中南大学信息科学与工程学院计算机组成原理虚拟实验指导书

计算机组成原理实验指导书(虚拟实验系统)中南大学计算机软件系虚拟实验室2013年12月实验1 1位全加器实验目的⏹掌握全加器的原理及其设计方法。

⏹熟悉组成原理虚拟教学平台的使用。

实验设备与非门（3片）、异或门（2片）、开关若干、指示灯若干实验原理1位二进制加法器单元有三个输入量：两个二进制数Ai，Bi和低位传来的进位信号Ci，两个输出量：本位和输出Si以及向高位的进位输出C(i+1)，这种考虑了全部三个输入量的加法单元称为全加器。

来实验要求利用基本门搭建一个全加器，并完成全加器真值表。

实验步骤各门电路芯片引脚显示于组件信息栏。

1. 测从组件信息栏中添加所需组件到实验流程面板中，按照图1.1所示搭建实验。

图1.1 组合逻辑电路实验流程图2. 打开电源开关，按表1设置开关的值，完成表1-1。

表1-1实验2 算术逻辑运算实验实验目的⏹了解运算器的组成结构⏹掌握运算器的工作原理⏹掌握简单运算器的组成以及数据传送通路⏹验证运算功能发生器（74LS181）的组合功能实验设备74LS181（2片）,74LS273(2片), 74LS245(2片),开关若干,灯泡若干,单脉冲一片实验原理实验中所用的运算器数据通路图如图2.1所示，实验中的运算器由两片74LS181以并/串形式构成8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两个锁存器（74LS373）锁存，锁存器的输入连至数据总线，数据开关用来给出参与运算的数据(A和B)，并经过一个三态门（74LS245）和数据显示灯相连，显示结果。

⏹74LS181：完成加法运算⏹74LS273：输入端接数据开关，输出端181。

在收到上升沿的时钟信号前181和其输出数据线之间是隔断的。

在收到上升沿信号后，其将输出端的数据将传到181，同时，作为触发器，其也将输入的数据进行保存。

因此，通过增加该芯片，可以通过顺序输入时钟信号，将不同寄存器中的数据通过同一组输出数据线传输到181芯片的不同引脚之中⏹74LS245：相当于181的输出和数据显示灯泡组件之间的一个开关，在开始实验后将其打开，可以使181的运算结果输出并显示到灯泡上图2.1 运算器通路图实验步骤1. 选择实验设备：根据实验原理图，将所需要的组件从组件列表中拖到实验设计流程栏中。

目录实验一系统认识实验 (2)实验二算术逻辑运算实验 (9)实验三进位控制实验 (12)实验四移位运算实验 (14)实验五静态随机存储器实验 (16)实验六总线控制器实验19实验七微程序控制器实验 (21)实验一系统认识实验一、实验目的1 ．搭建并操作一个最基本的模型计算机。

2 ．建立对计算机组成及其原理的基本认识。

二、实验设备1．TDN-CM+或TDN-CM++教学实验系统一套。

2 ．PC 微机一台。

三、实验原理1．一台简单模型计算机的结构为了更好地理解计算机的各组成部件是如何相互配合进行工作的，我们将设计一个最基本的模型计算机。

根据前面小节的知识，我们将算术逻辑运算器、控制器、寄存器、内部总线等部件搭接起来构成一个CPU，然后再加上存储器、输入设备、输出设备即构成一台完整的模型计算机。

其逻辑框图见图 1.4-1。

其中ALU 为运算器、DR1、DR2 为工作暂存器、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。

2 ．模型计算机的程序本系统设计了四条指令，构成了此模型计算机的指令系统，即：应用该指令系统可以编写一段反映计算机操作的指令序列，它们就构成了所谓的计算机程序，并将其以二进制存放在主存储器的连续的单元中。

