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实验指导书

计算机组成原理

实验指导书

计算机系郑力军

吉林化工学院

二零一一年五月

目　录

第1章性能特点2

1.1系统功能及特点2

1.2实验系统组成3

第2章实验项目6

2.1时序与启停实验6

2.2存储器和总线实验8

实验1、存储器的写操作10

实验2、读存储器的数据到总线上11

2.3算术逻辑运算单元实验11

实验1、不带进位位逻辑或运算实验14

实验2、不带进位位加法运算实验15

2.4指令部件模块实验17

实验1、PC计数器置数20

实验2、PC计数器加120

实验3、置当前指令寄存器20

2.5模型机的总体设计21

2.5.3.2.1指令类型：

2.5.3.2.2操作数寻址方式及编码23

注意事项：

在做单元模块实验前，务必先将CPT-A总线上短8芯扁平电缆及CPT-B上连线板全部拔离实验机。

做实验时，根据实验说明连接相关总线。

可通过PC机软件（LCACPT）中的查看—刷新菜单来观察各寄存器当前值。

第1章性能特点

1.1系统功能及特点

1.1.1提供各个基本功能模块

我们在比较了国内的多家实验机厂商的产品后，发现多数产品不是连线过于繁琐，就是由CPLD来替代所有的硬件。

市场需要一种连线不多，但具有灵活性的实验系统,不同设计方案，不同的连线方法，可以得到不同的结果。

我们所提供的实验机本身就是一个可运行的系统。

整个系统采用功能模块化的设计思路，实验者可单独设计和调试各个功能模块，最终实现一个新的系统，这样可大大减轻实验指导教师的工作量。

整个实验机提供了运算器模块、指令部件模块、堆栈寄存器模块、存储器模块、总线传输模块、微程序模块、启停和时序模块，以及用于调试和观察数据的监控模块。

1.1.2组成结构

整个系统采用总线结构，总线结构具有扩展能力强，结构简单清晰，连线方便快捷等特点。

本实验机的总线分为：

内部、外部地址总线，内部、外部数据总线。

整个系统的各个总线都布有测试孔，以便于测试。

各模块的电源、地、地址数据总线已经按照标准连接完毕，控制信号都按各功能模块的布局引出，实验者可方便的定位各测试点。

1.1.3监控模块

监控模块为实验调试和程序设计带来了相当的便利。

实验者可以通过监控模块来修改微程序和内存中的程序。

为了实验的连贯性，系统中还提供了FLASHMEMORY来保存微程序和程序，掉电时内容不会丢失，实验者可随时保存和读取微程序与程序。

为了使实验者随时观察数据和地址，实验机提供了一块2*16的液晶屏，可同时显示当前地址、当前总线上的数据和当前的微指令和一些关键寄存器的值。

1.1.4操作方式：

单机方式：

整个系统可单独使用，可通过24个按键和液晶来编辑内存和微程序存储器中的数据，在系统运行时可监控所有关键数据。

实验者使用拨动开关来产生二进制码进行微程序和程序的编写。

联机方式：

系统可与PC机相连，PC机上提供了windows界面的操作软件，实验者可在PC机上进行编辑、加载、动态调试等操作。

1.2实验系统组成

本实验机由两部分组成，左边为实验模块部分（CPT-A），主要分布着各个实验单元和监控单元。

实验机的右边为数据输出板（CPT-B），板上分布着24个二进制开关、若干个LED发光二极管、DIP插座，还有1块用于显示当前状况的液晶板。

CPT-A上的控制信号都通过2根扁平电缆连到了CPT－B上。

CPT-A布局图

CPT-B布局图

第2章实验项目

2.1时序与启停实验

2.1.1实验目的

1．掌握时序产生器的组成方式

2．熟悉起停电路的原理

2.1.2实验要求

按照实验步骤完成实验项目，了解程序如何开始、停止运行，用示波器观察时序，并且画出时序图。

2.1.3实验说明

2.1.3.1时序与启停单元的构成：

1、启停电路由1片7474、1片74LS08组成，1个LED（RUN）表示当前实验机的状态（运行LED亮、停止LED灭）。

（如图2-1-1）

2、时序电路由1片74LS157、2片74LS00、4个LED脉冲指示灯（PLS1、PLS2、PLS3、PLS4）组成。

当LED发光时，表示有上升沿产生。

（如图2-1-2）

图2-1-1

图2-1-2

2.1.3.2启停、脉冲单元的原理：

启停原理：

（如图：

2-1-3）

起停电路由1片7474组成，当按下RUN按钮，信号输出RUN=1、STOP=0，表示当前实验机为运行状态。

当按下STOP按钮，信号RUN=0、信号STOP=1，表示当前实验机为停止状态。

当系统处于停机状态时，微地址、进位寄存器都被清零，并且可通过监控单元来读写内存和微程序。

