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1、计算机原理实验指导书课 程 号：10022101适用专业：计算机制 定 人： 于秀丽教 研 室：计算机科学与技术教研室计算机科学与信息工程学院2007 年5 月前言计算机组成原理课程是网络工程专业，计算机科学与技术专业的重要专业课程之一。随着计算机技术的迅速发展和在当今信息社会中的广泛应用，给计算机组成课程的教学提出了新的更高的要求。由于计算机组成原理是一门实践性较强的技术，课堂教学应该与实践环节紧密结合。将计算机组成原理课程建设成市级一流的课程，是近期计算机组成原理课程努力的方向。目前，我们重新编写了实验指导书，调整了实验安排，加大了实践力度。希望同学们能够充分利用实验条件，认真完成实验，从
2、实验中得到应有的锻炼和培养。希望同学们在使用本实验指导书及进行实验的过程中，能够帮助我们不断地发现问题，并提出建议，使计算机组成原理成为具有省内一流水平的课程。实验要求计算机组成原理是计算机专业本科生核心硬件课程，必修。该课程重点是讲授简单、完整的计算机硬件系统的基本组成原理与内部运行机制，也是进一步学习计算机系统结构课程的基础。课程内容的工程性、技术性、实用性都比较强，因此，在传授计算机组成的原理性知识之外，还应有较多的设计与实验技能训练。通过模型机完成运算器、存储器、控制器和总线的实现和连接，使学生加深了解和更好的掌握计算机组成原理课程教学大纲要求的内容。在计算机组成原理的课程实验过程中，
3、要求学生做到：（1）预习实验指导书有关部分，认真做好实验内容的准备，就实验可能出现的情况提前作出思考和分析。（2）仔细观察上机操作时出现的各种现象，记录主要情况，作出必要说明和分析。（3）认真书写实验报告。实验报告包括实验目的和要求，实验情况及其分析。（4）遵守机房纪律，服从辅导教师指挥，爱护实验设备。（5）实验课程不迟到。如有事不能出席，所缺实验一般不补。实验的验收将分为两个部分。第一部分是上机操作，包括检查程序运行和即时提问。第二部分是提交书面的实验报告。希望同学们抓紧时间，合理安排，认真完成。目 录第一部分 计算机组成原理实验部分实验一 运算器实验1实验二 控制器实验10实验三 微控制器
4、实验13实验四 总线控制实验19第二部分 计算机组成原理设计实验部分应用一 复杂模型机的设计与实现21实验一 运算器组成实验（一） 算术逻辑运算实验 【实验目的】（1）掌握简单运算器的数据传送通路。（2）验证运算功能发生器（74LS181）的组合功能。【实验设备】TDN-CM+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。【实验原理】实验中所用的运算器数据通路如图1-1所示。其中运算器由两片74LS181以并/串行式构成8位字长的ALU。运算器的输出经过一个三态门（74LS 245）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（74LS373）锁存，锁存器的输入连至数据总线，图 1-1
5、运算器数据通路数据开关（“INPUT DEVICE”）用来给出参与运算的数据，并经过一三态门（74LS 245）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、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
6、，LDDR1、LDDR2为高电平有效。【实验步骤】（1）按图1-2连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。 图1-2 实验连线图（2）用二进制数码开关向DR1 和DR2寄存器置数。具体操作步骤图示如下：检验DR1和DR2中存的数是否正确，具体操作为：关闭数据输入三态门（SW-B=1），打开ALU输出三态门（ALU-B=0），置S3、S2、S1、S0、M为1 1 1 1 1 时，总线指示灯显示DR1中的数，而置成1 0 1 0 1时总线指示灯显示DR2中的数。（3）验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能（采用正逻辑）在给定DR1=65H、DR2=A7H的情况下，改变运算器的功能设置，观察运算器
7、的输出填入下表中，并和理论分析进行比较、验证。表1-1（二）进位控制实验 【实验目的】（1）掌握带进位控制的算术运算功能发生器的功能。（2）按指定数据完成几种指定的算术运算。【实验设备】TDN-CM+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。【实验原理】进位控制运算器的实验原理如图1-3所示，在实验（一）的基础上增加进位控制部分，其中181的进位进入一个74锁存器，其写入是由T4和AR信号控制，T4是脉冲信号，实验时将T4连至“STATE UNIT”的微动开关KK2上。AR是电平控制信号（低电平有效），可用于实现带进位控制实验，而T4脉冲是将本次运算的进位结果锁存到进位锁存器中。 图 1-3
