[计算机硬件及网络]计算机组成原理实验

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1、计算机组成原理实验计算机组成原理实验实验一实验一 系统认识实验系统认识实验l计算机操作过程通过输入设备接受程序和数据信息，并传送 到存储器通过控制器分析程序，并将数据信息读取到 运算器进行处理通过输出设备输出程序处理的结果控制器指挥计算机内部所有部件的活动l计算机内部信息流数据流：原始数据，中间结果，程序控制流：控制各设备动作实验一实验一 系统认识实验系统认识实验l数字计算机结构图实验一实验一 系统认识实验系统认识实验l冯诺依曼体制指令和数据的代码形式完全相同，由 0 和 1 组成采用存储程序方式，程序存放在连续的存储 器地址中以控制信息流为驱动，由控制器控制整个程 序和数据的存取以及程序的执

2、行数据信息流被动调用处理，以运算器为核心 ，所有的执行都经过运算器通过程序计数器PC来存放下一次执行的指令 单元地址，顺序加1或跳转实验一实验一 系统认识实验系统认识实验l计算机系统层次结构机器语言级汇编语言级高级语言级用户程序级硬件级软硬件分界面对应机器指令的助记符接近自然语言运行应用软件实验一实验一 系统认识实验系统认识实验l软硬件的逻辑等价性硬件实现：速度快，所需硬件成本高，功能 变更周期长软件实现：速度慢，不需要硬件成本，功能 容易修改实验一实验一 系统认识实验系统认识实验l实验设备 - 西安唐都 TDN-CM+电源 开关信号源时序电路运算器微控制器逻辑译码寄存器地址 寄 存器指令 寄

3、 存器总线控制 信号扩展总线主存输入 输出开关指 示 灯实验一实验一 系统认识实验系统认识实验lTDN-CM+单元式实验电路，可构造不同结构的原理性 计算机对实验设计具有良好开放性l数据线、地址线、控制线l运算器、控制器l微指令格式实时调试图形界面及在线检测功能多种输入输出方式及信号测量功能lRS-232通信或开关输入实验一实验一 系统认识实验系统认识实验l通过标准RS-232串口与PC联机操作lPC联机软件CMPP，图形界面动态调试注意：选择正确的串口号实验一实验一 系统认识实验系统认识实验l实验目的：搭建一个基本模型计算机建立对计算机组成及其原理的基本认识l实验原理：简单模型计算机结构模型

4、计算机指令：IN、ADD、OUT、JMP一条机器指令由一系列微指令完成微指令以二进制数形式存放于存储单元实验一实验一 系统认识实验系统认识实验l实验步骤：连线构建一台完整的模型计算机理解一段简单的程序 IN ADD OUT JMP通过串口连接实验系统和PC机运行CMPP联机软件，装载程序文件调用“复杂模型机”通路图，注意观察单步微 指令和单步机器指令的运行过程实验一实验一 系统认识实验系统认识实验l实验报告要点：数字计算机结构原理图本系统的四条指令 IN ADD OUT JMP实验思考题实验小结实验二实验二 运算器实验运算器实验l运算器是计算机进行数据处理的核心部件算术逻辑运算单元（ALU）累

5、加器暂存寄存器通用寄存器堆移位器进位移位控制电路结果判断电路组成实验二实验二 运算器实验运算器实验l各种复杂的运算处理最终可以分解为四则 运算和基本逻辑运算，其中四则运算的核 心是加法运算l二进制加法器是算术逻辑部件（ALU） 的核心实验二实验二 运算器实验运算器实验l集成逻辑芯片74LS181 4位ALU单元l逻辑功能表实验二实验二 运算器实验运算器实验l实验2-1 算术逻辑运算实验l实验目的：了解运算器组成结构和原理掌握运算器的工作原理验证74LS181的逻辑组合功能实验二实验二 运算器实验运算器实验l实验原理：两片74LS181构成8位字长运算器74LS245三态门，控制输入输出操作lA

