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1、计算机组成原理实验教程()0作者: 日期:计算机组成原理实验教程山西大学计算机与信息技术学院20 15年8月实验系统硬件布局图CPLD单元电源时序与操作台单元扩展单元逻辑测量SYS单元CPU系统总线主存及外设MC单元IR单元控制总线单元8259单元8253单元数据总线CPU内总线扩展总线OUT单元ALU® 单兀地址总线PC&AR 单元8237单元C0N单元IN单元实验注意事项1、根据实验要求接线。由于实验箱中配备的排线只有2厂I、4口、6 口和8 口四利当需要用 1 口、3 口线时，可用2 口、4 口替代，但要注意连线两端的颜色一定要对应。2、接好线路并检查无误后，再打开实验箱的电源。3
2、、插线、拔线前一定要关闭电源，不耍带电操作。4、电源关闭后，不能立即重启，至少间隔30秒。5、使用前后仔细检查主机板，防止导线、元件等物品落入导致线路短路、元件损坏。6、实验分组第一次确定后，即固定不变。7、实验结束后收好线，关闭电源，清理桌面，将椅子摆放整齐。实验一基本运算器实验1.1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。1. 2实验设备PC机一台,TD-CMA实验系统一套。1 . 3实验原理本实验的原理如图1-1所示。运算器内部含有三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移 位运算部件，要处理的数据存于暂存器A和暂存器B三个部件同时接受来自A和B的数据各部 件对操
3、作数进行何种运算由控制信号S3.SO和CN来决定，任何时候，多路选择开关只选择三部 件中一个部件的结果作为ALU的输出。如果是影响进位的运算，还将置进位标志FC,在运算 结果输出前，置A LU零标志。ALU中所有模块集成在一片CPLD中。图1-1运算器原理图运算器部件由一片CPLD实现。ALU的输入和输出通过三态门74LS2 4 5 连到CPU 内总线上，另外还有指示灯标明进位标志FC和零标志FZo请注意:实验箱上凡丝印标注有马蹄形 标 记巳；表示这两根排针之间是连通的。图中除T4和CLR,其余信号均来自干ALU单元的 排线座，实验箱中所有单元的T 1、T2、T3、T4都连接至控制总线单元的T
4、 1、T2、T3、T4,CLR 都连接至CON单元的CLR按钮。T4由时序单元的TS4提供，其余控制信号均由CO N单元的 二进制数据开关模拟给出。控制信号中除T4为脉冲信号外，其余均为电平信号，其中ALU_B为 低有效，其余为高有效。暂存器A和暂存器B的数据能在LED灯上实时显示，原理如图1-2所示(以A0为例，其 它相同L进位标志FC、零标志FZ和数据总线D7.D0的显示原理也是如此。图1-2 A0显示原理图ALU和外围电路的连接如图1一3所示,图中的小方框代表排针座。运算器的逻辑功能表如表1-1所示，其中S3 S2 S 1 SOCN为控制信号,FC为进位标志，FZ 为运算器零标志，表中功
5、能栏内的FC、FZ表示当前运算矣影响到该标志。OIT?.OIT图1-3 ALU和外围电路连接原理图表运算器逻辑功能表（表中“X”为任意态，下同）运算类型S3 S2S1 SOCN功逻辑运算000XF=A（直通）0 0XF=B值通）0010XF=AB(FZ)00 1XF=A+B。(FZ)0 10XF=AFZ)移位运算0101XF=A不带进位循环右移B（取低3位）位o （FZ）0 1100F=A逻辑右移一位（FZ）1F=A带进位循环右移一位。（FC,FZ）01110F=A逻辑左移一位（FZ）1F = A带进位循环左移一位（FC, FZ）算术运算I 00X FC=CN。(FC)1001XF=A 加 B
6、(FC, FZ)1010XF=A 加 B 加 F6(FC, FZ)1011XF=A 减 Bo (FC,FZ)1 1XF=A 减 b (FC, FZ)110XF = A 加 1、(FC,FZ)1110X（保留）111X（保田）1.4实验步骤（1）按图1一4连接实验电路，并检查无误。图中将用户需要连接的信号用圆圈标明（其它实验相同)图1-4实验接线图(2) 将时序与操作台单元的开关KK2置为单拍档，开关KK1、KK3置为运行档。(3) 打开电源开关，如果听到有嘀报警声，说明有总线竞争现象，应立即关闭电源，重 新检查接线，直到错误排除。然后按动CON单元的C LR按钮，将运算器的A、B和FC、FZ
7、清零。(4) 用输入开关向暂存器A直数。 拨动CON单元的SD27.SD2 0数据开关，形成用户指定的二进制数，数据显示壳 为T ；灭为0： 直LDA=1, LDB=0,连续按动时序单元的ST按钮，产生一个T4上升沿，则将二进制 数直入暂存器A中,暂存器A的值通过A LU单元的A7.A0八位LED灯显示。(5) 用输入开关向暂存器B直数。 拨动CON单元的SD 2 7.SD2 0数据开关，形成另外一个二进制数。 直LDA=0, LDB=1 ,连续按动时序单元的ST按钮，产生一个T4上升沿，则将二进 制数直入暂存器B中,暂存器B的值通过ALU单元的B7B0八位LED灯显示。(6 ) 改变运算器的
