中R1，数据写入

1

0

Y2为0，选中R2，数据写入

1

1

Y3为0，选中R3，数据写入

思考题3：

给寄存器赋值（写入）R1=31H、R3=33H，具体如何操作？

读取寄存器R1的值，又如何操作？

（二）CPTH组成原理实验平台

1、在CPTH实验平台上，给寄存器A、W赋值。

具体实验连线见表1-3。

表1-3寄存器A、W实验连线表

系统清零和手动状态设定：

K23-K16开关置零，按[RST]钮；按键盘上的[TV/ME]键三次，液晶屏上显示"Hand......"，进入手动状态。

（在后面实验中实验模式为手动的操作方法不再详述）

（1）将55H写入A寄存器

二进制开关K23-K16用于DBUS[7:

0]的数据输入，置数据55H。

WEN接K4、AEN接K3，置控制信号为：

按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器A的黄色选择指示灯亮，表明选择A寄存器。

放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据55H被写入A寄存器。

（注意观察：

数据是在放开STEP键后改变的，也就是CK的上升沿数据被打入。

）

思考题4：

如果将66H同时写入寄存器A、W，应如何设置控制信号？

2、在CPTH实验平台上，对寄存器R0，R1，R2，R3进行读写操作。

具体的实验连线见表1-4。

表1-4寄存器组R0~R3实验连线表

（1）将11H写入R0寄存器

二进制开关K23-K16用于DBUS[7:

0]的数据输入，置数据11H；

置控制信号为：

按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器R0的黄色选择指示灯亮，表明选择R0寄存器。

放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据11H被写入R0寄存器。

（2）将22H写入R1寄存器

二进制开关K23-K16用于DBUS[7:

0]的数据输入，置数据22H；

置控制信号为：

按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器R1的黄色选择指示灯亮，表明选择R1寄存器。

放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据22H被写入R1寄存器。

（3）读R0寄存器

置控制信号为：

这时寄存器R0的红色输出指示灯亮，R0寄存器的数据送上数据总线。

此时数据总线指示灯L7...L0为：

00010001，将K11（RRD）置为1，关闭R0寄存器输出。

（4）读R1寄存器

置控制信号为：

这时寄存器R1的红色输出指示灯亮，R1寄存器的数据送上数据总线。

此时数据总线指示灯L7...L0为：

00100010.将K11（RRD）置为1，关闭R1寄存器输出。

（注意观察：

数据在K11（RRD）为0时输出，不需要上升沿触发，与数据打入不同。

）

思考题5：

从开关输入的数据经寄存器R0传送到数据总线的过程中，有哪些控制信号及相应的取值是什么？

四、实验报告

1、简述CPTH实验平台上，如何对寄存器A、W的进行读写。

2、回答思考题。

实验二运算器及输出实验

一、实验目的

1、了解运算器ALU的组成及控制方法。

2、CPTH实验箱中数据输出到数据总线的选择控制。

二、实验内容

（一）proteus仿真平台

1、运算器ALU组成电路

图2-1中的运算器ALU由两片74LS181（4位运算功能发生器）构成。

其中74LS181

（1）做低4位算术逻辑运算，74LS181

（2）做高4位算术逻辑运算，74LS181

（1）的进位输出信号Cn+4与74LS181

（2）的进位输入信号Cn相连，两片74LS181的控制信号S3~S0、M分别相连。

两片4位的74LS181构成了8位字长的ALU；两片8位数据锁存器74LS273作为工作寄存器A和B，用于暂存参与运算的数据；参与运算的数据由数据开关通过三态门74LS245送入工作寄存器，ALU的运算结果也通过三态门74LS245发送到数据显示灯上。

