武汉理工组成原理实验报告.doc

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学生学号

实验课成绩

学生实验报告书

实验课程名称

计算机组成原理

开课学院

计算机科学与技术学院

指导教师姓名

田小华

学生姓名

学生专业班级

软件zy1302

2014

2015

学年

第

学期

实验课程名称：

_计算机组成原理

实验项目名称

运算器

实验成绩

实验者

专业班级

软件zy1302

组别

同组者

实验日期

2015年5月30日

第一部分：

实验预习报告（包括实验目的、意义，实验基本原理与方法，主要仪器设备及耗材，实验方案与技术路线等）

1.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。

2.实验设备

PC机一台，TD-CMA实验系统一套。

3.实验原理

本实验的原理如图1-1-1所示。

运算器内部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，ARM）各部件对操作数进行何种运算由控制信号S3…S0如，

和CN来决定，任何时候，多路选择开关只选择三部件中一个部件的结果作为ALU的输出。

如

果是影响进位的运算，还将置进位标志FC，在运算结果输出前，置ALU零标志。

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，而后面又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。

移位运算采用的是桶形移位器，一般采用交叉开关矩阵来实现，交叉

开关的原理如图1-1-2所示。

图中显示的是一个4X4的矩阵（系统中是一个8X8的矩阵）。

每一

个输入都通过开关与一个输出相连，把沿对角线的开关导通，就可实现移位功能，即：

（1）对于逻辑左移或逻辑右移功能，将一条对角线的开关导通，这将所有的输入位与所使用

的输出分别相连,而没有同任何输入相连的则输出连接0。

（2）对于循环右移功能，右移对角线同互补的左移对角线一起激活。

例如，在4位矩阵中使

用‘右1’和‘左3’对角线来实现右循环1位。

（3）对于未连接的输出位，移位时使用符号扩展或是0填充，具体由相应的指令控制。

使用

另外的逻辑进行移位总量译码和符号判别。

1-1-1运算器原理图

运算器部件由一片CPLD实现。

ALU的输入和输出通过三态门74LS245连到CPU内总线

上，另外还有指示灯标明进位标志FC和零标志FZ。

请注意：

实验箱上凡丝印标注有马蹄形标记，表示这两根排针之间是连通的。

图中除T4和CLR，其余信号均来自于ALU单元的排线座，实验箱中所有单元的T1、T2、T3、T4都连接至控制总线单元的T1、T2、T3、T4，CLR都连接至CON单元的CLR按钮。

