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1、计算机组成原理实验指导书（北京交通大学海滨学院计算机科学系）编写教师：李济生 刘音 陈端君 田春子实验一、寄存器实验一、实验目的了解模型机中各种寄存器的结构、工作原理及其控制方法，掌握运算器中寄存器的数据传输方法和基本控制原理，为后续学习CPU中数据在各寄存器之间的传输做必要的知识储备。二、实验要求使用 CP226 实验平台，将要求的数据写入相关的寄存器，并能得到准确的实验结果。三、实验内容利用CP226实验平台上的K23-K16开关作为DBUS的数据，K7.K0中的某些开关作为控制信 号（控制方式见六），将K23-K16上的数据写入累加器A、工作寄存器W、数据寄存器组RO、R1、 R2、 R
2、3 中。其具体内容如下（本实验为脱机实验）：1. 将二位学生学号的最后2位以BCD码的方式分别写入累加器A和工作寄存器W中，并将实 验结果的局部贴图粘贴在实验报告上；2. 将二位学生学号的最后2位以BCD码的方式分别写入R0和R1、R2和R3工作寄存器中， 并将实验结果的局部贴图粘贴在实验报告上。说明：假设某学生的学号是10112025，则最后两位是25,它的BCD码是25H，此时开关K23-K16 提供的数据见表 1-1 所示。表1-1：学号后两位为25时，K23.K16的开关数据（开关拨到上方为1,拨到下方为0）开关名称K23K22K21K20K19K18K17K16开关信号值001001
3、01四、模型机概况CP226模型机中包括了一个标准CPU所具备所有部件，这些部件包括：运算器ALU、累加器 A、工作寄存器W、左移门L、直通门D、右移门R、寄存器组R0-R3、程序计数器PC、地址寄存 器MAR、堆栈寄存器ST、中断向量寄存器IA、输入端口 IN、输出端口寄存器OUT、程序存储器 EM、指令寄存器IR、微程序计数器uPC、微程序存储器uM,以及中断控制电路、跳转控制电路。 其中运算器和中断控制电路以及跳转控制电路用CPLD实现，其它电路都是由离散的数字电路组成。模型机为8 位机，数据总线、地址总线都为8位，但其工作原理与16位机相同。相比而言8 位机的实验减少了烦琐的连线，但其
4、原理却更容易被学生理解、吸收（模型机的结构见附件1）。五、实验电路1. 实验平台中累加器A和工作寄存器W的电路图 AEN CK74HC32 DBUS7 DBUS6 DBUS5 DBUS4 DBUS3 DBUS2 DBUS1:DBUS01D2D 3D 4D 5D 6D 7D 8D1Q2Q3Q4Q5Q 6Q 7Q8Q1918171615141312 A7? A4/ A3卫 AO累加器A的电路图 DBUS7 DBUS6 DBUS5 DBUS4 DBUS3 DBUS2 DBUS1CLKQQQQQQQQ1234567819W7W6W5W4W3W2WTWO图 1-2 工作寄存器 W 的电路图2. 工作寄存
5、器 R0-R3 的电路图 AHUATOIT3 UK? ng?f nraf nra图 1-3聲血idqrqjciclipki:謂 SSmcs:E8UM 工作寄存器 R0-R3 的电路图六、实验接线与控制信号设置1. 实验内容 1从图1-1和1-2可见，要使K23-K16上的数据写入到累加器A和工作寄存器W,必须要使DBUS 数据线与开关K23-K16相连，使AEN和WEN分别为低电平，并在CK信号产生上升沿（74HC574 是上升沿触发）。由于CK内部已连接到STEP按键上，所以要用STEP按键提供写入累加器A和工 作寄存器W的控制信号。写入寄存器A和W的实验连线如表1-2所示。表1-2：将学号
6、的最后2位写入累加器A和工作寄存器W的连线与电平设置表连接信号孔接入孔作用状态说明1J1座J3座将 K23-K16 接入 DBUS7:0实验模式：手动2AENK3选通A低电平有效3WENK4选通W低电平有效4CK已连ALU工作脉冲上升沿打入表1-2-1：写入累加器A的控制信号K4(WEN)K3(AEN)10表1-2-2：写入工作寄存器W的控制信号K4(WEN)K3(AEN)012. 实验内容 2按着对实验内容1的分析方法，写入寄存器R0.R3的实验连线如表1-3所示。表1-3：将学号的最后4位写入工作寄存器R0.R3的连线与电平设置表连接信号孔接入孔作用状态说明1J1座J3座将 K23-K16
7、 接入 DBUS7:0实验模式：手动2RRDK11寄存器组读使能高电平有效（不读）3RWRK10寄存器组写使能低电平有效4SBK1寄存器选择B5SAK0寄存器选择A6CK已连寄存器工作脉冲上升沿打入表1-3-1写入工作寄存器R0.R3的控制信号寄存器K1(SB)K0(SA)写入寄存器R000写入寄存器R101写入寄存器R210写入寄存器R311六、 实验步骤请按下述步骤操作： 关闭实验箱的电源，分别按实验连线表（表1-2或表1-3）连接线路； 将K23-K16开关置零（全部拨到下方），然后打开实验箱的电源，按RST钮，再按TV/ME 键三次（不要过快），即进入“Hand”手动状态； 按输入数据