74LS245是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。

使能端CE=0、且AB=1时，数据从A→B；使能端CE=0、且AB=0时，数据从B→A；CE=1时，AB两端为高阻状态。

74LS273是带清除功能的8D触发器，做为8位的数据锁存器。

MR=0时，输出全为0（清零）；MR=1，且CLK上升沿来时，Q=D。

图2-1运算器ALU的组成电路

参与运算的数据由SW7~SW0二进制开关来设置，当SW-BUS=0时，数据通过三态门74LS245输出到数据锁存器A和B。

在CK1的上升沿将数据打入A寄存器，同时送至74LS181的A输入口；在CK2的上升沿将数据打入B寄存器，并送至74LS181的B输入口。

在proteus平台，运行电路：

运算器电路.DSN。

验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能。

观察输出信号灯的亮灭，填写表2-1，并和理论值进行比较、验证。

（给定A=65H、B=97H，要求将输出结果转换成十六进制的数填入表2-1中）

具体操作步骤：

1）运行电路；

2）设置SW7~SW0开关为65H=01100101B；

3）设置SW-BUS=0，打开数据输入端的三态门；

4）按下CK1按钮，提供一个脉冲信号的上升沿，数据打入寄存器A；

5）设置SW7~SW0开关为97H=10010111B；

6）按下CK2按钮，提供一个脉冲信号的上升沿，数据打入寄存器B；

7）设置Cn=1，ALU无进位输入；

8）设置ALU-BUS=0，打开ALU输出端的三态门；

9）将S3~S0=0000、M=0，输出指示灯应显示A中的数据01100101B；

10）将S3~S0=1010、M=1，输出指示灯应显示B中的数据10010111B；

11）改变ALU的功能模式，观察的输出（二进制数），转换成十六进制数填入表2-1中。

表2-174LS181运算器功能验证表

注意：

AB表示A、B的逻辑与运算；A’表示A的逻辑非运算；A+B表示A、B的逻辑或运算；A

B表示逻辑异或运算。

（二）CPTH组成原理实验平台

1、数据的运算

CPTH中的运算器由一片CPLD实现（可编程器件），有8种运算，通过S2，S1，S0来选择，运算数据由寄存器A及寄存器W给出，运算结果输出到直通门D。

表2-2CPTH的运算功能选择控制

表2-3CPTH运算器的实验连接线表

（1）将55H写入A寄存器

二进制开关K23-K16用于DBUS[7:

0]的数据输入，置数据55H；

置控制信号为：

按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器A的黄色选择指示灯亮，表明选择A寄存器。

放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据55H被写入A寄存器。

（2）将33H写入W寄存器

二进制开关K23-K16用于DBUS[7:

0]的数据输入，置数据33H；

置控制信号为：

按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器W的黄色选择指示灯亮，表明选择W寄存器。

放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据33H被写入W寄存器。

（3）A=55H、W=33H，设置下表的控制信号，将下表填写完整，检验运算器运算结果。

表2-4A=55H、W=33H时的各种运算结果

K5（CyIN）

K2（S2）

K1（S1）

K0（S0）

结果（直通门D）

注释

*

0

0

0

88H

加运算

*

0

0

1

*

0

1

0

*

0

1

1

*

1

1

0

*

1

1

1

0

带进位加运算

1

带进位加运算

0

带进位减运算

1

带进位减运算

注意：

运算器在加上控制信号及数据（A,W）后，立刻给出结果，不须时钟。

2、数据输出/移位

CPTH中有7个寄存器可以向数据总线输出数据，但在某一特定时刻只能有一个寄存器输出数据，由X2，X1，X0决定那一个寄存器输出数据。

图2-2数据输出选择器原理图

74HC138是3-8译码器，由输入端CBA选择Y0~Y7中的一位输出（输出低电平）。

表2-5寄存器输出选择控制

表2-6寄存器输出控制连接线表

（1）数据输出实验

置下表的控制信号，检验输出结果

（2）移位输出

图2-3ALU直接输出和零标志位产生原理图

图2-4ALU左移输出原理图

图2-5ALU右移输出原理图

直通门将运算器的结果不移位直接送总线。

当X2X1X0=100时运算器结果通过直通门送到数据总线。

同时，直通门上还有判0电路，当运算器的结果为全0时，Z=1，右移门将运算器的结果右移一位送总线。

当X2X1X0=101时运算器结果通过右通门送到数据总线。

具体内部连接见图2-6。

图2-6移位门连线

左移门将运算器的结果左移一位送总线。

当X2X1X0=110时运算器结果通过左通门送到数据总线。

具体连线见图2-6。

思考题：

（1）设置A=55H，改变CN、CyIN的值，观察移位门的输出，填写下表：

表2-7数据的移位输出结果

CN

CyIN

L

D

R

0

*

55H（01010101B）

1

0

1

1

注意：

移位与输出门是否打开无关，无论运算器结果如何，移位门都会给出移位结果。

但究竟把那一个结果送数据总线由X2X1X0输出选择决定。

（2）把右移门的数据送到数据总线，X2X1X0如何设置？

三、实验报告

1、整理实验数据、填写表格。

2、回答思考题。

实验三　存储器EM实验

一、实验目的：

1、了解CPTH实验箱存储器EM的工作原理及控制方法。

2、掌握对程序存储器EM进行读、写操作的方法。

二、实验原理及内容：

（一）proteus仿真平台

图3-1proteus仿真存储器原理图

图3-1所示的存储器EM由一片6116RAM构成，是用户存放程序和数据的地方。

6116RAM是2K*8位静态随机存储器芯片。

E片选、G读允许、W写允许均为低电平有效。

（有11根地址线，A0~A10，存储空间为211=2K）

74HC245是8线双向三态收发器。

DR方向控制端，DR=0：

B→A；DR=1：

A→B。

E输出控制端，低电平有效。

图3-1中，静态存储器6116的E端接地，片选信号有效；G端接EMRD，当EMRD=0时读存储器内容；EMWR与CK经或门后接6116的W端，当EMWR=CK=0时，W为低电平，进行写存储器的操作；地址输入引入脚A10~A8接地，因此实际存储容量为256字节。