6、LU-B置低电平：输出运算结果lSW-B置低电平：输入数据进入总线74LS273实现两个操作数的数据锁存lLDDR1/LDDR2置高电平l脉冲触发-T4总线灯（LED）显示总线上的数据181芯片总线灯输入单元181芯片245芯片273芯片273芯片实验二实验二 运算器实验运算器实验l实验2-1接线图实验二实验二 运算器实验运算器实验l实验步骤：SW-B低，ALU-B高，LDDR1高，LDDR2低INPUT DEVICE DR1（65）SW-B低，ALU-B高，LDDR1低，LDDR2高INPUT DEVICE DR2（A7）SW-B高，ALU-B低，LDDR1低，LDDR2低S3S0、M置11

7、111，总线灯显示DR1S3S0、M置10101，总线灯显示DR2S3S0、M、Cn置000000111111，验证 74LS181芯片逻辑功能实验二实验二 运算器实验运算器实验l实验2-2 进位控制实验l实验目的：带进位控制运算器结构和原理验证带进位控制运算器功能实验二实验二 运算器实验运算器实验l实验原理：74LS74实现运算器最高位进位输出锁存lAR置低电平（锁存器控制信号）lT4脉冲触发其余同实验2-1实验二实验二 运算器实验运算器实验l实验2-2接线图实验二实验二 运算器实验运算器实验l实验步骤：对 DR1 和 DR2 置数，方法同实验2-1SW-B高，ALU-B低，LDDR1低，L

8、DDR2低CLR开关清零Cn高，AR低ALU-B低，S3S1 、M置10010（算术加法）KK2触发，观察进位标志灯CY至少做两次加法运算，验证进位控制的锁存 状态（进位灯CY亮表示无进位）实验三实验三 控制器实验控制器实验l控制器是为了实现对计算机各部件的有效 控制，快速准确地取指令、分析指令和执 行指令l基本功能取指令分析指令执行指令处理中断和异常实验三实验三 控制器的组成控制器的组成l程序计数器PC用于存放下一条指令的存储单元地址，它具有自动 增量计数的功能l指令寄存器IR用于存放正在执行或即将执行的指令l指令译码器ID 用于对IR中的指令进行译码，以确定IR中存放的是 哪一条指令l控制

9、电路 时序发生器负责产生时序脉冲信号 在时序脉冲的同步下对有关的部件发出操作控制命 令，以控制各个部件的动作l中断处理及总线仲裁控制机构实验三实验三 时序控制信号时序控制信号lCPU的工作过程就是执行指令的过程。指令 是由一系列基本操作，即微操作组成l指令中所包含的微操作要遵循一个时间表， 即指令的时序(相当于作息时间表)l指令时序的控制方式：控制器的重要功能是进行指令的时序控制指令中每个微操作要由对应的时序信号激发(启 动) 基本控制方式有同步和异步两种实验三实验三 时序控制方式时序控制方式l同步控制： 以时定序.每条指令和每个微操作的执行,都由时序 信号(即CPU的基准时钟)来控制,一旦时

10、序结束,操作 也结束l异步控制： 以序定时.没有基准的时钟信号.一个微操作是用前 一个微操作的结束信号启动的l联合控制： 是同、异步两种方式的结合,即把大部分操作安排在 固定的机器周期,对某些时间难以确定的操作用应答 方式进行 对各种不同指令的微操作实行大部分统一,小部分区 别对待的办法 例如,对公共的取指操作用同步方式,对I/O操作用异 步方式.实验三实验三 控制器实验控制器实验l微命令（微信号）直接作用于控制电路的控制命令l微操作 CPU在执行指令中，由微命令控制实现的最 基本操作l送指令地址、取指、读指令、译码、送操作数地 址、取操作数、运算、写回结果等l微操作是指令执行部件接受微命令后

