(完整word版)计算机组成原理实验指导书汇总,推荐文档

计算机组成原理（第四版·立体化教材）实验指导书（第二版）工程学院电子与信息工程学院二零零九年八月制订第1章教学实验系统认识一．系统功能及特点计算机组成原理与系统结构教学实验系统是唐都科教仪器公司推出的一套高效的、开放性的教学实验系统，该系统可以通过对多种原理性计算机的设计、实现和调试来高效率地支持“计算机组成原理”和“计算机系统结构”等课程的开放式实验教学，为高校各个教学层次的计算机原理教学提供了完善的解决方案。

系统有如下功能特点：1．结构清晰的单元式实验电路，可构造出不同结构及复杂程度的原理性计算机系统采用部件单元式结构，包括运算器及数据通路、存储器、控制器、信号及时序控制、总线、外总线、外围接口及输入输出设备、大规模可编程逻辑器件等计算机部件的单元电路，用户可使用排线连接方式或计算机电子自动逻辑设计方式，根据自己所设计的模型计算机结构方案，来构造出不同结构及复杂程度的原理性计算机，使学生能够对计算机组成结构有清楚的认识和理解。

２．对实验设计具有完全的开放性，增强学生综合设计能力系统所具有的软硬件结构对用户的实验设计具有完全的开放性，其数据线、地址线、控制线都由用户来操作连接，系统中的运算器结构、控制器结构及微程序指令的格式及定义均可由用户根据教学需要来做灵活改变或重新设计。

这对于用户自行设计各种结构及不同复杂程度的模型计算机提供了强大的软硬件操作平台，从而避免了单纯验证性的实验模式，极大提高了学生计算机系统的综合设计能力。

3．通用逻辑器件和大规模可编程逻辑器件相结合，可面向不同层次的学生系统采用通用逻辑器件和大规模可编程逻辑器件并用的方式，既能给熟练掌握复杂逻辑系统设计的学生提供高档的实验平台，又能对不熟悉这些容的学生提供易操作的实验平台。

符合循序渐进、先基础后提高的教学原则。

4．具有实时调试功能的图形方式操作界面，也可用于多媒体辅助教学系统具有与PC 微机联机实时调试的功能，提供了图形方式的调试界面，在调试过程中可动态实时显示模型计算机各部件之间的数据传送以及各部件和总线上的所有信息。

《计算机组成原理》实验指导书实验一、3～8译码器的设计1．实验目的和要求熟悉ispEXPERT SYSTEM 软件的原理图绘制和编程方法。

了解计算机硬件电路的设计和调试方法。

熟悉、掌握组合逻辑电路的设计方法。

2．实验内容由组合逻辑电路知识可知，采用与门实现的3线～8线译码器的逻辑方程如下： 利用组合逻辑门电路，设计一个3～8译码器，原理图如下：并验证逻辑是否正确。

3.实验提示先根据附录一熟悉ispEXPERT SYSTEM用原理图方式输入组合逻辑门电路连接计算机组成原理实验装置，编程下载ispLSI1032E 拨动开关观察记录LED 显示结果完成实验后，每位同学提交一份实验报告（手写），格式参照附件一。

注：引脚1.开关（输入）：K0~K7： 53~60K8~K15 ： 26~33 开关向上为1，向下为0 灯（输出）：LED0~LED7 ：76~83 LED8~LED15：3~10 L0~L7： 45~52 L8~L15： 34~412.输入输出都要添加缓冲器：在器件库中选择C ：\…\GENERIC\IOPADS.LIB1270126012501240123012201210120a a a y a a a y a a a y a a a y a a a y a a a y a a a y a a a y ========3.引脚锁定：菜单项ADD ，选命令，出现Symbol Attribute Editor 对话框，单击需要定义属性的输入输出PAD ，在对话框中选SynarioPin 属性，输入引脚号。

（2）选择器件 （3）输入源文件（4）编译、仿真源文件 （5）适配在项目管理器窗口，点击左边窗口中的ispLSI1032E-70LJ84,右边窗口双击FitDesign,出现绿色对号，则设计正确，红色错号，存在严重错误。

（6）下载（烧录）将实验系统电源连好使用专用下载电缆将实验系统和微机连好。

《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。

实验一运算器实验一、实验目的1.掌握运算器的组成及工作原理；2.了解4位函数发牛器74LS181的组合功能，熟悉运算器执行算术操作和逻辑操作的具体实现过程；3.验证带进位控制的74LS181的功能。