6116的数据引脚为输入、输出双向引脚，在某一时刻只能进行读或者写的操作。

图3-1电路中，控制信号及其作用如下：

（1）EMEN：

存储器与数据总线之间的传输控制。

当EMEN=0时，三态门打开，允许数据传送；当EMEN=1时，关闭三态门。

（2）EMWR：

存储器写信号。

当EMEN=0、EMWR=0时，三态门打开，74HC245的数据传输方向B→A，按下CK（经反相器）使或门输出为低电平，此时存储器的W写信号有效，进行写存储器的操作。

松开CK后或门的输出为高电平，W信号无效；当EMWR=1时，74HC245的数据传输方向A→B。

（3）EMRD：

存储器读信号。

当EMRD=0时，存储器的G信号有效，把指定地址单元的内容读出，如果此时EMEN=0、EMWR=1，将读出的数据送到数据总线；如果此时EMEN=1，读出的数据仅送显示灯。

1、写存储器实验

在proteus平台，运行电路：

存储器EM1.DSN。

向31H、32H、33H、34H、35H存储单元分别写入数据1H、2H、3H、4H、5H。

以向31H单元写入1H为例填写以下空白：

1）设置地址及数据：

ABUS=（），DBUS=（）；

2）设置控制信号值：

EMEN=（）、EMWR=（）、EMRD=（）

3）按下CK，将总线上的数据1H写入RAM的31H单元；

4）重复1）-3）步，将数据写入指定的单元。

2、读存储器实验

依次读出31H、32H、33H、34H、35H存储单元中的内容，观察上述单元中的内容是否与前面写入的一致。

设置控制信号值：

EMEN=（）、EMWR=（）、EMRD=（）

（二）、CPTH组成原理实验平台

CPTH实验箱上的存储器EM电路如图3-2所示。

其地址由PC或MAR提供；数据输出D0~D7直接接到指令总线IBUS，同时还通过一片74HC245与数据总线相连。

指令总线IBUS的数据还可以来自一片74HC245。

当ICOE为0时，这片74HC245输出中断指令B8（中断实验中使用）。

图3-2CPTH存储器EM原理图

写数据时，先在数据开关上设置好要写的存储单元地址，把地址值送到MAR（地址寄存器）或者PC（程序计数器），由它们把地址送给存储器EM；在数据开关上设置好要写的数据，设置EMEN=0，三态门打开允许数据传送到6116，并且使EMRD=1、EMWR=0、按下CK按钮（STEP键）即可将开关数据写入指定地址单元。

读数据时，先在数据开关上设置好要写的存储单元地址，把地址值送到MAR（地址寄存器）或者PC（程序计数器），设置EMRD=0、EMWR=1、EMEN=1即可读出指定地址单元的内容。

CPTH实验箱中地址寄存器MAR的工作原理图如图3-3所示。

图3-3寄存器MAR原理图

图3-3中，MAREN=0且CK上升沿时，数据锁存到74HC574中；当MAROE=0时，输出寄存器中的数据。

1、CPTH写存储器EM实验

表3-1CPTH存储器实验连接线表

（1）将地址值30H写入MAR寄存器

二进制开关K23-K16用于DBUS[7:

0]的数据输入，置数据30H

置控制信号为：

按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器MAR的黄色选择指示灯亮，表明选择MAR寄存器。

放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据30H被写入MAR寄存器。

K14（MAROE）为0，MAR寄存器中的地址输出，MAR红色输出指示灯亮。

将K14（MAROE）置为1，关闭MAR输出。

（2）写存储器EM

存贮器EM的地址由MAR提供，将数据1H存入地址为31H的存储单元。

二进制开关K23-K16用于DBUS[7:

0]的数据输入，置数据1H；

置控制信号为：

按STEP键,将数据1H写入EM[31H]