8、功能设置，观察运算器的输出。直ALU_B= 0、LDA=0、LDB=0然后按表 1-1直S3、S 2、SI、SO和Cn的数值，并观寮数据总线LED显示灯显示的结果。如直S3、 S2、S1、SO为0010,运算器作逻辑与运算，置S3、S2、S 1、S0为1 001,运算器作加法运算。如果实验箱和PC联机操作则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果方法是：打开软件， 选择朕机软件的惬验】一【运算器实验】打开运算器实验的数据通路图，如图1-5所示。进行上 面的手动操作，每按动一次ST按钮，数据通路图矣有数据的流动，反映当前运算器所做的操作，或 在软件中选择【调试】一【单节拍旗作用相当干将时序单元的状
9、态开关KK2置为单拍档后按 动了一次ST按钮，数据通路图也矣反映当前运算器所做的操作。重負上述操作，并完成表1-2。然后改变A、B的值，验证FC、FZ的锁存功能。图1-5数据通路表2 运算结果表ABIE算类型S 3 S2 S1CN结果0000XF=()逻辑运算0001XF=()F0010XF=()FC=0011XF=()FC =0100XF=()0101XF=()FC=000F=(nr ()、P 7移位运算111F=()F C0F=()17 70111IF=()F C =1000XF=()1001XF=()FC =算术运算1010( FXF=()F101(XF=()FC=1011XF=()FC
10、=1100XF=()FC1101XF=()实验二静态随机存储器实验2.1实验目的掌握静态随机存储器RAM工作特性及数据的读写方法。PC机一台，TD-CMA实验系统一套。2.3实验原理验 所 用 的 静 态 存 储 器 由Vcc AS A9 WE OE A10 CS 10? 105105 L OI1O3RAM(6116)A7 A6 A5 A4 A3 A2 Al AO LOO 101L02CW图 2-1 SRAM6116引脚图由干存储器终是挂接到CPU ,所以其还需要一个读写控制逻辑，使得CPU能表2-1 SRAM6 1 16功能表不选择读写0XX0100至制MEM的读写实验中的读写控制逻辑如图2
11、-2所示，由干T3的参与，可以保证MEM的写 鄆宽与T 3 致，T3由时序单元的TS3给出。IOM用来选择是对I / 0还是对MEM进行读写操 作，RD=1时为读,WR=1时为写。6116 2 KX8 b位 于实验原理图如图2-3所示,存储器数据线接至数据总线，数据总线上接有8个LED灯显示 mD7.D0的内容。地址线接至地址总线，地址总线上接有8个LED灯显示A7.A0的内容, E地址由地址锁存器（74 LS273,位于PC&AR单元）给出。数据开关（位干1 N单元）经一个 M三态门(74LS24 5 )连至数据总线，分时给出地址和数据。地址寄存器为8位，接入6 116的地址A7.A0,61
12、 1 6的商三位地址AIO.AS接地，所以其实际容量为25 6字节。图2-3 存储器实验原理图实验箱中所有单元的时序都连接至时序与操作台单元，CLR都连接至CON单元的CL R 按 钮。实验时T3由时序单元给出，其余信号由CON单元的二进制开关模拟给出，其中 I OM应为低(即MEM 操作)RD、WR高有效,MR和MW 低有效,LDAR商有效。2. 4实验步骤(1)关闭实验系统电源，按图2斗连接实验电路，并检查无误，图中将用户需要连接的信 号用圆圈标明。(wi wnR RD ICMDT .WIWAH山兀LtiARD7.DCI.IVW图2-4 实验接线图(2) 将时序与操作台单元的开关KK1、K
13、 K3直为运行档、开关KK 2置为单步, 档。(3) 将CON 单元的IOR开关直为1 (使IN 单元无输出1打开电源开关，如果听到有 嘀报警声，说明有总线竞争现象，应立即关闭电源，重新检查接线，直到错误排除。（4）给存储器的OOH、0111. 0 2H. 0311、04H地址单元中分别写入数据11II、12H、 13H、14H、15H。由前面的存储器实验原理图23可以看出，由干数据和地址由同一个数据开 关给出，因此数据和地址要分时写入，先写地址，具体操作步骤为：先关掉存储器的读写 （W(KF: =C 、 帥-C 11 c IQK = C1.MR = 113 JI /RRD0)，图2-5 写存储器流程图数（5）依次读出第00、01、02、0 3、04号单元中的内容,观察上述各单元中的内容是否与前 鑛入的一致。同写操作类似，也要先给出地址，然后进行读，地址的给出和前面一样，而在进行 廊作时，应先关闭IN 单元的输出（IOR = 11然后使存储器处干读状态（WR=0,RD=l ,IOM=0） 嘶数据总线上的数即为从存储器当前地址中读出的数据内容。读存储器的流程如图26所示（以 瀚00地址单元读出11H为