11、进行的操作l微周期读取一条微指令并完成相应微操作所用时间 ，通常为一个时钟周期实验三实验三 控制器实验控制器实验l微指令一个微周期所需的微命令集，二进制编码同时发出的控制信号所执行的一组微操作l加法指令的执行可分为：取指、计算地址、取操 作数和加法运算四步，每一步都由一组微操作实 现。l微程序若干条微指令的有序序列实验三实验三 控制器实验控制器实验l一段程序由一组指令组成l一条指令由一个微程序实现l一条微程序由一组微指令实现l一条微指令由一组微操作实现实验三实验三 控制器实验控制器实验l实验目的：时序发生器组成原理微程序控制器组成原理微程序编写格式和运行l实验原理：微程序控制器基本功能时序控制

12、电路的工作方式和使用方法微程序控制电路状态微指令24位格式实验三实验三 控制器实验控制器实验l时序波形实验三实验三 控制器实验控制器实验l微指令格式：24位字长UA5UA0为6位的后继地址.A,B,C为三个译码字 段24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 987654321S3 S2 S1 S0 M CnWE A9 A8ABCuA 5uA 4uA 3uA 2uA 1uA 0实验三实验三 控制器实验控制器实验lA9A8=00时,Y0=0lA9A8=01时, Y1=0lA9A8=10时, Y2=0lA9A8=11时, Y3=0实验三实验三 控制器实

13、验控制器实验lA字段151413选择000001LDRi010LDDR1011LDDR2100LDIR101LOAD110LDARlB字段lC字段121110选择000001RS B010RD B011RI B100299 B101ALU B110PC B987选择000001P(1)010P(2)011P(3)100P(4)101AR110LDPC实验三实验三 控制器实验控制器实验lA字段151413选择000001LDRi010LDDR1011LDDR2100LDIR101LOAD110LDARlLDR0=LDRi(I1I0=00), R0接收BUS数 据LDR1=LDRi(I1I0=01

14、), R1接收BUS数据LDR2=LDRi(I1I0=10), R2接收BUS数据lLDDR1是运算单元的第一操作数存储单 元DR1 接收BUS数据lLDDR2是运算单元的第二操作数存储单 元DR2接收BUS数据lLDIR 是指令寄存器接收BUS数据lLOAD+ LDPC 是PC接收BUS的数据lLDPC PC增1lLDAR 是BUS送地址到地址寄存器AR实验三实验三 控制器实验控制器实验lC字段中的P(1)P(4)为测试字，用于产生 微地址分支987选择000001P(1)010P(2)011P(3)100P(4)101AR110LDPC实验三实验三 控制器实验控制器实验l实验3接线图实验三

15、实验三 控制器实验控制器实验l实验步骤：对照微程序流程图和二进制代码表，理解微 程序的编写格式连接实验线路观测并控制时序信号在“PROG”模式下写入微代码在“READ”模式下校验微代码在“RUN”模式下运行微代码（单步/连续）l强置SE1SE6端人为设置分支地址实验三实验三 控制器实验控制器实验l微程序流程图1实验三实验三 控制器实验控制器实验l微程序流程图2实验三实验三 控制器实验控制器实验l思考题试分析教材P65 图4.4-5的微程序流程图中， 标号为01，02，04，15，26的微指令的编写 方式实验四实验四 存储器实验存储器实验l存储器是计算机信息存储和交换中心程序指令和数据都从存储器中获取l是冯诺依曼体系计算机的基本特征l是计算机能够自动、连续、快速工作的基础输入/输出设备与存储器直接交换数据实验四实验四 存储器实验存储器实验l存储器分类内部存储器：容量小，速度快，CPU直接访 问外部存储器：容量大，速度较慢，不能被 CPU直接访问实验四实验四 存储器实验存储器实验l存储器分类随机存储器：存储单元可以被随机访问，存 取时间与存储单元物理地址无关顺序存储器：只能按照某种顺序访问存储单 元，存储时间与存储单元物理地址有关实验四实验四 存储器实验存储器实验l存储器分类光介质、磁介质和半导体存储器只读和读/写存储器永久和