在停止状态下，当HALT上有1个高电平，同时HCK有1个上升沿，此时高电平被打入寄存器中，信号RUN=1、STOP=0，使实验机处于运行状态。

图2-1-3

时序电路：

时序电路由监控单元来控制时序输出（PLS1、PLS2、PLS3、PLS4）。

实验所用的时序电路（如图2-1-4）可产生4个等间隔的时序信号PLS1、PLS2、PLS3、PLS4。

为了便于监控程序流程，由监控单元输出PO信号和SIGN脉冲来实现STEP（微单步）、GO（全速）和HALT（暂停）。

当实验机处于运行状态，并且是微单步执行，PLS1、PLS2、PLS3、PLS4分别发出一个脉冲，全速执行时PLS1、PLS2、PLS3、PLS4脉冲将周而复始的发送出去。

在时序单元中也提供了4个按钮，实验者可手动给出4个独立的脉冲，以便实验者单拍调试模型机。

图2-1-4

2.1.4实验步骤：

●交替按下“运行”和“暂停”，观察运行灯的变化（运行：

RUN亮暂停：

RUN灭）。

●把HALT信号接入二进制拨位开关，HCK接入脉冲单元的PLS1。

（请按下表接线）。

信号定义

接入开关位号

HCK

PLS1孔

HALT

H13孔

●按启停单元中的停止按键，使实验机处于停机状态，置HALT=1。

●按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在HCK上产生一个上升沿的脉冲，把HALT=1打入74LS74，使RUN=1、STOP=0，RUN亮表示当前实验机处于运行状态。

●在实验机处于运行状态时，置HALT=0。

●按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在HCK上产生一个上升沿的脉冲，把HALT=0打入74LS74，使RUN=0、STOP=1，RUN灭表示当前实验机处于停止状态。

因此可通过HALT和HCK来控制实验机的启、停状态。

●按启停单元中的停止按键，使实验机处于停机状态，置HALT=1。

再次按下脉冲单元中的PLS1脉冲按键，使实验机处于运行状态。

此时按监控单元中键盘上的GO/STOP键。

请用示波器观察PLS1、PLS1、PLS3、PLS4的波形（见后图2-5-2）。

2.2存储器和总线实验

2.2.1实验目的

熟悉存储器和总线的硬件电路

2.2.2实验要求

按照实验步骤完成实验项目，熟悉存储器的读、写操作，理解在总线上数据传输的方法。

2.2.3实验说明

2.2.3.1存储器和总线的构成

1、总线由1片74LS245、1片74LS244组成，把整个系统分为内部总线和外部总线。

2片74LS374锁存当前的数据、地址总线上的数据以供LED显示。

（如图2-2-1）

2、存储器采用静态1片RAM（6264）

3、

存储器的控制电路由1片74LS32和74LS08组成。

（如图2-2-2）

图2-2-1

图2-2-2

2.2.3.2存储器和总线的原理

1、总线的原理：

由于本系统内使用8根地址线、8根数据线，所以使用1片74LS245作为数据总线，另1片74LS244作为地址总线（见图2-2-3）。

总线把整个系统分为内部数据、地址总线和外部数据、地址总线，由于数据总线需要进行内、外部数据的交换，所以由BUS信号来控制数据的流向，当BUS=1时数据由内到外，当BUS=0时，数据由外到内。

图2-2-3

2、

由于本系统内使用8根地址线、8位数据线，所以6264的A8~A12接地，其实际容量为256个字节（如图2-2-4）。

6264的数据、地址总线已经接在总线单元的外部总线上。

存储器有3个控制信号：

地址总线设置存储器地址，RM=0时，把存储器中的数据读出到总线上；当WM=0，并且EMCK有一个上升沿时，把外部总线上的数据写入存储器中。

为了更方便地编辑内存中的数据，在实验机处于停机状态时，可由监控来编辑其中的数据。

图2-2-4

2.2.3.3控制信号说明

信号名称

作用

有效电平

BUS

总线方向选择

6264的读允许信号

低电平有效

6264的写允许信号

低电平有效

EMCK

6264的写入脉冲信号

上升沿有效

监控对6264的读允许信号

低电平有效

监控对6264的写允许信号

低电平有效

M/C

监控选择程序空间或微程序空间

2.2.4实验步骤

实验1、存储器的写操作

●把内部地址总线AJ1（8芯盒形插座）与CPT-B板上的二进制开关单元中J3插座相连（对应二进制开关H0~H7），把内部数据总线DJ8与CPT-B板上的J2插座相连（对应二进制开关H8~H15）。