二、实验设备EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套，排线若干。

三、预习要求1复习木次实验所川的各种数字集成电路的性能及工作原理；2预习实验步骤，了解实验中要求的注意Z处。

四、实验原理运算器的结构框图如图1-1示。

数据总线（D_BUS）算术逻辑单元ALU是运算器的核心。

此处由四片74LS181 （U7、U8、U9、U10）以并/帝形式构成16位运算器。

它町以对两个16位二进制数进行多种算术或逻辑运算，74LS181有高电平和低电平两种工作方式，高电平方式采用原码输入输出，低电平方式采用反码输入输出，这里采川高电平方式。

算术逻辑单元ALU是74LS181的功能控制条件由S3、S2、SI、SO、M、Cn决定。

高电平方式的74LS181的功能、管脚分配和引出端功能符号详见表1・1及图l-2c四片74LS273 （U3、U4、U5、U6）构成两个16位数据暂存器,其控制信号分别为LDR1和LDR2,当LDR1和LDR2为高电平有效时,在T4脉冲的前沿，总线上的数据被送入暂存器保存。

74LS273的悖脚分配和引出端功能符号详见图1-3两个三态门74LS244 （Ull、U12）作为运算器的输出缓冲器由ALU-G信号控制，ALU・G为“0”时，三态门开通，此时其输出等于其输入；ALU-G为“1”时，三态门关闭，此吋其输出呈高阻。

其管脚分配和引出端功能符号详见图1-4074LS181功能表见表1-1,其中符号“ + ”表示逻辑“或”运算,符号表示逻辑“与”运算,符号“/”表示逻辑“非”运算,符号“加”表示算术加运算,符号“减”表示算术减运算。

表1-1 74LS181功能表10 11F=A*B F=A*B 减1F=A*B1 1 0 0F=1F=A 加A F=A加A加1110 1F=A+/B F=(A+B)加A F=(A+B)加A 加1 111()F=A+B F=(A+/B)加A F=(A+/B)加A 加1 1111F=A F=A 减］F=Ao 1 2 3 n -B -A s s s s c 4 0 12 M-F -F _F*0 12A0~A3运算数输入端（低电平有效）B O~B3运算数输入端（f氐电平有效）Cn进位输入端Co田进位输出端FgF? 运算输出端（低电平有效）F^B比较输出端F& 进位产生输出端（低电平有效）Fp 进位传输输出端（低电平有效）M 工作方式控制S厂気功能选择ccQDDQQDDQP V88776655C 输入输出CR CP D QL x x LH t H HH t L LH L x Qo1-3 (a) 74LS273 管脚分配图1-3 (b) 74LS273 功能表1-2 74LS181管脚分配及说明CC——2 2 $ dGon+p T V -A -B -A _B -A -B -F c -F -F -F2109 876543242398765432 1二iii五、 实验内容验证74181的算术逻辑运算功能（采用正逻辑），在指定LDR1、LDR2的収值情 况下，改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，并和理论分析进行比较、验证。

●李英王强编●杨勇审《计算机组成原理》实验指导书东华理工学院自编教材 20080XX计算机组成原理实验指导书编写：李英王强审校：杨勇东华理工大学信工学院二○○八年十月目录实验一运算器数据通路实验 (1)实验二总线存储器实验 (11)实验三运算器仿真实验 (20)实验四存储器仿真实验 (25)实验五输入输出接口仿真实验 (29)实验六数据通路仿真实验 (34)实验七微程序实验 (38)实验一 运算器数据通路实验一、实验预习1、复习本次实验所用的各种数字集成电路的性能及工作原理。

2、复习74LS181的工作原理，熟悉各管脚的逻辑功能。

3、按实验原理要求设计运算器，画出逻辑电路图及实验连线图。

4、预先拟订好实验步骤，考虑好可能产生的故障，并想好采取哪些实验技术手段进行排除。

5、74LS181是一个带有输入函数发生器的四位并行加法器，如果要进行8位或更多位的运算，应如何处理？6、实验中挂在总线上的器件（如运算器、寄存器、开关等）向总线发信息时应注意些什么问题？二、实验目的1、熟悉74LS181函数功能发生器的功能，提高器件在系统中应用的能力。

