西南科技大学计算机组成原理实验指导书

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1、1 1 计算机组成原理实验指导书计算机组成原理实验指导书 计算机应用教研室编计算机应用教研室编 西南科技大学计算机科学与技术学院 2006 年 8 月 2 2 目录 第 0 章 实验概述 目录 第 0 章 实验概述 一、本课程实验教学的目的和要求 二、本课程实验内容体系和实验类型 第一章 实验项目内容安排 第一章 实验项目内容安排 实验一 系统认识实验 实验二 运算器组成实验 （一）算术逻辑运算实验 （二）进位控制实验 实验三 存储器实验 （一）静态随机存储器实验 （二）先进先出（FIFO）存储器实验 实验四 微控制器实验 实验五 总线控制实验 实验六 基本模型机设计与实现 实验七 可重构原理

2、计算机的组成设计实验 实验八 复杂模型机的设计与实现 实验九 基于精简指令系统计算机（RISC）构成的模型机 附录 A 实验报告格式 附录 A 实验报告格式 3 3 第 0 章 实验概述 一、本课程实验教学的目的和要求 课程实验教学目的：通过本实验课程训练，学生可熟悉典型计算机的基本结构、基本组 成和基本功能， 掌握计算机主要组成部件工作原理的基本分析与设计方法， 使学生对典型计 算机系统的分析、设计、开发与使用能力得到训练与提高，了解目前比较流行的硬件开发技 术，培养学生的实验创新能力和对新技术、新方法的分析应用能力。 课程实验教学要求：使学生对计算机各主要组成部件相互间的有机联系有较全面的

3、理 解。主要锻炼学生的实验技能、创新能力、科研能力及解决实际问题方面的能力。 二、本课程实验内容体系和实验类型 序 号 实验内容 实验选题 实验类型实验要求 实验学时 1 系统认识实验一台基本的模型计算机 验证 必做 4 2 常用组件设计1 运算器组成设计 验证 选做 4 3 常用组件设计2 基本存储系统设计 验证 选做 4 4 常用组件设计3 基本微程序控制器结构设计 验证 选做 4 5 整体设计 用 CPLD 实现模型机系统设计 实验 设计 必做 8 4 4 第一章 实验项目内容安排 实验一 系统认识实验 实验一 系统认识实验 一实验类型一实验类型 验证型实验（4 学时） 二二. 实验目的

4、实验目的 1.构造一台最基本模型计算机。 2.建立对计算机组成及其原理的基本认识。 三实验环境三实验环境 1. TDN-CM+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。 2. PC 机一台 四背景知识 四背景知识 五. 实验内容 五. 实验内容 1. 实验原理 （1）一台简单模型计算机的结构如图 1.1 图 1.1 简单模型计算机的结构图 其中：ALU 为运算器，DR1、DR2 为工作寄存器，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。

5、（2）模型计算机的程序 计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU 从内存中取出一条机器指令到指 令执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的序列来完成， 即一条机器指令对应一个微程 5 5 序。 本系统设计了四条机器指令： IN（输入）、ADD（二进制加法）、OUT（输出）、JMP （无条件转移），其指令格式如下（前位为操作码）： 助记符 机器指令码 说 明 IN 0000 0000 INPUT RO ADD addr 0001 0000 R0+addr R0 OUT addr 0010 0000 R0 LED JMP addr 0011 0000 addr PC 应用该指令系统可以编

6、写一段计算机程序，并将其以二进制数的形式存放在存储器中， 可以完成特定的功能。 （3）微程序 表 1.1 机器指令对应的微操作表 1.1 机器指令对应的微操作 加强指令助记符 微操作 说明 PCAR,PC+1PC 预备取指 RAMBUS,BUSIR 取指 IN RO INPUTR0 向 R0 中输入一个数 PCAR,PC+1PC 预备取指 RAMBUS,BUSIR 取指 PCAR,PC+1PC 预备取数据 RAMBUS,BUSDR2 取数据送入 DR2 R0DR1 将 R0 中的数据送入 DR1 ADD X,R0 DR1+DR2 RO 两数相加，结果送入 R0 PCAR,PC+1PC 预备取指

7、 RAMBUS,BUSIR 取指 OUT R0 R0OUTPUT 将结果输出显示 PCAR,PC+1PC 预备取指 RAMBUS,BUSIR 取指 PCAR,PC+1PC 预备取数据 JMP 00 RAMBUS,BUSPC 取数据送入 PC 2. 实验步骤 （1）构造模型机 参照图 1.2 在教学实验系统中连接各个部件， 构造一台完整的模型计算机。 图中标有小 圆圈的连线都是需要连接导线的，而未标有小圆圈的连线是系统已经连接好的。 6 6 图 1.2 实验接线图 （2）编写一段简单程序 该程序完成以下功能： a.由输入设备向 CPU 的通用寄存器 R0 中输入一个数。 b.将输入的数与程序中的

8、一个立即数相加。 c.将运算结果输出到设备上显示。 d.跳转返回到执行第一条指令的状态和位置。 表 1.2 计算机程序 7 7 地址 指令码 指令助记符 说明 00 00000000 IN R0 INPUT RO 01 02 00010000 X ADD X,R0 R0+XR0 X 为立即数，存放在 02 单元中 03 00100000 OUT R0 R0OUTPUT 04 05 00110000 00000000 JMP 00 00PC (3) 模型机操作前的准备工作 将 PC 与实验系统相连，进入应用软件 CMPP. (4) 模型机的运行操作 a.打开电源，单击 CMPP，运行软件，若正常