●把EMCK连到脉冲单元的PLS1，WC、RC、BUS接入二进制的开关中。

（请按下表接线）。

信号定义

接入开关位号

EMCK

PLS1孔

H22孔

H21孔

BUS

H21孔

●按启停单元中的运行按钮，置实验机为运行状态。

●二进制开关H0~H7作为地址（A0~A7）输入，置55H（对应开关如下表）。

数据总线值

8位数据

55H

●二进制开关H8~H15作为数据（D0~D7）输入，置66H（对应开关如下表）。

H15

H14

H13

H12

H11

H10

数据总线值

8位数据

66H

置各控制信号如下：

H22

H21

RM、BUS

●按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在EMCK上产生一个上升沿，数据从内部数据总线流向外部数据总线，将数据66H写入地址为55H的存储单元。

实验2、读存储器的数据到总线上

●在做好实验1的基础上，保持电源开启和线路连接不变，只拔掉内部数据总线DJ8与CPT-B板上的J2插座（对应二进制开关H8~H15）的连接。

●按启停单元中的运行按钮，置实验机为运行状态。

●二进制开关H0~H7作为地址（A0~A7）输入，置55H（对应开关如下表）

数据总线值

8位数据

55H

置各控制信号如下：

H22

H21

RM、BUS

●按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在EMCK上产生一个上升沿，数据从外部数据总线流向内部数据总线，将存储器55H单元中的内容输出，应该为实验1中的写入的数据66H。

此时数据总线上的指示灯IDB0~IDB7显示结果66H。

2.3算术逻辑运算单元实验

2.3.1实验目的

1、掌握简单运算器的数据传输方式

2、掌握74LS181的功能和应用

2.3.2实验要求

完成不带进位位算术、逻辑运算实验。

按照实验步骤完成实验项目，了解算术逻辑运算单元的运行过程。

2.3.3实验说明

2.3.3.1ALU单元实验构成（如图2-3-1）

1、运算器由2片74LS181构成8位字长的ALU单元。

2、2片74LS374作为2个数据锁存器（DR1、DR2），8芯插座ALU-IN作为数据输入端，可通过短8芯扁平电缆，把数据输入端连接到数据总线上。

3、运算器的数据输出由一片74LS244（输出缓冲器）来控制，8芯插座ALU-OUT作为数据输出端，可通过短8芯扁平电缆把数据输出端连接到数据总线上。

图2-3-1

图2-3-2

2.3.3.2ALU单元的工作原理（如图2-3-2）

数据输入锁存器DR1的EDR1为低电平，并且D1CK有上升沿时，把来自数据总线的数据打入锁存器DR1。

同样使EDR2为低电平、D2CK有上升沿时把数据总线上的数据打入数据锁存器DR2。

算术逻辑运算单元的核心是由2片74LS181组成，它可以进行2个8位二进制数的算术逻辑运算，74LS181的各种工作方式可通过设置其控制信号来实现（S0、S1、S2、S3、M、CN）。

当实验者正确设置了74LS181的各个控制信号，74LS181会运算数据锁存器DR1、DR2内的数据。

由于DR1、DR2已经把数据锁存，只要74LS181的控制信号不变，那么74LS181的输出数据也不会发生改变。

输出缓冲器采用74LS244，当控制信号ALU-O为低电平时，74LS244导通，把74LS181的运算结果输出到数据总线；当ALU-O为高电平时，74LS244的输出为高阻。

2.3.3.3控制信号说明

信号名称

作用

有效电平

EDR1

选通DR1寄存器

低电平有效

EDR2

选通DR2寄存器

低电平有效

DR1CK

DR1寄存器工作脉冲

上升沿有效

DR2CK

DR2寄存器工作脉冲

上升沿有效

S0~S3

74LS181工作方式选择

选择逻辑或算术运算

有无进位输入

CCK

进位寄存器的工作脉冲

上升沿有效

ALU-O

74LS181计算结果输出至总线

低电平有效

2.3.4实验步骤

实验1、不带进位位逻辑或运算实验

●把ALU-IN（8芯的盒型插座）与CPT-B板上的二进制开关单元中J1插座相连（对应二进制开关H16~H23），把ALU-OUT（8芯的盒型插座）与数据总线上的DJ2相连。

