杭电计算机组成原理寄存器堆设计实验-4

实验七-八寄存器堆实验姓名：陈衍席学号:1205110125 网工1202【实验环境】1. Windows 2000 或 Windows XP2. QuartusII9.1 sp2、DE2-115计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。

【实验目的】本次实验要求掌握触发器的基本原理，掌握寄存器和寄存器堆的组成原理。

【实验要求】本次实验只需要设计并实现8位触发器和32位触发器。

【实验原理】寄存器是数字电路中的基本模块，许多复杂的时序逻辑电路都是由它构成的。

在数字系统中，寄存器是一种在某一特定信号的控制下用于存储一组二进制数据的时序逻辑电路。

通常使用触发器构成寄存器，把多个D触发器的时钟连接起来就可以构成一个存储多位二进制的寄存器。

寄存器中二进制数的位可以用两种方式移入或移出寄存器。

第一种方法是以串行的方式将数据每次移动一位，这种方法称之为串行移位(Serial Shifting)，线路较少，但耗费时间较多。

第二种方法是以并行的方式将数据同时移动，这种方法称之为并行移位(Parallel Shifting)，线路较为复杂，但是数据传送的速度较快。

因此，按照数据进出移位寄存器的方式，可以将移位寄存器分为四种类型：串行输入串行输出移位寄存器(Serial In- Serial Out)、串行输入并行输出移位寄存器(Serial In- Parallel Out)、并行输入串行输出移位寄存器(Parallel In- Serial Out)、并行输入并行输出移位寄存器(Parallel In-ParallelOut)。

在CPU设计中，寄存器堆是一个可以保存指令和数据的必不可少的器件，是RISC微处理器的核心，所有内部、外部数据的读取都直接和它发生关系。

它由一组寄存器组成，只要给出寄存器堆中该寄存器的编号，则其中的内容都可以读或者写。

【实验步骤】1、8位触发器设计8位触发器中包括，输入信号：一个8位数据源D，1位CLRN复位信号，1位EN使能信号，1位CLK时钟信号；输出信号：8位Q。

实验一寄存器实验实验目的：了解模型机中各种寄存器结构、工作原理及其控制方法。

实验要求：利用CPTH 实验仪上的K16..K23 开关做为DBUS 的数据，其它开关做为控制信号，将数据写入寄存器，这些寄存器包括累加器A，工作寄存器W，数据寄存器组R0..R3，地址寄存器MAR，堆栈寄存器ST，输出寄存器OUT。

实验电路：寄存器的作用是用于保存数据的CPTH 用74HC574 来构成寄存器。

74HC574 的功能如下：- 1 -实验1：A，W 寄存器实验原理图寄存器A原理图寄存器W 原理图连接线表：- 2 -系统清零和手动状态设定：K23-K16开关置零，按[RST]钮，按[TV/ME]键三次，进入"Hand......"手动状态。

在后面实验中实验模式为手动的操作方法不再详述．将55H写入A寄存器二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据55H置控制信号为：按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器A的黄色选择指示灯亮，表明选择A寄存器。

放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据55H被写入A寄存器。

将66H写入W寄存器二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据66H- 3 -置控制信号为：按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器W 的黄色选择指示灯亮，表明选择W寄存器。

放开STEP 键，CK 由低变高，产生一个上升沿，数据66H 被写入W 寄存器。

注意观察：１．数据是在放开STEP键后改变的，也就是CK的上升沿数据被打入。

２．WEN，AEN为高时，即使CK有上升沿，寄存器的数据也不会改变。

实验2：R0，R1，R2，R3 寄存器实验连接线表- 4 -将11H、22H、33H、44H写入R0、R1、R2、R3寄存器将二进制开关K23-K16，置数据分别为11H、22H、33H、44H置控制信号为：K11、K10为10，K1、k0分别为00、01、10、11并分别按住STEP 脉冲键，CK 由高变低，这时寄存器R0、R1\R2\R3 的黄色选择指示灯分别亮，放开STEP键，CK由低变高，产生一个上升沿，数据被写入寄存器。

实验4 进位控制实验一、实验目的1. 理解带进位控制的电路图。

2.验证带进位控制的算术运算发生器的功能。

3.按给定数据，完成实验几种指定的算术运算。

二、实验原理1.在算术逻辑运算实验的基础上，增加了进位控制部分,进位控制部分电路。

它主要由一个74LS74锁存器构成。

2．AR是74LS74琐存器的控制信号,低电平有效，与T4脉冲信号配合,可打开琐存器，把74LS181运算的进位结果存入其内。

(3)CY是高位进位标志信号,连接一个发光二极光，能显示其进位情况。

当进位时此灯“亮”，无进位时指示灯“灭”。

具体电路见图4-1带进位运算器通路图。

图4-1带进位运算器通路图图4-1带进位运算器通路三、实验注意事项（1）本实验使用T4脉冲信号，实验时将“W/R UNIT”的T4接至“STA TE UNIT”中KK2的正脉冲冲插头上，按下微动开关KK2（可产生T4正脉冲），即可获得本实验所需的单脉冲信号。

（2）S3、S2、S1、S0、Cn、M、LDDR1、LDDR2、AUL-B、SW-B、AR均为电平信号，与“SWITCH UNIT”中的二进制开关对应相连接，用于产生模拟信号。

（3）ALU-B、SW-B为低电平有效；LDDR1，LDDR2为高电平有效。

（4）实验仪上进位指示灯CY为“亮”时，表示有进位，“灭”表示无进位。

（5）实验仪上ZI(zero indicator)是判零标志灯，当两片74LS181输出全为“0”时，ZI灯亮，当两片74LS181输出不全为“0”时，ZI灯灭。