2、熟悉运算器的数据传送通路。

3、完成几种算术/逻辑运算器操作，加深对运算器工作原理的理解。

三、实验仪器实验仪器：1、综合硬件公共箱NS-GG12、逻辑电路搭试板NS-DS13、接线工具和连接导线 实验器件：1、四位函数功能发生器74LS181 2片2、八D 锁存器74LS373 1片3、八D 触发器74LS273 2片4、八缓冲器74LS244 1片器件介绍：1、八D 锁存器74LS3732、八D 触发器74LS2733、八缓冲器74LS244图1-1 八D 锁存器74LS373四、实验原理1．运算器基本结构运算器是计算机中对数据进行加工处理的部件，是中央处理单元（CPU ）的主要组成部分之一。

运算器基本结构一般由算术逻辑运算单元（ALU ）、输入数据选择电路、通用寄存器组、输出数据控制电路等组成。

实验一寄存器实验一、实验目的1、了解CPTH模型机中寄存器的结构、工作原理及其控制方法.2、熟悉CPTH实验仪的基本构造及操作方法。

二、实验电路寄存器的作用是用于保存数据的，因为CPTH模型机是8位的,因此模型机中大部寄存器是8 位的，标志位寄存器（Cy, Z）是二位的.CPTH 用74HC574 (8—D触发器)来构成寄存器。

74HC574 的功能如表1—1所示：图1-1 74HC574的引脚图1. 在CLK的上升沿将输入端的数据打入到8 个触发器中2. 当OC = 1 时触发器的输出被关闭，当OC=0 时触发器的输出数据表1-1 74HC574功能表图1—2 74HC574工作波形图三、实验内容（一）proteus仿真平台1、proteus仿真平台简介Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件.它的主界面如图1-3所示：图1—3 proteus仿真平台主界面2、在proteus平台上运行电路:寄存器_1.DSN。

拨动开关,观察灯的亮灭，回答思考题1。

思考题1:先使OC=1,拨D0~D7=00110011,按下CK提供CLK上升沿;再拨D0~D7=01000100,OC=0，此时Q0～Q7为多少？3、CPTH模型机上，寄存器A的电路组成如图1-4所示。

在proteus平台上运行电路：寄存器_2.DSN，回答思考题2。

图1-4 寄存器A原理图思考题2：数据从D端传送到Q端，相应的控制端如何设置？3、CPTH模型机上，寄存器组R0～R3的电路组成如图1-5所示。

在proteus平台上运行电路：寄存器_3。

DSN，回答思考题3。

图1—5 寄存器组R0~R3 原理图74LS139是2—4线译码器，由A、B两个输入端选择控制4个输出端Y0～Y3，使能端E低电平有效，允许译码输出。

74HC32是或门，两个输入端同时为低电平，输出为低电平.具体的控制方式见表1-2。

“计算机组成原理”实验指导书杨伟丰编写2014年12月实验一算术逻辑运算实验一、实验目的1、掌握简单运算器的组成以及数据传送通路。

2、验证运算功能发生器（74LS181）的组合功能。

二、实验内容运用算术逻辑运算器进行算术运算和逻辑运算。

三、实验仪器1、ZY15Comp12BB计算机组成原理教学实验箱一台2、排线若干四、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/串形式构成8位字长的ALU。

运算器的两个数据输入端分别由两个锁存器（74LS273）锁存，锁存器的输入连至数据总线，数据输入开关（INPUT）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。

运算器的输出经过一个三态门（74LS245）和数据总线相连。

数据显示灯已和数据总线（“DATA BUS”）相连，用来显示数据总线内容。

图1-l 运算器数据通路图图1-2中已将实验需要连接的控制信号用箭头标明（其他实验相同，不再说明）。

其中除T4为脉冲信号，其它均为电平控制信号。

实验电路中的控制时序信号均已内部连至相应时序信号引出端，进行实验时，还需将S3、S2、S1、S0、Cn 、M 、LDDR1、LDDR2、ALU_G 、SW_G 各电平控制信号与“SWITCH ”单元中的二进制数据开关进行跳线连接,其中ALU_G 、SW_G 为低电平有效，LDDR1、LDDR2为高电平有效。

按动微动开关PULSE ，即可获得实验所需的单脉冲。

五、实验步骤l 、按图1-2连接实验线路，仔细检查无误后，接通电源。

（图中箭头表示需要接线的地图1-2 算术逻辑运算实验接线图2、用INPUT UNIT 的二进制数据开关向寄存器DR1和DR2置数，数据开关的内容可以用与开关对应的指示灯来观察，灯亮表示开关量为“1”，灯灭表示开关量为“0”。

