计算机组成原理与系统结构实验学生指导书

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1、目目 录录 实验一 系统认识实验2 实验二 算术逻辑运算实验9 实验三 进位控制实验12 实验四 移位运算实验14 实验五 静态随机存储器实验 16 实验六 总线控制器实验19 实验七 微程序控制器实验21 实验一实验一 系统认识实验系统认识实验 一一、实验目的实验目的 1 搭建并操作一个最基本的模型计算机。 2 建立对计算机组成及其原理的基本认识。 二二、实验设备实验设备 1TDN-CM+或 TDN-CM+教学实验系统一套。 2 PC 微机一台。 三三、实验原理实验原理 1一台简单模型计算机的结构 为了更好地理解计算机的各组成部件是如何相互配合进行工作的，我们将设计一个最 基 本的模型计算机

2、。根据前面小节的知识，我们将算术逻辑运算器、控制器、寄存器、内部 总 线等部件搭接起来构成一个 CPU，然后再加上存储器、输入设备、输出设备即构成一台完 整的模型计算机。其逻辑框图见图 1.4-1。 其中 ALU 为运算器、DR1、DR2 为工作暂存器、R0 为通用寄存器、AR 为地址寄存器、 PC 为程序计数器、IR 为指令寄存器、TIME 为时序发生器、MEM 为程序存储器、 INPUT 为输入设备、OUTPUT 为输出设备、MC 为微程序控制器。 2 模型计算机的程序 本系统设计了四条指令，构成了此模型计算机的指令系统，即： 应用该指令系统可以编写一段反映计算机操作的指令序列，它们就构成

3、了所谓的计算 机 程序，并将其以二进制存放在主存储器的连续的单元中。计算机通过连续运行该段程序， 就 可以解决各种复杂的计算或是控制问题。 3 微程序 Microprogram 为实现以上计算机程序的操作，控制器对应于每一条机器指令都需要进行一系列的微操 作来完成该机器指令的操作。一个微操作则对应一条微指令。如果控制器采用最普遍使用 的 微程序控制器，则一条机器指令的操作就需要一系列微指令来完成。它们构成计算机的微 程 序并且是以二进制数的形式存放在控制存储器的存储单元中。与以上机器指令对应的微操 作 内容如表 1.4-1 所示。 四四、实验步骤实验步骤 1构造一台模型计算机 首先，参照图 1

4、.4-2，在教学实验系统中使用连接导线（排线）将模型计算机的各个 部件连接在一起，构成一台完整的模型计算机。连接图中凡是标有小圆圈的连线都是需要 连接导线的，而未标小圆圈的连线是系统已经连接好的。 连接完成后，请仔细检查，以保证连接的正确性。 2 我们来编写一段简单程序操作的例子来说明计算机工作的过程。 这个程序要执行的功能是： 1）由输入设备向 CPU 的通用寄存器 R0 中输入一个数。 2）将输入的数值与程序中的一个立即数相加。 3）将运算结果输出到输出设备上进行显示。 4）跳转返回到执行第一条指令的状态和位置。 完成以上指令操作的程序内容如表 1.4-2 所示。 3 模型机操作前的准备工

5、作 使用通讯电缆将实验系统的串行接口与 PC 微机的串行接口相连接，并将实验系统的电源 线接到电源插座中。然后启动 PC 微机，进入 Windows 系统，安装本设备提供的应用软 件 CMPP。 （安装方法及软件使用可见用户手册） 。 4模型计算机的运行操作 1）打开实验系统的电源开关， 点击图标 CMPP，运行软件。 若联机正常后，将显示如 图 1.4-3 所示界面。 2）未联机正常，也可以进入软件界面，但是所有的菜单里的功能全是灰色不可用（除 “文件”及“端口”菜单） ，且指令区窗口中的数据也全以星号显示。本软件的默认串口 为 1 号串口，若通讯电缆连接到 2 号串口上，可进入“【端口】

6、”菜单，选择 2 号串口， 然后进行“【端口】-【端口测试】 ” ，若还不正常，请确保打开系统电源及检查通讯电缆的 连接。具体排除故障见使用手册 。 3）进入“【转储】- 【转载】 ” ，选择系统软件安装时在CMPPSAMPLE 目录下的 一个例程 EX.TXT,点击“打开”后即进行装载。此文件包含有上述设计的模型机要执行的 机器指令程序及定义该机器指令系统的微程序。可从“【文件】【打开】 ”来打开此文件， 可查看模型计算机操作的程序及其微程序。其内容为： 机器指令： $P0000 $P0110 $P0208 $P0320 $P0430 $P0500 微指令： $M00018001 $M010

7、1ED82 $M0200C048 $M0300B004 $M0401A205 $M05959A01 $M0600D181 $M08001001 $M0901ED83 $M0A070201 $M0B01ED86 机器指令及微指令的描述格式为： 4）装载完成后，选择“【运行】- 【通路图】- 【复杂模型机】 ”可打开一个对应 的数据通路图，如图 1.4-4 所示： 5）在执行指令之前，要将实验系统右下角的 CLR 清零开关向上拨到 0 位再拨回 1 位，以将程序计数器和微地址寄存器清为零，使得程序可从零地址开始运行。 选择“【运行】【单步微指令】 ”功能，每按动一次，系统运行一条微指令并在界面 中