8、要求改变波动开关K23.K16位置（表1-1），形成不同学生学号的BCD码； 分别按控制信号设置的要求（表1-2-1和表1-2-2或表1-3-1）改变控制值，然后按动STEP 按键，此时数据被写入相应的寄存器中。实验二、运算器实验一、实验目的 了解模型机中运算器的结构、工作原理及其控制方法，掌握运算器的数据源、算法选择和数据运算的控制方法，以便掌握运算器的算术运算和逻辑运算的功能。二、实验要求使用 CP226 实验平台中的运算器完成加、减、与、或、非等运算，并得到准确的实验结果。三、实验内容利用CP226实验平台上的K23-K16开关作为DBUS的数据，K7.K0中的某些开关作为控制信 号（控
9、制方式见五），将数据写累加器A和工作寄存器W,并用SO、S1、S2信号控制ALU的运算 算法，实现运算器的加、减、与、或、非等运算功能。其具体内容如下（本实验为脱机实验）：将二位学生学号的最后2位以BCD码的方式分别写入累加器A和工作寄存器W中，实现A+W、 A-W、A或W、A与W、A+W+C、A-W-C、A等运算，并将运算结果（选择直通门D）填写在表 2-1 中。表 2-1 实验结果表K5(Cy IN)K2(S2)K1(S1)K0(S0)结果（直通门D）注释X （任意）000加运算X001减运算X010或运算X011与运算0100带进位加运算1100带进位加运算0101带进位减运算1101带
10、进位减运算X110取反运算X111输出A说明：假设某个学生的学号是10128025,则最后两位是25,它的BCD码是25H，此时开关K23-K16提供的数据表2-2示。开关名称K23K22K21K20K19K18K17K16开关信号值00100101四、实验电路CP226中的运算器由一片CPLD实现，能完成8种运算，通过SO, SI, S2来选择，运算数据由寄存器A和寄存器W提供，运算结果输出到直通门D,运算器的基本电路如图2-1所示。图 2-1 运算器的电路图五、实验接线与控制信号设置实验连线要考虑下面两方面的内容：1. 要使K23-K16上的数据写入到累加器A和工作寄存器W,必须要使DBU
11、S数据线与开关 K23-K16相连，使AEN和WEN分别为低电平，并在CK信号产生上升沿。由于CK内部 已连接到STEP按键上，所以用STEP按键提供写入累加器A和工作寄存器W的控制信号。2. 要控制运算器完成指定的运算，就必须选择运算算法，运算器的算法控制由信号SO、S1、 S2产生，若再考虑到进位信号等，运算器的实验连线如表2-3所示。表 2-3：运算器实验的连线与电平设置表连接信号孔接入孔作用状态说明1J1座J3将 K23-K16 接入 DBUS7:0实验模式：手动2S0K0运算器功能选择3S1K1运算器功能选择4S2K2运算器功能选择5AENK3选通A低电平有效6WENK4选通W低电平
12、有效7Cy INK5运算器进位输入8CK已连ALU工作脉冲上升沿打入表 2-4：运算方法选择的控制信号S2S1S0功能0 0 0A+W加0 0 1A-W减0 1 0AIW或0 1 1A&W与1 0 0A+W+C带进位加1 0 1A-W-C带进位减1 1 0AA取反1 1 1A输出A六、实验步骤请按下述步骤操作：1. 关闭实验箱的电源，按实验连线表（表 2-3）连接线路；2. 将K23-K16开关置零（全部拨到下方），然后打开实验箱的电源，按RST钮，再按TV/ME 键三次（不要过快），即进入“Hand”手动状态；3. 按输入数据要求改变波动开关K23.K16位置（表2-2），形成不同学生学号的
13、BCD码；4. 按运算方法选择的控制信号的要求（表2-4）改变控制值，然后按动STEP按键，此时就得 到了某种运算的结果；5. 重复4的过程，直到表2-1的运算结果全部得到为止。实验三、运算器输出的移位门控制实验一、实验目的 了解模型机中运算器的结构、工作原理及其控制方法，掌握运算器中算术运算和逻辑运算的数据源、算法和输出控制的选择，以便掌握运算器运算结果的传送方法。二、实验要求使用 CP226 实验平台，利用运算器数据选通功能，将运算器的输出数据做直通、左移和右移操 作，或将累加器A的内容传送到工作寄存器W中，并能得到准确的实验结果。三、实验内容利用CP226实验平台上的K23-K16开关作为DBUS的数据，K7.K0中的某些开关作为控制信 号，首先将数据写入累加器A中，然后利用运算器的选通功能（S0=1、S1=1、S2=1）直接输出，观 测累加器A直通、左移和右移的输出结果；再将累加器A的内容传送到工作寄存器W中。其具体 内容如下（本实验为脱机实验）：1.
