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1、计算机组成原理实验指导计算机组成原理上机实验指导一、实验准备和实验注意事项 1本课程实验使用专门的TDN-CM+计算机组成原理教学实验设备，使用前后均应仔细检查主机板，防止导线、元件等物品落入装置内导致线路短路、元件损坏。 2完成本实验的方法是先找到实验板上相应的丝印字及其对应的引出排针，将排针用电缆线连接起来，连接时要注意电缆线的方向，不能反向连接；如果实验装置中引出排针上已表明两针相连，表明两根引出线内部已经连接起来，此时可以只使用一根线连接。3为了弄清计算机各部件的工作原理，前面几个实验的控制信号由开关单元“SWITCH UNIT”模拟输入；只有在模型机实验中才真正由控制器对指令译码产生
2、控制信号。在每个实验开始时需将所有的开关置为初始状态“1”。4本实验装置的发光二极管的指示灯亮时表示信号为“0”，灯灭时表示信号为“1”。5实验接线图中带有圆圈的连线为实验中要接的线。6电源关闭后，不能立即重新开启，关闭与重启之间至少应有30秒间隔。7电源线应放置在机内专用线盒中。8保证设备的整洁。二、实验设备的数据通路结构利用本实验装置构造的模型机的数据通路结构框图如下图。其中各单元内部已经连接好，单元之间可能已经连接好，其它一些单元之间的连线需要根据实验目的用排线连接。图0-2 模型机数据通路结构框图- 24 -实验一 运算器实验：算术逻辑运算实验一实验目的1了解运算器的组成结构；2掌握运
3、算器的工作原理；3掌握简单运算器的数据传送通路。 4验证运算功能发生器(74LSl81)的组合功能。 二实验设备TDN-CM+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。三实验原理实验中所用的运算器数据通路如图1-l所示。其中两片74LSl81以串行方式构成8位字长的ALU，ALU的输出经过一个三态门(74LS245)和数据总线相连。三态门由ALU-B控制，控制运算器运算的结果能否送往总线，低电平有效。为实现双操作数的运算，ALU的两个数据输入端分别由二个锁存器DR1、DR2(由74LS273实现)锁存数据。要将数据总线上的数据锁存到DR1、DR2中，锁存器的控制端LDDR1和LDDR2必须为高
4、电平，同时由T4脉冲到来。数据开关(“INPUT DEVICE”)用来给出参与运算的数据，经过三态门(74LS245)后送入数据总线，三态门由SW-B控制，低电平有效。数据显示灯(“BUS UNIT”)已和数据总线相连，用来显示数据总线上的内容。图中已将用户需要连接的控制信号用圆圈标明(其他实验相同，不再说明)，其中除T4为脉冲信号外，其它均为电平信号。由于实验电路中的时序信号均已连至“WR UNIT”的相应时序信号引出端，因此，在进行实验时，只需将“WR UNIT”的T4接至“STATE UNIT”的微动开关KK2的输出端，按动微动开关，即可获得实验所需的单脉冲。ALU运算所需的电平控制信号
5、S3、S2、S1、S0、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU-B、SW-B均由“SWITCH UNIT”中的二进制数据开关来模拟，其中Cn、ALU-B、SW-B为低电平有效，LDDRl、LDDR2为高电平有效。对单总线数据通路，需要分时共享总线，每一时刻只能由一组数据送往总线。 图1-1 运算器数据通路图四实验内容1输入数据通过三态门74LS245后送往数据总线，在数据显示灯和数码显示管LED上显示2向DR1(或DR2)中置数，经ALU直传后，经过三态门245送入数据总线，在数据显示灯和数码显示管LED上显示3将输入DR1和DR2中的两个数进行算术逻辑运算，验证ALU的功能，结果在数据显示
6、灯和数码显示管LED上显示五实验步骤1输入数据通过三态门74LS245后经过数据总线在数据显示灯和数码显示管LED上直接显示 (1) 按下图连接实验线路，仔细查线无误后，接通电源。 图1-2 总线数据显示连线图(注：可以选择PC-B开关，或者是本实验中不用的任一个开关)(2) 用二进制数码开关输入数据65H，观察总线数据显示灯和LED的变化。设置：SW-B = 1 从输入开关输入：01100101打开三态门 SW-B = 0 数据在数码管上显示：LED-B = 0 开关299-B置为0发W/R脉冲通过改变PC-B(01 或10)实现 结果：2向DR1(或DR2)中置数，经ALU直传后，经过三态
7、门245送入数据总线，在数据显示灯和数码显示管LED上显示 (1) 重新按下图连接实验线路，仔细查线无误后，接通电源图1-3 实验接线图(2)向DRl和DR2寄存器中置入数据65H和A7H。输入的流程为：使用以下操作步骤向DRl寄存器中置入数据65。设置：SW-B = 1从输入开关输入：01100101打开输入三态门：SW-B = 0设置DR1有效：LDDR1 = 1LDDR2 = 0将数据打入DR1按KK2发T4脉冲将总线上的数据在数码管上显示：LED-B = 0发W/R脉冲结果是： 使用以下操作步骤向DR2寄存器中置入数据A7。设置：SW-B = 1从输入开关输入：10100111打开输入