以向DR1中置入11000001（C1H ）和向DR2中置入01000011（43H ）为例，具体操作步骤如下：首先使各个控制电平的初始状态为：CLR=1，LDDR1=0，LDDR2=0，ALU_G=1，SW_G=1，S3 S2 S1 S0 M CN=111111，并将CONTROL UNIT 的开关SP05打在“NORM ”状态，然后按下图所示步骤进行。

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实验一运算器实验一、实验目的1. 掌握简单运算器的数据传输方式。

2. 验证运算功能发生器(74LS1 81)及进位控制的组合功能。

二、实验要求完成不带进位及带进位算术运算实验、逻辑运算实验，了解算术逻辑运算单元的运用0三、实验原理实验中所用的运算器数据通路如图7-1-1所示。

其中运算器山两片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|' J(74LS245)以8芯扁平线方式 和数据总线相连，运算器的2个数据输入端分别由二个锁存器(74LS273)锁存，锁存器的 输入亦以8芯扁平线方式与数据总线相连，数据开关(INPUT DEVICE)川來给出参与运算 的数据，经一三态fJ(74LS245)以8芯扁平线方式和数据总线相连，数据显示灯(BUS UNIT) 已和数据总线相连，用來显示数据总线内容。

图7-1-1中T2、T4为时序电路产生的节拍脉冲信号，通过连接吋序启停单元时钟信号 來获得，剩余均为电平控制信号。

进行实验时，首先按动位于本实验装置右中侧 的复位按钮使系统进入初始待令状态，在LED 显示器闪动位岀现“P.”的状态下，按【增进！ 二 I制' 开' 关• 单' 元I址】命令键使LED 显示器口左向右第4位切换到提示符“L” ,表示本装置已进入手动单 元实验状态，在该状态卜•按动【单步】命令键，即可获得实验所需的单脉冲信号，而LDDR1、 LDDR2、ALU-B 、SW-B 、S3、S2、S1、SO 、CN 、M 各电平控制信号用位于LED 显示 器上方的26位二进制开关來模拟，均为高电平有效。

四、实验连线両时序启停JUUTO O图7-1-2实验连线示意图按图7-1-2所示，连接实验电路：① 总线接口连接：用8芯扁平线连接图7-1-2屮所有标明“U 帕”或“目儷”图 案的总线接口。

② 控制线与时钟信号“皿1”连接：用双头实验导线连接图7-1-2中所侑标明“O+C”O或“受”图案的插孔（注：Dais-CMH 的吋钟信号已作内部连接）。

《计算机组成原理》实验指导书课程名称：计算机组成原理（Principle of Computer Organization）课程类别：必修编号：091204 学时：8H编者姓名：薛纪文单位：计算机科学学院职称：副教授授课对象：本科生专业：计算机科学与技术年级：三年级先修课程：《数字逻辑与数字系统》、《程序设计》课程目的《计算机组成原理》是计算机科学与技术专业本科教学中的一门技术基础课。

通过本课程的学习，使学生掌握计算机硬件各子系统的组成原理及实现技术，建立计算机系统的整体概念，对设计开发计算机系统有重要作用。

为今后学习计算机网络、计算机体系结构、分布与并行处理等课程打下基础。

实验一运算器组成的实验一、实验目的1、掌握算术逻辑运算加、减、乘、与的工作原理。

2、熟悉简单运算的数据传送通路。

3、验证实验台运算的8位加、减、与、直通功能。

4、验证实验台的4位乘4位功能。

5、按给定数据，完成几种指定的算术和逻辑运算。

二、实验电路图6示出了本实验所用的运算器数据通路图。

ALU由1片ispLSI1024构成。

四片4位的二选一输入寄存器74HC298构成两个操作数寄存器DR1和DR2，保存参与运算的数据。

DR1接ALU的B数据输入端口，DR2接ALU的A数据输入端口，ALU的输出在ispLSI1024内通过三态门发送到数据总线DBUS7-DBUS0上，进位信号C保存在ispLSI1024内的一个D寄存器中。

当实验台下部的IR/DBUS开关拔到DBUS位置时，8个红色发光二极管指示灯接在数据总线DBUS上，可显示运算结果或输入数据。

另有一个指示灯C显示运算进位信号状态。

由ispLSI1024构成的8位运算器的运算类型由选择端S2，S1，S0选择，功能如表3所示。

表3 运算器运算类型选择表进位C只在加法运算和减法运算时产生，与、乘、直通操作不影响进位C 的状态，即进位C保持不变。

减法运算采用加减数的反码再加以1实现。