计算机通过连续运行该段程序，就可以解决各种复杂的计算或是控制问题。

3 ．微程序Microprogram为实现以上计算机程序的操作，控制器对应于每一条机器指令都需要进行一系列的微操作来完成该机器指令的操作。

一个微操作则对应一条微指令。

如果控制器采用最普遍使用的微程序控制器，则一条机器指令的操作就需要一系列微指令来完成。

它们构成计算机的微程序并且是以二进制数的形式存放在控制存储器的存储单元中。

与以上机器指令对应的微操作内容如表1.4-1 所示。

计算机组成原理虚拟实验室及实现汇报人：2023-12-20•引言•计算机组成原理基础知识•虚拟实验室设计与实现技术目录•计算机组成原理虚拟实验设计与实践案例分析01引言目的和背景目的通过虚拟实验室的方式，让学生更好地理解和掌握计算机组成原理的相关知识，提高实验和实践能力。

背景随着计算机技术的不断发展，计算机组成原理作为计算机科学的基础课程，对于培养计算机专业人才具有重要意义。

然而，传统的实验方式往往受到实验设备、场地等限制，无法满足所有学生的需求。

因此，虚拟实验室成为了一种有效的解决方案。

定义虚拟实验室是一种基于计算机技术和网络技术的实验环境，可以模拟真实的实验设备和实验过程，为学生提供一种身临其境的实验体验。

2. 灵活性虚拟实验室不受时间和地点的限制，学生可以在任何时间、任何地点进行实验操作。

特点虚拟实验室具有以下特点3. 安全性虚拟实验室可以避免传统实验中可能出现的危险和错误，保障学生的安全。

1. 高度仿真虚拟实验室可以模拟真实的实验设备和实验环境，让学生感受到真实的实验体验。

4. 互动性虚拟实验室可以提供多人同时在线的实验环境，学生之间可以进行互动和协作，提高实验效率。

虚拟实验室概述02计算机组成原理基础知识运算器控制器存储器输入输出设备01020304负责算术和逻辑运算，是计算机的核心部件。

负责控制和协调计算机各个部件的工作。

用于存储数据和程序，包括内存和外存。

如键盘、鼠标、显示器等，用于与计算机进行交互。

包括操作系统、编译器、数据库管理系统等，用于管理和控制计算机硬件资源。

系统软件如办公软件、图像处理软件等，为用户提供特定的功能和工具。

应用软件计算机的基本工作原理，包括存储程序和程序控制两个方面。

计算机内部采用二进制数制进行运算和存储，包括二进制数的表示、运算规则等。

计算机工作原理二进制数制冯·诺依曼原理03虚拟实验室设计与实现技术虚拟实验室设计原则与目标以实际计算机组成结构为基础，遵循教学实验需求，确保实验环境的真实性和可操作性。

中南大学信息科学与工程学院微机原理与接口技术实验报告学生学院信息科学与工程学院专业班级学号学生姓名____指导教师目录第一部分软件实验 (4)DEBUG 的使用 (4)第二部分硬件实验 (8)实验一使用ADC0809的A/D转换实验 (10)实验二使用DAC0832的D/A转换实验(一) ................................. 错误！未定义书签。

实验三使用DAC0832的D/A转换实验(二) ................................. 错误！未定义书签。

第三部分实验总结. (13)第一部分软件实验DEBUG 的命令及其操作一、实验目的1．熟练掌握debug的常用命令，学会用debug来调试程序。

2．深入了解数据在存储器中的存取方法及堆栈中数据的压入与弹出。

3．掌握各种寻址方法以及简单指令的执行过程。

二、实验内容1.进入和退出DEBUG程序2.本实验只要求在DEBUG调试状态下进行，包括汇编程序，调试程序，执行程序3.掌握一些DEBUG的基本操作三、实验环境Windows系统下从进入命令行窗口。