8、三态门：SW-B = 0设置DR2有效：LDDR2 = 1LDDR1 = 0将数据打入DR1按KK2发T4脉冲将总线上的数据在数码管上显示：LED-B = 0发W/R脉冲结果是：(3) 检查输入DRl和DR2寄存器中的数据是否正确。操作步骤如下，设置：关闭输入三态门：SW-B = 1关闭暂存器的输入：LDDR1=0 LDDR2=0打开ALU输出三态门：ALU-B = 0设置运算器直传方式：S3S2S1S0M = 11111 将总线上的数据在数码管上显示：LED-B = 0发W/R脉冲结果(显示DR1中的数据)：设置：关闭输入三态门：SW-B = 1打开ALU输出三态门：ALU-B = 0设置运
9、算器直传方式：S3S2S1S0M = 10101 将总线上的数据在数码管上显示：LED-B = 0发W/R脉冲 结果(显示DR2中的数据)：3将输入DR1和DR2中的两个数进行算术逻辑运算，验证ALU的功能，结果在数据显示灯和数码显示管LED上显示(1) 接线图同2，保持DR1,DR2中的数据不变，若不知道DR1,DR2中是否有数据，可按实验步骤2中的(3)去检查； (2) 通过“SWITCH UNIT”改变开关S3、S2、S1、S0、Cn、M的值，可将两数进行不同的运算，例如：设置S3S2S1S0CnM=10010，运算器进行加法运算，设置S3S2S1S0CnM=01100，运算器进行减法运
10、算。具体设置的值见74LS181的功能表。然后根据运算结果填写下表：六思考题1 在运算器数据通路图中,DR1、DR2连接到74LS181时为什么要交叉？2 两个4位的74LS181是如何构成8位的ALU的？3 “+”和“加”的区别是什么？4 两个三态门74LS245的控制有何限制？数据输入DR1、DR2时控制有何限制？5 运算器是如何完成多种不同的功能的？怎样控制它？6 你认为计算机是怎样实现连续运行的？实验二 运算器实验：进位控制实验一实验目的1验证带进位控制的运算器的组成结构；2验证带进位控制的运算器的功能；3观察给定数据是否产生进位，以及如何进行带进位运算。二实验设备TDNCM+计算机组
11、成原理教学实验系统一台，排线若干。三实验原理进位控制运算器的实验原理如图21所示，在实验一的基础上增加进位控制部分，基本原理是：两数在181中进行运算后最高位的进位C(n+4)连接到一个74锁存器的输入端D，是否锁存由T4和AR(低电平有效)信号控制。T4是脉冲信号，实验时将T4连至“STATE UNIT”的微动开关KK2上。当T4脉冲到来时，进位结果就被锁存到74锁存器中了。如果锁存器中已有进位保存，可以控制下一次在181中的运算是否带进位运算。这是通过改变Cn和AR的值来进行的。本实验中运算结果是否产生进位、结果是否为0是根据进位指示灯CY和零标志指示灯ZI的状态来判断的。进位标志指示灯C
12、Y亮(cy=0)时表示进位标志为假此时运算没有产生进位；标志指示灯CY灭(cy=1)时表示进位标志为真此时运算产生了进位。零标志指示灯ZI灯亮时表示零标志为假此时运算结果不为“0”，灯灭时表示零标志为真此时运算结果为“0”。图2-1 进位控制实验原理图四实验内容 通过输入几组不同的数据(一组产生进位，一组不产生进位)，完成指定的运算，观察进位标志和零标志灯的状态，以及进位对ALU下一步操作的影响五实验步骤(1) 按图22连接实验线路，仔细查线无误后，接通电源。图2-2 实验接线图(2) 用二进制数码开关向DR1和DR2寄存器置数55H和AAHH，具体方法同实验一。输入流程如下：(3) 按照实验
13、一的方法检查DR1和DR2中的数。观察结果： (DR1)=_ (DR2)=_ (4) 进位标志清零，具体操作方法是：让CLR开关做101操作。实验板中“SWITCH UNIT”单元中的CLR开关为标志CY、ZI的清零开关，它为零时是清零状态，所以将此开关做101操作，即可使标志位清零。(5) 验证带进位的运算及进位锁存功能。设置Cn=l，Ar=O进行带进位算术运算。此时数据总线上显示的数据为DR1加DR2加当前进位标志的值，相加的结果是否产生进位,检查CY灯，若进位标志灯亮，表示无进位，反之，有进位；本次运算结果是否为0，检查ZI灯，若零标志灯亮，运算结果不为0，反之，结果为0。关闭输入三态门
14、：SW-B = 1打开ALU输出三态门：ALU-B = O 关闭寄存器的输入：LDDR1 = 0LDDR2 = 0 进行带进位加法运算：Cn = l Ar = OS3 S2 Sl S0 M = l 0 0 1 0观察结果(此时只能观察到本位和)：按动微动开关KK2，观察进位标志灯CY，零标志灯ZI的变化。（此时将显示锁存器74中的内容，同时也会将锁存内容加到ALU的低位），现象是：(6) 输入另一组数据11111111，00000001到DR1和DR2中，重复(2)、(3)、(4)、(5)的步骤，观察CY，ZI显示灯以及运算结果。结果是：(7) 当刚才运算的进位已经锁存到74LS74时，输入另一组数据11111111，00000001到DR1和DR2中，观察进位灯及结果。结果是：(8) 输入另一组数据00001110，00000001到DR1和DR2中，观察进位灯及结果。结果是：六思考题1 本次运算的进位是如何进行锁存的？2 AR，Cn是如何控制带进位加法的？控制信号Cn设为0与锁存信号为0的含义是否相同？3 进行加法运算时为什么要关闭DR1,DR2?4 叙述带进位的加法的实现原