8、 显示动态数据流及微地址等的变化，仔细观察运行过程，则可了解并掌握计算机的工作过 程。 6）每按动一次“【运行】【单步机器指令】 ” ，则单步执行一条机器指令。一条机器 指 令对应一段微程序，每执行一条微指令时，计算机同时显示数据流，执行完这条机器指令 对 应的所有微指令后则自动停止。此时可以再继续单步执行下一条机器指令。 当模型计算机执行完一条指令后，PC 微机则根据指令的执行过程，在屏幕上显示出其 数据流，图中各部件的有效控制信号则用高亮显示，并将下一条微指令代码显示在下方。 这 样就可以形象地看到一条指令的执行过程。 “【运行】【单步微指令】 ”的功能是单步执行一条微指令，同时显示其数据

9、流。 “【运行】【连续运行】 ” ，则连续运行全部程序，同时连续显示整个数据流。当按 动 “【运行】【停止】 ”时才会停止执行，但不是立即停止，只有当一条机器指令运 行 完后才会停止。 7）单步执行机器指令，并对照表 1.4-2，观察对应一条机器指令的一系列微操作的运 行过程。 思考问题思考问题 1）单步执行微指令，观察应用软件的数据通路图中各部件的有效控制信号 （高亮显 示） ， 思考这些控制信号的作用。并对照图 1-2，找到这些控制信号的来源，并思考它们是如何 产生的，它们与微代码的关系。思考微程序控制器在整个模型计算机运行中的作用。 2）单步执行指令 ADD X,R0 ，观察微操作DR1

10、+DR2 R0 执行时，运算器 ALU 的 有效控制信号 S0-S3、M、CN，思考它们对运算器算术逻辑操作的作用。 实验二实验二 算术逻辑运算实验算术逻辑运算实验 一一、实验目的实验目的 1了解运算器的组成结构。 2 掌握运算器的工作原理。 3 学习运算器的设计方法。 4 掌握简单运算器的数据传送通路。 5 验证运算功能发生器 74LS181 的组合功能。 二二、实验设备实验设备 TDN-CM+或 TDN-CM+教学实验系统一套。 三三、实验原理实验原理 实验中所用的运算器数据通路图如图 2.6-1。图中所示的是由两片 74LS181 芯片以并/ 串形式构成的 8 位字长的运算器。右方为低

11、4 位运算芯片，左方为高 4 位运算芯片。低 位芯片的进位输出端 Cn+4 与高位芯片的进位输入端 Cn 相连，使低 4 位运算产生的进 位送进高 4 位运算中。低位芯片的进位输入端 Cn 可与外来进位相连，高位芯片的进位输 出引至外部。 两个芯片的控制端 S0S3 和 M 各自相连，其控制电平按表 2.6-1。 为进行双操作数运算，运算器的两个数据输入端分别由两个数据暂存器 DR1、DR2 （用锁存器 74LS273 实现）来锁存数据。要将内总线上的数据锁存到 DR1 或 DR2 中， 则锁存器 74LS273 的控制端 LDDR1 或 LDDR2 须为高电平。当 T4 脉冲来到的时候， 总

12、线上的数据就被锁存进 DR1 或 DR2 中了。 为控制运算器向内总线上输出运算结果，在其输出端连接了一个三态门（用 74LS245 实现） 。若要将运算结果输出到总线上，则要将三态门 74LS245 的控制端 ALU-B 置低电平。否则输出高阻态。 数据输入单元(实验板上印有 INPUT DEVICE)用以给出参与运算的数据。其中，输入开 关经过一个三态门（74LS245）和内总线相连，该三态门的控制信号为 SW-B，取低电平 时，开关上的数据则通过三态门而送入内总线中。 总线数据显示灯（在 BUS UNIT 单元中）已与内总线相连，用来显示内总线上的数据。 控制信号中除 T4 为脉冲信号，

13、其它均为电平信号。 由于实验电路中的时序信号均已连至“W/R UNIT”单元中的相应时序信号引出端，因 此，需要将“W/R UNIT”单元中的 T4 接至“STATE UNIT”单元中的微动开关 KK2 的 输出端。在进行实验时，按动微动开关，即可获得实验所需的单脉冲。 S3、S2、 S1、S0 、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU-B、SW-B 各电平控制信号则使用 “SWITCH UNIT”单元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，LDDR1、 LDDR2 为高电平有效。 对于单总线数据通路，作实验时就要分时控制总线，即当向 DR1、DR2 工作

14、暂存器 打入数据时，数据开关三态门打开，这时应保证运算器输出三态门关闭；同样，当运算器 输出结果至总线时也应保证数据输入三态门是在关闭状态。 四四、实验步骤实验步骤 1按图 2.6-2 连接实验电路并检查无误。图中将用户需要连接的信号线用小圆圈标 明 （其它实验相同，不再说明） 。 2 开电源开关。 3 用输入开关向暂存器 DR1 置数。 拨动输入开关形成二进制数 01100101（或其它数值） 。 （数据显示灯亮为 0，灭为 1） 。 使 SWITCH UNIT 单元中的开关 SW-B=0（打开数据输入三态门） 、ALU-B=1 （关闭 ALU 输出三态门） 、LDDR1=1、LDDR2=0。 按动微动开关 KK2 ，则将二进制数 01100101 置入 DR1 中。 4 用输入开关向暂存器 DR2 置数。 拨动输入开关形成二进制数 10100111（或其它数值） 。 SW-B=0、ALU-B=1 保持不变，改变 LDDR1、LDDR2 ，使 LDDR1=0、LDDR2=1。 按动微动开关 KK2 ，则将二进制数 10100111 置入 DR2 中。 5 检验 DR1 和 DR2 中存的数是否正确。 关闭数据输入三态门（SW-B=1） ，打开 ALU 输出三态门（