8、进位控制实验原理图【实验步骤】（1）按图1-4连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。 图1-4 实验连线图（2）用二进制数码开关向DR1 和DR2寄存器置数。具体方法： 关闭ALU输出三态门（ALU-B=1），开启输入三态门（SW-B=0），设置开关。例如：向DR1存入01010101，向DR2存入10101010。具体操作步骤如下：（3）进位标志清零具体操作方法如下：实验板中“SWITCH UNIT”单元中的CLR开关为标志CY、ZI的清零开关，它为零时是清零状态，所以将此开关做101操作，即可使标志位清零。注： 进位标志指示灯CY亮时表示进位标志为“0”，无进位；标志指示灯CY灭时表示进位
9、为“1”，有进位。（3）验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能（采用正逻辑）在给定DR1=65H、DR2=A7H的情况下，将LDDR1和LDDR2信号清零（关闭DR1和DR2），然后改变运算器的功能设置，观察运算器的输出填入下表中，并和理论分析进行比较、验证。（4）验证带进位运算及进位锁存功能，使Cn=1，Ar=0来进行带进位算术运算。 例如：做加法运算，首先向DR1、DR2置数，然后使ALU-B=0，S3 S2 S1 S0 M状态为10010，此时数据总线上显示的数据为DR1加DR2当前进位标志，这个结果是否产生进位，则要按动微动开关KK2，若进位标志灯亮，表示无进位；反之，有进位。（三
10、）移位运算实验 【实验目的】（1）验证移位控制的组合功能。【实验设备】TDN-CM+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。【实验原理】移位运算实验原理如图1-5所示，使用了一片74LS299作为移位发生器，其输入/输出端以图1-5 移位运算实验原理图排针方式和总线单元连接。299-B信号控制其使能端，T4时序为其时序脉冲，实验时将“W/RUNIT”中的T4接至“STATE UNIT”中的KK2单脉冲发生器，由S0 S1 M控制信号控制其功能状态，其列表如下： 【实验步骤】（1）按图1-6连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。图 1-6 实验连线图（2）移位操作： A置数，具体步骤如下：B移
11、位，参照上表改变S0 S1 M 299-B的状态，按动微动开关KK2，观察移位结果。实验二 存储器实验 【实验目的】掌握静态随机存储器SRAM工作特性及数据的读写方法。【实验设备】TDN-CM+计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。【实验原理】实验所用的半导体静态存储器电路原理如图2-1所示，实验中的静态存储器一片6116（2K*8）构成，其数据线接至数据总线，地址线由地址锁存器（74LS273）给出，地址灯图2-1 存储器实验原理图AD0-AD7与地址线相连，显示地址线内容，数据开关经一三态门（74LS245）连至数据总线，分时给出地址和数据。因地址寄存器为8位，接入6116的地址A7-
12、A0，而高三位A8-A10接地，所以其实际容量为256字节。6116有三个控制线：CE（片选线）、OE（读线）、WE（写线）。当片选有效（OE=0）时，OE=0时进行读操作，WE=0时进行写操作。本实验中将OE常接地，在此情况下，当CE=0、WE=0时进行读操作，CE=0、WE=1时进行写操作，其写时间与T3脉冲宽度一致。实验时将T3脉冲接至实验板上时序电路模块的TS3相应插孔中，其脉冲宽度可调，其它电平控制信号由“SWITCH UNIT”单元的二进制开关模拟，其中SW-B为低电平有效，LDAR为高电平有效。【实验步骤】（1） 按图2-2连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。由于存储器模块内部
13、的连线已经接好，因此只需完成实验电路的形成、控制信号模拟开关、时钟脉冲信号T3与存储模块的外部连接。图2-2 实验连线图（2）给存储器的00、01、02、03、04地址单元中分别写入数据11、12、13、14、15，具体操作步骤如下：（以向0号单元写入11为例）（3）一次读出第00、01、02、03、04号单元中的内容，观察上述各单元中的内容是否与前面写入的一致，具体操作步骤如下：（以从0号单元读出11数据为例）实验三 微控制器实验 【实验目的】（1）掌握时序产生器的组成原理。（2）掌握微程序控制器的组成原理。 （3）掌握微程序的编写、写入，观察微程序的运行。【实验设备】TDN-CM+计算机组成原理教学实验系统一台。【实验原理】微程序控制器的组成见图3-1，其中控制存储器采用3片2816的EEPROM，具有掉电保护功能，微命令寄存器18位，用两片8D触发器（273）和一片4D（）175）触发器组成。微地址寄存器6位，用三片正沿触发的双D触发器（74）组成，它们带有清零端和预置端。 在该实验电路中设有一个编程开关（位于实验板右上方），它具有三种状态：PROM（编程）、READ（校验）、RUN（运行）。当处于“编程状态”时，学生可根据微地址和微指令格式将微指令二进制代码写入