四、实验的基本原理a 汇编d显示内存单元内容e修改单元内存内容g执行命令t单步（或多步）调试n指定文件路径文件名（含扩展名）u反汇编r查看寄存器值及修改l加载程序w写盘命令五、实验步骤1.用DEBUG调试简单程序例1 －A CS：0106MOV AX,1234MOV BX,2345MOV CX,0ADD AX,BXMOV CX,AXINT 20运行程序（注：执行程序时IP应指向要执行的指令，需要修改时－RIP当前值输入需要值该处为0106当然也可以在T或G命令中指出程序起始地址）－R 显示各寄存器当前内容及首条指令－T3 跟踪执行三条赋值传送指令，观察寄存器及标志位变化－T2跟踪执行相加及送和数指令，观察寄存器及标志位变化－G 执行软件中断指令INT 20，机器将显示“程序正常终止”的信息，并显示“－”，表明仍处在DEBUG的调试控制状态下，注意未用T命令，因为我们不想进入到20H中断处理程序中去，P命令也可实现相同操作实验现象记录：观察每条指令执行后各相关寄存器值及标志位状态2.在windows系统下按WIN+R键，在弹出窗口下输入cmd，进入命令行窗口，然后再窗口下输入debug，进入debug程序。

计算机组成原理实验指导书一、实验目的。

本实验旨在通过实际操作，加深学生对计算机组成原理的理解，掌握计算机硬件的基本组成和工作原理，提高学生的动手能力和实际操作能力。

二、实验器材。

1. 计算机主机。

2. 显示器。

3. 键盘。

4. 鼠标。

5. 逻辑分析仪。

6. 示波器。

7. 电源。

8. 万用表。

9. 逻辑门集成电路。

10. 接线板。

11. 连接线。

三、实验内容。

1. 计算机硬件基本组成的实验。

通过拆卸计算机主机，了解各个硬件组件的作用和连接方式，包括主板、CPU、内存、硬盘、显卡、电源等。

并通过重新组装，加深对计算机硬件组成的理解。

2. 逻辑门电路实验。

使用逻辑门集成电路和连接线搭建基本的逻辑门电路，包括与门、或门、非门等，并通过逻辑分析仪观察输入输出的关系，加深对逻辑门原理的理解。

3. 示波器使用实验。

学习示波器的基本使用方法，观察不同信号的波形，了解数字信号和模拟信号的特点，加深对计算机输入输出原理的理解。

4. 电源电压测量实验。

使用万用表测量计算机主板各个电源接口的电压值，了解各个电源接口的作用和电压标准，加深对计算机电源原理的理解。

四、实验步骤。

1. 计算机硬件基本组成的实验步骤。

（1）拆卸计算机主机，观察各个硬件组件的位置和连接方式。

（2）了解各个硬件组件的作用和特点。

（3）重新组装计算机主机，检查各个硬件组件的连接是否正确。

2. 逻辑门电路实验步骤。

（1）根据实验指导书搭建与门、或门、非门电路。

（2）使用逻辑分析仪观察输入输出的关系，记录实验数据。

3. 示波器使用实验步骤。

（1）学习示波器的基本使用方法。

（2）使用示波器观察不同信号的波形，记录实验数据。

4. 电源电压测量实验步骤。

（1）使用万用表测量各个电源接口的电压值。

（2）比较测量结果与电压标准的差异，记录实验数据。

五、实验注意事项。

1. 在拆卸和重新组装计算机主机时，注意防止静电干扰，避免损坏硬件组件。

2. 在搭建逻辑门电路时，注意连接线的接触是否良好，避免信号传输不畅。

《计算机组成原理》实验指导书目录第一部分EL-JY-II计算机组成原理实验系统简介 (1)第二部分使用说明及要求 (5)实验一运算器实验 (12)实验二移位运算实验 (24)实验三存储器实验和数据通路实验 (29)实验四微程序控制器的组成与实现实验 (36)实验五微程序设计实验 (45)实验六、简单实验计算机组成与程序运行实验 (53)实验七、带移位运算实验计算机组成与程序运行实验 (65)实验八、复杂实验计算机组成与程序运行实验 (77)实验九、实验计算机的I/O实验 (93)实验十、总线控制实验(选做) (103)实验十一、可重构原理计算机组成实验(选做) (105)实验十二、简单中断处理实验(选做) (110)实验十三、基于重叠和流水线技术的CPU结构实验(选做) (116)实验十四、RISC模型机实验(选做) (122)第一部分EL-JY-Ⅱ计算机组成原理实验系统简介EL-JY-Ⅱ型计算机组成原理实验系统是为计算机组成原理课的教学实验而研制的，涵盖了目前流行教材的主要内容，能完成主要的基本部件实验和整机实验，可供大学本科、专科、成人高校以及各类中等专业学校学习《计算机组成原理》、《微机原理》和《计算机组成和结构》等课程提供基本的实验条件，同时也可供计算机其它课程的教学和培训使用。