由时序单元的TS4提供T4（时序单元的介绍见附录二），其余控制信号均由CON单元的二进制数据开关模拟给出。

控制信号中除T4为脉冲信号外，其余均为电平信号，其中ALU_B为低有效，其余为高有效。

图1-1-2交叉开关桶形移位器原理图

暂存器A和暂存器B的数据能在LED灯上实时显示，原理如图1-1-3所示（以A0为例，

其它相同）。

进位标志FC、零标志FZ和数据总线D7…D0的显示原理也是如此。

图1-1-3A0显示原理图

ALU和外围电路的连接如图1-1-4所示，图中的小方框代表排针座。

运算器的逻辑功能表如表1-1-1所示，其中S3S2S1S0CN为控制信号，FC为进位标志，

FZ为运算器零标志，表中功能栏内的FC、FZ表示当前运算会影响到该标志。

图1-1-4ALU和外围电路连接原理图

表1-1-1运算器逻辑功能表

运算类型

S3S2S1S0

功能

逻辑运算

0000

F=A（直通）

0001

F=B（直通）

0010

F=AB（FZ）

0011

F=A+B（FZ）

0100

F=/A（FZ）

移位运算

0101

F=A不带进位循环右移B（取低3位）位（FZ）

0110

F=A逻辑右移一位（FZ）

F=A带进位循环右移一位（FC，FZ）

0111

F=A逻辑左移一位（FZ）

F=A带进位循环左移一位（FC，FZ）

算术运算

1000

置FC=CN（FC）

1001

F=A加B（FC，FZ）

1010

F=A加B加FC（FC，FZ）

1011

F=A减B（FC，FZ）

1100

F=A减1（FC，FZ）

1101

F=A加1（FC，FZ）

1110

（保留）

1111

（保留）

*表中“X”为任意态，下同

第二部分：

实验过程记录（可加页）（包括实验原始数据记录，实验现象记录，实验过程发现的问题等）

1.实验步骤：

（1）按图1-1-5连接实验电路，并检查无误。

图中将用户需要连接的信号用圆圈标明（其它实验相同）。

图1-1-5实验接线图

（2）将时序与操作台单元的开关KK2置为‘单拍’档,开关KK1、KK3置为‘运行’档。

（3）打开电源开关，如果听到有‘嘀’报警声，说明有总线竞争现象，应立即关闭电源，重新检查接线，直到错误排除。

然后按动CON单元的CLR按钮，将运算器的A、B和FC、FZ清零。

（4）用输入开关向暂存器A置数。

①拨动CON单元的SD27…SD20数据开关，形成二进制数01100101（或其它数值），数据显

示亮为‘1’，灭为‘0’。

②置LDA=1，LDB=0，连续按动时序单元的ST按钮，产生一个T4上沿，则将二进制数

01100101置入暂存器A中，暂存器A的值通过ALU单元的A7…A0八位LED灯显示。

（5）用输入开关向暂存器B置数。

①拨动CON单元的SD27…SD20数据开关，形成二进制数10100111（或其它数值）。

②置LDA=0，LDB=1，连续按动时序单元的ST按钮，产生一个T4上沿，则将二进制数10100111置入暂存器B中，暂存器B的值通过ALU单元的B7…B0八位LED灯显示。

（6）改变运算器的功能设置，观察运算器的输出。

ALU_B=0、置LDA=0、LDB=0，然后按表1-1-1

置S3、S2、S1、S0和Cn的数值，并观察数据总线LED显示灯显示的结果。

如置S3、S2、S1、S0为0010，运算器作逻辑与运算，置S3、S2、S1、S0为1001，运算器作加法运算。

如果实验箱和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（软件使用说明请看附录一），方法是：

打开软件，选择联机软件的“【实验】—【运算器实验】，打开运算器”实验的数据通路图，如图1-1-6所示。

进行上面的手动操作，每按动一次ST按钮，数据通路图会有数据的流动，反映当前运算器所做的操作，或在软件中选择“【调试】—【单节拍】”，其作用相当于将时序单元的状态开关KK2置为‘单拍’档后按动了一次ST按钮，数据通路图也会反映当前运算器所做的操作。