9、，将出现以下界面。 b.未联机正常，进入软件界面后，大部分菜单为灰色不可用。可进入【端口】菜单，选择 2 号串口进行端口测试。 c.选择【转储】【装载】选项，进行装载。选择CMPPSAMPPLE 目录下的例程 EX,TXT,单 击“打开”按钮后即进行装载。可选择“文件” “打开”来打开此文件，来查看模型机 的程序及其微程序。其内容为： 程 序 $P0000 机器指令格式说明： $P0110 $P $P0208 机器指令代码 $P0320 十六进制地址 $P0430 $P0500 8 8 微指令格式说明： $M 微程序 微指令代码 $M00018001 十六进制地址 $M0101ED82 $M0

10、200C048 $M0300B004 $M0401A205 $M05959A01 $M0600D181 $M08001001 $M0901ED83 $M0A070201 $M0B01ED86 d.装载完成后，选择【运行】【通路图】【复杂模型机】，可以打开一个对应的数据通 路图，如。 图 1.3 e.在执行指令之前，拨动总清开关 CLR（），微地址清零，程序计数器清零。程序首 址为 00H。 选择【运行】【单步微指令】，每按动一次，系统运行一条微指令并在界面中显示动 态数据流，仔细观察，可以了解计算机的工作过程。 f. 选择【运行】【单步机器指令】，每按动一次，系统运行一条指令并在界面中显示动

11、态数据流，仔细观察，可以了解计算机的工作过程。 9 9 六.思考与分析： （1）数据通路图中各个部件的控制信号是怎样产生的？ （2）单步执行指令 ADD X,R0,分析运算器的控制信号的作用？ 七.实验报告要求： （1）画出该实验电路接线图。 （2）在实验过程中，出现了哪些问题?是如何解决的? （3）回答思考题。 10 10 实验二 运算器组成实验实验二 运算器组成实验 （一） 算术逻辑运算实验（一） 算术逻辑运算实验 一实验类型实验类型 验证型实验（4 学时） 二二. 实验目的 实验目的 掌握简单运算器的数据传送通路。 验证运算功能发生器（74LS181）的组合功能。 三实验环境三实验环境

12、TDN-CM+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。 四背景知识四背景知识 集成逻辑芯片 74LS181 是一个 4 位的 ALU 单元，引脚如图 2.1 所示。逻辑构成如图 1.2 所示，逻辑功能如表 2.1 所示， 图 2.1 74LS181 芯片引脚 11 11 图 2.2 74LS181 逻辑图 表 2.1 74LS181 的逻辑功能表 M=0（算术运算） S3 S2 S1 S0 Cn=1(无进位) Cn=0(有进位) M=1（逻辑运算） 0 0 0 0 F=A F=A 加 1 F= A 0 0 0 1 F=A+B F=A+B 加 1 F=A+B 0 0 1 0 F=A+B F=A

13、+B 加 1 F=A+B 0 0 1 1 F=0 减 1 F=0 F=0 0 1 0 0 F=A 加 A B F=A 加 A B 加 1 F=AB 0 1 0 1 F=A B 加(A+B) F=A B 加(A+B) 加 1 F= B 0 1 1 0 F=A 减 B 减 1 F=A 减 B F=AB 0 1 1 1 F=A B 减 1 F=A B F=A B 1 0 0 0 F=A 加 AB F=A 加 AB 加 1 F=A+B 1 0 0 1 F=A 加 B F=A 加 B 加 1 F= AB 1 0 1 0 F=AB 加(A+B ) F=AB 加(A+B ) 加 1 F= B 1 0 1 1

14、 F=AB 减 1 F=AB F=AB 1 1 0 0 F=A 加 A F=A 加 A 加 1 F=1 1 1 0 1 F=A 加(A+B) F=A 加(A+B) 加 1 F=A+B 1 1 1 0 F=A 加(A+B ) F=A 加(A+B ) 加 1 F=A+B 1 1 1 1 F=A 减 1 F=A F=A 12 12 五实验内容五实验内容 实验原理 实验中所用的运算器数据通路如图 2.3 所示。 其中运算器由两片 74LS181 以并串形式 构成位字长的 ALU。运算器的输出经过一个三态门（74LS245）和数据总线相连，运算器 的两个数据输入端分别由二个锁存器（74LS273）锁存，

15、锁存器的输入连至数据总线，数据 开关(“INPUT DEVICE”)用来给出参与运算的数据，并经过一三态门（74LS245）和数据总 线相连，数据显示灯（“BUS UNIT”）已和数据总线相连，用来显示数据总线内容。 图 2.3 运算器数据通路 图 2.3 运算器数据通路 实验步骤 （） 按图 2.4 连接实验线路，仔细查线无误后，接通电源。 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，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”的相 应时序信号引出端，因此，在进行实验时，只需将“W/R 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，而 S3、S2、 S1、 S0 、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU-B、SW-B 各电平控制信号用“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，LDDR1、LDDR2为高电平有效。 13 13 图 2.4 实