一、基本特点：1、本系统采用了新颖开放的电路结构：（1）、在系统的总体构造形式上，采用“基板+ CPU板”的形式，将系统的公共部分，如数据的输入、输出、显示单片机控制及与PC机通讯等电路放置在基板上，它兼容8位机和16位机，将微程序控制器、运算器、各种寄存器、译码器等电路放在CPU板上，而CPU板分为两种：8位和16位，它们都与基板兼容，同一套系统通过更换不同的CPU板即可完成8位机或16位机的实验，用户可根据需要分别选用8位的CPU 板来构成8位计算机实验系统或选用16位的CPU板来构成16位计算机实验系统；也可同时选用8位和16位的CPU板，这样就可用比一套略多的费用而拥有两套计算机实验系统，且使用时仅需更换CPU板，而不需做任何其它的变动或连接，使用十分方便。

计算机网络实验报告学院：信息科学与工程学院专业班级：信息安全1302班指导老师：学号：姓名：目录实验一分槽ALOHA协议仿真实验 (3)一、实验目的与要求 (3)二、实验内容与实现原理 (3)三、编程语言和实验环境 (3)四、实验具体设计实现及结果 (4)五、实验总结 (6)实验二Socket通信实验 (7)一、实验目的和要求 (7)二、实验内容与实现原理 (7)三、编程语言和实验环境 (8)四、实验具体设计实现及结果 (8)五、实验总结 (15)实验一分槽ALOHA协议仿真实验一、实验目的与要求1.掌握VB、VC++、VS或JAVA等集成开发环境编写仿真程序的方法；2.理解并掌握分槽ALOHA协议原理。

二、实验内容与实现原理1.实验内容：编写仿真程序，对一定网络环境下MAC层的多路访问协议的分槽ALOHA协议进行实现。

通过仿真，学习协议采取的介质访问管理，包括介质分配和冲突解决机制，并对协议的性能与理论结果进行比较分析。

2.实现原理设置各站点初始产生包的时间点及产生包的时间间隔（均为随机值），得到所有站点成功发送1000个数据包的总时间以及这段时间内所有数据包的个数（包括各站点每次新产生的包以及由于冲突而重发的包），从而计算出每包时内尝试次数及其对应的吞吐量。