重复上述操作，并完成表1-1-2。

然后改变A、B的值，验证FC、FZ的锁存功能。

图1-1-6数据通路图

2.实验结果

运算类型

S3S2S1S0

理论结果

实验结果

逻辑运算

0000

F=（65）FC=（0）FZ=（0）

0001

F=（A7）FC=（0）FZ=（0）

0010

F=（25）FC=（0）FZ=（0）

0011

F=（D7）FC=（0）FZ=（0）

0100

F=（9A）FC=（0）FZ=（0）

移位运算

0101

F=（CA）FC=（0）FZ=（0）

0110

F=（32）FC=（0）FZ=（0）

F=（B2）FC=

（1）FZ=（0）

F=（B2）FC=

（1）FZ=（0）

0111

F=（CA）FC=（0）FZ=（0）

算术运算

1000

F=（65）FC=（0）FZ=（0）

1001

F=（0C）FC=

（1）FZ=（0）

F=（0C）FC=

（1）FZ=（0）

1010

F=（0C）FC=

（1）FZ=（0）

F=（0C）FC=

（1）FZ=（0）

1010

F=（0D）FC=

（1）FZ=（0）

F=（0D）FC=

（1）FZ=（0）

1011

F=（BE）FC=

（1）FZ=（0）

F=（BE）FC=

（1）FZ=（0）

1100

F=（64）FC=（0）FZ=（0）

1101

F=（66）FC=（0）FZ=（0）

第三部分结果与讨论（可加页）

一、实验结果分析（包括数据处理、实验现象分析、影响因素讨论、综合分析和结论等）

1、数据处理：

实验结果与理论结果相同，实验正确。

2、实验现象分析：

输入A、B后，通过改变S3S2S1S0和CN的值进行不同的运算，通过观察输出的结果与理论结果进行比较得出结论。

3、影响因素讨论：

影响因素有接线是否正确，进制转换是否正确，读数是否正确。

二、小结、建议及体会

本次实验是计算机组成原理的第一次实验，实验内容是完成一个运算器的各种操作。

通过对65和A7进行的各种逻辑或者运算操作，我基本了解运算器的组成结构，掌握了运算器的工作原理。

运算器是CPU的重要组成部分，了解运算器的工作原理是非常重要的。

实验内容较为简单，我完成的较好，今后我会继续努力学习的。

实验课程名称：

_计算机组成原理

实验项目名称

静态随机存储器实验

实验成绩

实验者

专业班级

软件zy1302

组别

同组者

实验日期

2015年5月30日

第一部分：

实验预习报告（包括实验目的、意义，实验基本原理与方法，主要仪器设备及耗材，实验方案与技术路线等）

1.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。

2.实验设备

PC机一台，TD-CMA实验系统一套。

3.实验原理

实验所用的静态存储器由一片6116（2K×8bit）构成（位于MEM单元），如图2-1-1所示。

6116有三个控制线：

CS（片选线）、OE（读线）、WE（写线），其功能如表2-1-1所示，当片选

有效（CS=0）时，OE=0时进行读操作，WE=0时进行写操作，本实验将CS常接地。

由于存储器（MEM）最终是要挂接到CPU上，所以其还需要一个读写控制逻辑，使得CPU

能控制MEM的读写，实验中的读写控制逻辑如图2-1-2所示，由于T3的参与，可以保证MEM

的写脉宽与T3一致，T3由时序单元的TS3给出（时序单元的介绍见附录2）。

IOM用来选择是对I/O还是对MEM进行读写操作，RD=1时为读，WR=1时为写。

实验原理图如图2-1-3所示，存储器数据线接至数据总线，数据总线上接有8个LED灯显示D7…D0的内容。

地址线接至地址总线，地址总线上接有8个LED灯显示A7…A0的内容，地址由地址锁存器（74LS273，位于PC&AR单元）给出。

数据开关（位于IN单元）经一个三态门（74LS245）连至数据总线，分时给出地址和数据。

地址寄存器为8位，接入6116的地址A7…A0，6116的高三位地址A10…A8接地，所以其实际容量为256字节。

实验箱中所有单元的时序都连接至时序与操作台单元，CLR都连接至CON单元的CLR按

钮。

实验时T3由时序单元给出，其余信号由CON单元的二进制开关模拟给出，其中IOM应为低（即MEM操作），RD、WR高有效，MR和MW低有效，LDAR高有效。

第二部分：

实验过程记录（可加页）（包括实验原始数据记录，实验现象记录，实验过程发现的问题等）

1.实验步骤：

（1）关闭实验系统电源，按图2-1-4连接实验电路，并检查无误，图中将用户需要连接的信

号用圆圈标明。

（2）将时序与操作台单元的开关KK1、KK3置为运行档、开关KK2置为‘单步’档（时序

单元的介绍见附录二）。

（3）将CON单元的IOR开关置为1（使IN单元无输出），打开电源开关，如果听到有‘嘀’

报警声，说明有总线竞争现象，应立即关闭电源，重新检查接线，直到错误排除。

图2-1-4实验接线图

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

14H、15H。

由前面的存储器实验原理图（图2-1-3）可以看出，由于数据和地址由同一个数据

开关给出，因此数据和地址要分时写入，先写地址，具体操作步骤为：

先关掉存储器的读写

（WR=0，RD=0），数据开关输出地址（IOR=0），然后打开地址寄存器门控信号（LDAR=1），

按动ST产生T3脉冲，即将地址打入到AR中。

再写数据，具体操作步骤为：

先关掉存储器的读写（WR=0，RD=0）和地址寄存器门控信号（LDAR=0），数据开关输出要写入的数据，打开输入三态门（IOR=0），然后使存储器处于写状态（WR=1，RD=0，IOM=0），按动ST产生T3脉冲，即将数据打入到存储器中。

写存储器的流程如图2-1-5所示（以向00地址单元写入11H为例）：

（5）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，也要先给出地址，然后进行读，地址的给出和前面一样，而在

进行读操作时，应先关闭IN单元的输出（IOR=1），然后使存储器处于读状态（WR=0，RD=1，

IOM=0），此时数据总线上的数即为从存储器当前地址中读出的数据内容。

读存储器的流程如图2-1-6所示（以从00地址单元读出11H为例）：

如果实验箱和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（软件使用说明

请看附录1），方法是：

打开软件，选择联机软件的“【实验】—【存储器实验】，打开存储器实验的数据通路图，如图2-1-7所示。

进行上面的手动操作，每按动一次ST按钮，数据通路图会有数据的流动，反映当前存储器

所做的操作（即使是对存储器进行读，也应按动一次ST按钮，数据通路图才会有数据流动），

或在软件中选择“【调试】—【单周期】，其作用相当于将时序单元的状态开关置为‘单步’档”后按动了一次ST按钮，数据通路图也会反映当前存储器所做的操作，借助于数据通路图，仔细分析SRAM的读写过程。