●把D1CK和D2CK用连线连到脉冲单元的PLS1上，把EDR1、EDR2、ALU-O、S0、S1、S2、S3、CN、M接入二进制开关（请按下表接线）。

信号定义

接入开关位号

D1CK

PLS1孔

D2CK

PLS1孔

EDR1

H8孔

EDR2

H7孔

ALU-O

H6孔

H5孔

H4孔

H3孔

H2孔

H1孔

H0孔

●按启停单元中的运行按钮，使实验机处于运行状态。

●二进制开关H16~H23作为数据输入，置33H（对应开关如下表）。

H23

H22

H21

H20

H19

H18

H17

H16

数据总线值

8位数据

33H

置各控制信号如下：

EDR1

EDR2

ALU-O

●按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在D1CK上产生一个上升沿，把33H打入DR1数据锁存器，通过逻辑笔或示波器来测量确定DR1寄存器（74LS374）的输出端，检验数据是否进入DR1中。

●二进制开关H16~H23作为数据输入，置55H（对应开关如下表）。

H23

H22

H21

H20

H19

H18

H17

H16

数据总线值

8位数据

55H

置各控制信号如下：

EDR1

EDR2

ALU-O

●按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在D2CK上产生一个上升沿的脉冲，把55H打入DR2数据锁存器。

●经过74LS181的计算，把运算结果（F=A或B）输出到数据总线上，数据总线上的LED显示灯IDB0~IDB7应该显示为77H。

实验2、不带进位位加法运算实验

●二进制开关H16~H23作为数据输入，置33H（对应开关如下表）。

H23

H22

H21

H20

H19

H18

H17

H16

数据总线值

8位数据

33H

置各控制信号如下：

EDR1

EDR2

ALU-O

●二进制开关H16~H23作为数据输入，置55H（对应开关如下表）。

H23

H22

H21

H20

H19

H18

H17

H16

数据总线值

8位数据

55H

置各控制信号如下：

EDR1

EDR2

ALU-O

●按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在D2CK上产生一个上升沿，把55H打入DR2数据锁存器。

●经过74LS181的计算，把运算结果（F=A加B）输出到数据总线上，数据总线上的LED显示灯IDB0~IDB7应该显示为88H。

2.3.5实验思考

验证74LS181的算术运算和逻辑运算，在保持DR1=65H、DR2=A7H时，改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，填写以下表格来进行分析和比较。

DR1

DR2

M=0（算术运算）

M=1

逻辑运算

CN=1

CN=0

附74LS181的逻辑

方式

M=1逻辑运算

M=0算术运算

S3S2S1S0

逻辑运算

CN=1（无进位）

CN=0（有进位）

0000

F=/A

F=A

F=A加1

0001

F=/（A+B）

F=A+B

F=（A+B）加1

0010

F=/AB

F=A+/B

F=（A+/B）加1

0011

F=0

F=减1（2的补）

F=0

0100

F=/（AB）

F=A加A/B

F=A加A/B加1

0101

F=/B

F=（A+B）加A/B

F=（A+B）加A/B加1

0110

F=A⊕B

F=A减B减1

F=A减B

0111

F=A/B

F=A/B减1

F=A/B

1000

F=/A+B

F=A加AB

F=A加AB加1

1001

F=/（A⊕B）

F=A加B

F=A加B加1

1010

F=B

F=（A+/B）加AB

F=（A+/B）加AB加1

1011

F=AB

F=AB减1

F=AB

1100

F=1

F=A加A

F=A加A加1

1101

F=A+/B

F=（A+B）加A

F=（A+B）加A加1

1110

F=A+B

F=（A+/B）加A

F=（A+/B）加A加1

1111

F=A

F=A减1

F=A

2.4指令部件模块实验

2.4.1实验目的

1、掌握指令部件的组成方式。

2、熟悉指令寄存器的打入操作，PC计数器的设置和加1操作，理解跳转指令的实现过程。

2.4.2实验要求

按照实验步骤完成实验项目，掌握数据打入指令寄存器IR1、PC计数器的重置，PC计数器自动加1和实现跳转指令的方法。

2.4.3实验说明

2.4.3.1指令部件模块实验的构成：

1、1片74LS374作为指令模块的指令寄存器IR1，另1片74LS374作为地址锁存器IR2。

8芯插座PC-IN作为数据输入端，可通过短8芯扁平电缆把数据输入端连接到数据总线上。

2、2片74LS161作为PC计数器。

3、2片74LS245（同时只有1片输出）作为当前地址的输出。

8芯插座PC-OUT作为地址输出端，可通过短8芯扁平电缆把地址输出端连接到地址总线上。

4、1片74LS153来实现多种条件跳转指令（JZ，JC，JMP等跳转指令）。

图2-4-1

2.4.3.2指令部件模块原理：

（如图2-4-2）

1、指令寄存器IR1（74LS374）的EIR1为低电平并且IR1CK有上升沿时，把来自数据总线的数据打入IR1，IR1的输出就作为本系统内的8位指令I0~I7。

在本系统内由这8位指令可最多译码256条不同的指令，通过编码可对应出这些指令在微程序存储器中入口地址，并且输出相应的微指令。

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