针对不同的包产生间隔，得到不同的每包时内尝试次数及其对应的吞吐量，将其画成一条曲线。

三、编程语言和实验环境1.编程语言Matlab2.编程环境Windows（MS Visual系列，VC/VB/；）四、实验具体设计实现及结果（含流程图及关键代码说明）1.实验代码for m=2:1:500 %m表示标签数,m=2,3 (500)n=1000; %aloha算法,m表示m个标签，n表示重发次数A=rand(m,n); %生成一个0-1分布的矩阵，A表示m行n列的矩阵，元素为0-1之间的随机数A1=0.5*A; %生成一个0-0.5分布的矩阵，假设随机退避时间服从0-0.5分布B=cumsum(A1,2); %矩阵B是对A1每列相加得到的，每列的累加和，表示随机发送的时间T=B(1,n); %T为标签均发送时间，即为观察时间，把矩阵B的第一行的最后一个元素赋给TC=1:1:(m*n); %生成一个向量for i=1:m %将矩阵B转化为向量，赋值到向量Cfor j=1:nC(1,(i-1)*n+j)=B(i,j);endendD=sort(C); %将向量按从小到大的顺序排序，用于计算两数据包之间的时间差E=diff(D); %向量的微分，求两数据包之间的时间差，用于判断是否产生碰撞T0=0.001; %每个数据包的宽度N=0; %初始化N（发送成功的数据包）M=0; %初始化M，总共的数据包for i=1:(m*n-1) %此循环用于计算M与Nif D(1,i)<=T %只要小于观察时间T就加1M=M+1;if i==1&E(1,1)>=T0 %对于时间轴上的第1个和第m*n个数据包只需判断一个时间差，其他需要判断两个N=N+1;elseif i==(m*n-1)&E(1,(m*n-1))>=T0N=N+1;elseif i~=1&i~=(m*n-1)&E(1,i)>=T0&E(1,i-1)>=T0N=N+1;endelse continueendendG=T0/T*M; %仿真得到的平均交换的数据包量，由于这里假设所有数据包的宽度相同且都为T0， T为观察时间S=T0/T*N; %仿真得到的吞吐量Q=S/G; %发送成功率F=m/500; %归一化标签数，便于观察随标签数的变化其他量的变化情况plot(G,S,'r.',G,Q,'ko',G,F,'g*'); %绘出G与S,Q,F的图像hold on; %保留在同一张图上endxlabel('平均交换的数据包量G'); %添加X轴的标题title('aloha算法仿真'); %添加标题legend('吞吐量S','发送成功率Q','归一化标签数F'); %添加注释grid on; %添加网格2.实验结果五、实验总结这次网络实验选择了分槽ALOHA协议仿真实验，做的过程中开始还是有很多很多不明白的地方，不过在向同学请教以及查阅相关资料后还是成功解决了这些不明白的问题。

第二章分部实验为掌握计算机的基本组成和工作原理，并为课程设计做准备，本章安排了四个分部实验，这些实验均在COP2000计算机组成原理实验仪上进行。

§2.1 分部实验1本实验包括寄存器的验证实验及运算器的验证、设计实验。

2.1.1 寄存器实验寄存器是一种重要的数字电路部件, 常用来暂时存放数据、指令等。

一个触发器可以存储一位二进制代码，存放N位二进制代码，用N个触发器即可。

因为我们的模型机是8位的，因此在本模型机中大部分寄存器是8位的，标志位寄存器(Cy, Z)是二位的。

在COP2000实验仪中，寄存器由74HC574构成，它可以存放8位二进制代码，其中的一位二进制代码是由一个D触发器来存储的。

首先，我们先介绍一下74HC574的工作原理。

图2-1是74HC574的原理图。

图2-1 74HC574原理图我们可以看到，在CLK的上升沿，输入端的数据被打入到8个触发器中。

当OC = 1 时，触发器的输出被关闭，当OC=0时，触发器输出数据。

表2-1列出了74HC574的使用方法。

表2-1 74HC574使用方法图2-2为74HC574的工作波形图。

图2-2 74HC574工作波形图一、实验一：A，W寄存器实验1、实验器材COP2000计算机组成原理实验仪、万用表。

2、实验目的（1）了解并掌握74HC574的工作原理及使用方法。

（2）掌握寄存器A，W的工作原理。

3、实验要求分别验证A，W寄存器的功能。

4、实验原理A，W寄存器是作用于ALU输入端的两个寄存器，两个参与运算的数分别来自A或W。

图2-3、图2-4分别为寄存器A，W的原理图。

图2-3 寄存器A原理图图2-4 寄存器W原理图A，W寄存器的写工作波形如图2-5所示。

图2-5 寄存器A，W写工作波形图其中，AEN、WEN分别为A选通和B选通。

5、实验步骤与内容（1）按照表2-2连线表2-2 A，W寄存器实验连线表（2）将数据55H写入A寄存器首先将二进制开关K23-K16用于数据总线DBUS[7：0]的数据输入，置数据55H。