（3）连续写存储器EM

存储器EM的地址由MAR提供，将地址为31H~35H的存储单元内容更改为1H、2H、3H、4H、5H。

依操作步骤，写出相应的控制信号及取值，填入表3-2。

表3-2CPTH连续写存储器操作步骤

操作

开关数据

控制信号

说明

IREN

PCOE

MAROE

MAREN

EMEN

EMRD

EMWR

写地址

1H写入【31H】

写数据

写地址

2H写入【32H】

写数据

写地址

3H写入【33H】

写数据

2、CPTH读存储器EM实验

存储器EM的地址由MAR提供，将地址为31H~35H的存储单元内容读取出来。

观察上述单元中的内容是否与前面写入的一致。

表3-3CPTH连续读存储器操作步骤

开关数据

控制信号

显示EM内容

IREN

PCOE

MAROE

MAREN

EMEN

EMRD

EMWR

注意：

读EM时，EMEN、MAREN有效都是往数据总线输送数据，二者不能同时为0。

三、实验报告

1、简述CPTH实验箱存储器EM的工作原理。

2、填写实验内容表格。

实验四　程序计数器PC实验

一、实验目的：

1、了解模型机中程序计数器PC的工作原理及其控制方法。

2、了解程序执行过程中顺序和跳转指令的实现方法。

二、实验电路及内容：

CPTH实验箱中的程序计数器PC是由两片74HC161（4位可预置同步加法计数器）构成的八位计数器，预置数据来自数据总线。

程序计数器的输出通过74HC245（双向三态门）送到地址总线或者送回数据总线。

CPTH实验箱的PC组成原理图见图4-1。

图4-1程序计数器PC原理图

74HC161（4位可预置同步加法计数器），PE是预置端，低电平有效，当PE=0时，CLK的上升沿触发使Q端同P端；CEP、CET是计数端，当CEP=CET=1时，CLK的上升沿触发使Qn+1=Qn+1；MR是清零端。

图4-1中各个控制信号的作用如下：

当RST=0时，PC记数器被清0

当LDPC=0时，在CK的上升沿，预置数据被打入PC记数器

当PC+1=1时，在CK的上升沿，PC记数器加一（PC+1由PCOE取反产生）

当PCOE=0时，PC值送地址总线

其中的LDPC预置控制信号由一片74HC151（八选一数据选择器）构成。

（由isp1016实现）

图4-2LDPC预置控制端产生原理图

LDPC由ELP、JIR2、JIR3来决定输出结果。

具体见表4-1。

表4-1选择确定LDPC的取值表

当ELP=1时，LDPC=1，不允许PC被预置

当ELP=0时，LDPC由JIR3，JIR2，Cy，Z确定

当JIR3JIR2=1X时，LDPC=0，PC被预置

当JIR3JIR2=00时，LDPC=非Cy，当Cy=1时，PC被预置

当JIR3JIR2=01时，LDPC=非Z，当Z=1时，PC被预置

表4-2CPTH实验箱PC实验连接线表

1、PC加一实验

置控制信号为：

按一次STEP脉冲键，CK产生一个上升沿，数据PC被加一。

2、PC预置实验

二进制开关K23-K16用于DBUS[7:

0]的数据输入，置数据30H

置控制信号为：

每置控制信号后，按一下STEP键，观察PC的变化。

（注：

LDPC=0时，CK上升沿触发PC预置初值，即PC=30H）

思考题：

设置PC值从30H开始，逐次加一至34H，具体操作及取值填表4-3。

表4-3PC操作控制表

开关数据

控制信号

操作说明

PCOE

JIR3

JIR2

JRZ

JRC

ELP

预置初值PC=30H

PC+1

PC+1

PC+1

PC+1

3、PC给存储器EM提供地址

存储器EM的地址由PC提供，将地址为31H~35H的存储单元内容更改为1H、2H、3H、4H、5H。

依操作步骤，写出相应的控制信号及取值，填入表4-4。

表4-4CPTH连续写存储器操作步骤

操作

开关数据

控制信号

PCOE

ELP

JIR3

EMEN

EMRD

EMWR

说明

PC=31H

PC预置初值

PC+1

写【31H】

PC+1

写【32H】

PC+1

写【33H】

PC+1

写【34H】

PC+1

写【35H】

注意：

按一次STEP脉冲键，同时提供给PC和EM的CK端一个上升沿，

即PC+1与写EM操作同时进行。

思考题：

当PC=34H时，这时完成修改哪个单元的内容？

设置控制信号，将地址为31H~35H的存储单元内容读取出来。

观察上述单元中的内容是否与前面写入的一致。

写出相应的控制信号及取值，填入表4-5。

表4-5CPTH连续读存储器操作步骤

操作

开关数据

控制信号

PCOE

ELP

JIR3

EMEN

EMRD

EMWR

说明

PC=31H

PC预置初值

PC+1

读【31H】=（）

PC+1

【