2.实验结果

我的学号后两位：

05；

对应的二进制：

00000101；

与之对应的反码：

11111010；

输入：

地址数据

0000010111111010

0000011011111001

0000011111111000

0000100011110111

0000100111110110

第三部分结果与讨论（可加页）

一、实验结果分析（包括数据处理、实验现象分析、影响因素讨论、综合分析和结论等）

1、数据处理：

我的学号后两位：

05；

对应的二进制：

00000101；

与之对应的反码：

11111010；

输入：

地址数据

0000010111111010

0000011011111001

0000011111111000

0000100011110111

0000100111110110

2、实验现象分析：

实验输入了与自己学号后两位相关的几个地址和数据，通过改变地址可以在试验系统的面板上看到存入该地址的数据，或者手动检测。

3、影响因素讨论：

影响因素有接线是否正确，输入是否正确，读数是否正确。

二、小结、建议及体会

本次实验是静态存储器实验，通过实验我掌握了静态随机存储器RAM工作特性及数据的读写方法，在巩固课堂上学习过的有关静态存储器的知识以外还锻炼了自己的动手能力，使自己更加深刻的理解了静态存储器的工作原理，对我学习计算机组成原理帮助恨大，今后我会继续认真对待每一次实验。

实验课程名称：

_计算机组成原理

实验项目名称

微程序控制器实验

实验成绩

实验者

专业班级

软件zy1302

组别

同组者

实验日期

2015年5月30日

第一部分：

实验预习报告（包括实验目的、意义，实验基本原理与方法，主要仪器设备及耗材，实验方案与技术路线等）

1.实验目的

（1）掌握微程序控制器的组成原理。

（2）掌握微程序的编制、写入，观察微程序的运行过程。

2．实验设备

PC机一台，TD-CMA实验系统一套。

3．实验原理

微程序控制器的基本任务是完成当前指令的翻译和执行，即将当前指令的功能转换成可以

控制的硬件逻辑部件工作的微命令序列，完成数据传送和各种处理操作。

它的执行方法就是将

控制各部件动作的微命令的集合进行编码，即将微命令的集合仿照机器指令一样，用数字代码

的形式表示，这种表示称为微指令。

这样就可以用一个微指令序列表示一条机器指令，这种微

指令序列称为微程序。

微程序存储在一种专用的存储器中，称为控制存储器。

微程序控制器的组成见图3-2-2，其中控制存储器采用3片2816的E2PROM，具有掉电保

护功能，微命令寄存器18位，用两片8D触发器（273）和一片4D（175）触发器组成。

微地址寄存器6位，用三片正沿触发的双D触发器（74）组成，它们带有清“0”端和预置端。

在不判别测试的情况下，T2时刻打入微地址寄存器的内容即为下一条微指令地址。

当T4时刻进行测试判别时，转移逻辑满足条件后输出的负脉冲通过强置端将某一触发器置为“1”状态，完成地址修改。

在实验平台中设有一组编程控制开关KK3、KK4、KK5（位于时序与操作台单元），可实现

对存储器（包括存储器和控制存储器）的三种操作：

编程、校验、运行。

考虑到对于存储器（包

括存储器和控制存储器）的操作大多集中在一个地址连续的存储空间中，实验平台提供了便利

的手动操作方式。

以向00H单元中写入332211为例，对于控制存储器进行编辑的具体操作步骤

如下：

首先将KK1拨至‘停止’档、KK3拨至‘编程’档、KK4拨至‘控存’档、KK5拨至‘置数’档，由CON单元的SD05——SD00开关给出需要编辑的控存单元首（000000），

IN单元开关给出该控存单元数据的低8位（00010001）连续两次按动时序与操作台单元的开关，ST（第一次按动后MC单元低8位显示该单元以前存储的数据，第二次按动后显示当前改动的数据），此时MC单元的指示灯MA5——MA0显示当前地址（000000），M7——M0显示当前数据（00010001）然后将KK5拨至。

‘加1’IN单元开关给出该控存单元数据的中8位档，（00100010），连续两次按动开关ST，完成对该控存单元中8位数据的修改，此时MC单元的指示灯MA5—；再由IN单元开关给—MA0显示当前地址（000000），M15——M8显示当前数据（00100010）出该控存单元数据的高8（00110011），连续两次按动开关ST，完成对该控存单元高8位数据的修改此时MC单元的指示灯MA5——MA0显示当前地址（000000），M23——M16显示当前数据（00110011）。

此时被编辑的控存单元地址会自动加1（01H），由IN单元开关依次给出该控存单元数据的低8位、中8位和高8位配合每次开关ST的两次按动，即可完成对后续单元的编辑。

编辑完成后需进行校验，以确保编辑的正确。

以校验00H单元为例，对于控制存储器进行

校验的具体操作步骤如下：

首先将KK1拨至‘停止’档、KK3拨至‘校验’档、KK4拨至‘控存’档、KK5拨至‘置数’档。

由CON单元的SD05——SD00开关给出需要校验的控存单元地址（000000），连续两次按动开关ST，MC单元指示灯M7——M0显示该单元低8位数据（00010001）；KK5拨至‘加1’档，再连续两次按动开关ST，MC单元指示灯M15——M8显示该单元中8位数据（00100010）；再连续两次按动开关ST，

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