计算机组成原理实验指导书一、实验目的。

本实验旨在帮助学生深入理解计算机组成原理的相关知识，通过实际操作加深对计算机内部结构和工作原理的理解，提高学生的实际动手能力和解决问题的能力。

二、实验器材。

1. 计算机主板。

2. CPU。

3. 内存条。

4. 硬盘。

5. 显卡。

6. 电源。

7. 鼠标、键盘、显示器。

8. 实验用电路板。

9. 逻辑分析仪。

10. 示波器。

三、实验内容。

1. 计算机主板组装实验。

在本实验中，学生将学会如何正确组装计算机主板，包括CPU、内存条、硬盘、显卡、电源等组件的安装和连接。

通过这一步骤，学生可以深入了解计算机各个组成部分的功能和作用。

2. 逻辑分析仪应用实验。

逻辑分析仪是一种用于测量和分析数字信号的仪器，本实验将教会学生如何正确使用逻辑分析仪来观察和分析计算机内部的数字信号，从而更好地理解计算机的工作原理。

3. 示波器应用实验。

示波器是一种用于观察和分析电子信号的仪器，本实验将教会学生如何正确使用示波器来观察和分析计算机内部的电子信号，从而更好地理解计算机的工作原理。

四、实验步骤。

1. 将计算机主板放置在工作台上，依次安装CPU、内存条、硬盘、显卡和电源，并连接鼠标、键盘、显示器等外部设备。

2. 使用逻辑分析仪对计算机内部的数据总线、地址总线、控制总线等进行观察和分析，了解各个总线的作用和相互关系。

3. 使用示波器对计算机内部的时钟信号、控制信号等进行观察和分析，了解各个信号的波形特点和工作原理。

五、实验注意事项。

1. 在组装计算机主板时，注意防静电，避免对电子元件造成损坏。

2. 在使用逻辑分析仪和示波器时，注意正确连接和操作，避免对仪器造成损坏。

3. 在实验过程中，学生应严格遵守实验室规章制度，确保实验安全。

六、实验总结。

通过本实验，学生可以更直观地了解计算机内部各个组件的工作原理和相互关系，提高对计算机组成原理的理解和掌握。

同时，通过实际操作，学生还可以提高实际动手能力和解决问题的能力，为今后的学习和工作打下良好的基础。

计算机体系结构课程设计学院：信息科学与工程学院专业班级：指导老师：学号：姓名：.目录实验1 对指令操作码进行霍夫曼编码 (3)一、实验目的 (3)二、实验内容 (3)三、设计思路 (4)四、关键代码 (4)五、实验截图 (5)六、源代码 (5)实验2 使用LRU 方法更新Cache (8)一、实验目的 (8)二、实验内容 (8)三、设计思路 (9)四、程序截图 (9)五、实验代码 (9)实验总结 (16)参考文献 (16).实验1 对指令操作码进行霍夫曼编码一、实验目的了解和掌握指令编码的基本要求和基本原理二、实验内容1. 使用编程工具编写一个程序，对一组指令进行霍夫曼编码，并输出最后的编码结果以及对指令码的长度进行评价。

与扩展操作码和等长编码进行比较。

2. 问题描述以及问题分析举例说明此问题，例如：P1 P2 P3 P4 P5 P6 P70.45 0.30 0.15 0.05 0.03 0.01 0.01下表所示：对此组指令进行 HUFFMAN 编码正如下图所示：最后得到的HUFFMAN 编码如下表所示：最短编码长度为：H=0.45*1+0.30*2+0.15*3+0.05*4+0.03*5+0.01*6+0.01*6=-1.95.要对指令的操作码进行 HUFFMAN 编码，只要根据指令的各类操作码的出现概率构造HUFFMAN 树再进行 HUFFAM 编码。

此过程的难点构造 HUFFMAN 树，进行 HUFFAM 编码只要对你所生成的 HUFFMAN 树进行中序遍历即可完成编码工作。

三、设计思路观察上图，不难看出构造 HUFFMAN 树所要做的工作：1、先对各指令操作码的出现概率进行排序，构造一个有序链表。

2、再取出两个最小的概率节点相加，生成一个生的节点加入到链表中，同时从两表中删除此两个节点。

3、在对链表进行排序，链表是否只有一个节点，是则 HUFFAN 树构造完毕，否则继续做 2 的操作。