（6）每次做进位操作前都必须先对进位标志清零。

清零后,注意观看实验仪上进位指示灯CY是否已灭，若清零后CY不灭，要检查原因。

（7）进位清零操作时，有关控制端的状态是：S3、S2、S1、S0、M、AR、LDDR1、LDDR2 置为00000000，然后按下微动开关KK2即可。

（8）做清零操作时，DR1寄存器的内容不能为11111111。

四、实验内容和步骤1. 实验连线实验连线图见图4-2：图4-2 带进位运算实验接线图接线完成后，检查无误，方可接通电源，要养成一个好习惯，通电前要细心检查电路，以防短路发生，造成实验设备的损坏。

初：未知当前：2016-7-3 主笔：An gel实验报告课程名称：计算机组成原理实验项目：寄存器的原理及操作姓名：专业：计算机科学与技术班级：学号：计算机科学与技术学院实验教学中心20 16 年6 月20 日初：未知 当前：2016-7-3 主笔：An gel 版本：1实验项目名称： 寄存器的原理及操作 ________________一、 实验目的1. 了解模型机中A, W 寄存器结构、工作原理及其控制方法。

2. 了解模型机中寄存器组 R0..R3结构、工作原理及其控制方法。

3. 了解模型机中地址寄存器MAR ，堆栈寄存器ST ,输出寄存器 OUT 寄存器结构、工作原理及其控制方法。

二、 实验内容1、 A 、W 寄存器：利用COP2000实验仪上的K16..K23开关做为DBUS 的数据，其它开关做为控制 信号，将数据写入寄存器 A ，W 。

2、 R0、R1、R2、R3寄存器实验：利用 COP2000实验仪上的 K16..K23开关做为 DBUS 的数据，其 它开关做为控制信号，对数据寄存器组R0..R3进行读写。

3、 MAR 、ST 、OUT 寄存器：利用 COP2000实验仪上的 K16..K23开关做为 DBUS 的数据，其它开 关做为控制信号，将数据写入地址寄存器MAR ，堆栈寄存器ST ，输出寄存器 OUT 。

三、 实验用设备仪器及材料伟福COP2000系列计算机组成原理实验系统四、实验原理及接线实验1： A ，W 寄存器实验；DBUSLD3U50C D3U5 ■ DBUS6 >【賊/DBLS4QQQQQ仪卫吨n Jd —J Jo-■1 -X:LXDgDDDQDiD c I 3 4 4_■ s- Tieft连接 倍号礼援入孔 作用有效电乎] J]厘 J3座^fK23-KJ6*E 入 DBLSrm2AEX K3选遹A低电平有效 ■i. J- WENK.4 选逋w低电权说 4ALLCK匚 LOCK ALU 二昨強冲 上升沿打人实验2: R0, R1, R2, R3寄存器实验愴号孔 接入JL 榨用 有效电京IIJ]坚 J3陛為 K23«l &接 ADEHJ5[7®11 RRD KII 奇存缚纠读歧堤 低电乎有效 R J RWR KID 舒存#盅写便能 仁壬“=\4SB KI 审存器选摊B SSA KO 寄蜩«#A6 RCK CLOCK空存密二冬应2上升沿打入实验3: MAR 地址寄存器，ST 堆栈寄存器，OUT 输出寄存器WEN"4»Ci2■ — 1 1 0UFC1X1* J 、 1<313< 417 S€ , U- > < *15 ) < - TT 5 € 1 13< ?t ： \t/FfI 屮加亍DELI 细 DBL 用]>BUM .DBUSJ DBUS2■f DBUST .IJJitJSD VLTW5JW4WJv.-j SWI :wocft^fctc\i CMv.-ffiVSS4VBIQ -:吁垢冷HJ 'CILTfiKEllg ""■Md尋存堆MAR 原理铝MAR 为存储器地址寄存器，其功能是存储操作数在内存中的地址，信号MAREN 的功能是将数据总线DBUS 上数据MAR ，信号MAROE 的功能是将 MAR 的值送到地址总线 ABUS 上tTHl.W<'&BC&S ； S j•、'C DBLS2~kDBISI <.DBLMST 堆栈寄存器的作用，是岀现中断或子程序调用时，保存断点处PC 的值，以便中断或子程序结束时,能继续执行原程序。

杭电计组实验-存储器设计实验————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：实验报告2018 年 5 月 5 日成绩：姓名阳光男学号16041321 班级16052317专业计算机科学与技术课程名称《计算机组成原理与系统结构试验》任课老师张翔老师指导老师张翔老师机位号默认实验序号5实验名称《实验五存储器设计实验》实验时间2018/5/12实验地点1教211实验设备号个人电脑、Nexys3开发板一、实验程序源代码存储器顶层电路代码：module top_RAM_B(Mem_Addr,C,Mem_Write,Clk,LED);input [7:2]Mem_Addr;//开关的3、4、5、6、7、8位input Mem_Write,Clk;//clk为按键C9，读写使能信号为按键C4，0为读，1为写input [1:0]C;//选择写入数据+读操作时选择显示字节,为开关1、2位output reg [7:0]LED;wire [31:0]M_R_Data;//存在存储器里的32位读出数据reg [31:0]M_W_Data;//寄存在暂存器的32位写入数据RAM_B test_ram (.clka(Clk), //输入时钟信号.wea(Mem_Write), //输入读写信号.addra(Mem_Addr[7:2]), //输入5位地址信号.dina(M_W_Data), //写入32位数据.douta(M_R_Data) //读出32位数据);always@(*)beginLED=0;//初始化M_W_Data=0;//初始化if(!Mem_Write)//读操作begincase(C)2'b00:LED=M_R_Data[7:0];//读出数据的0-7位2'b01:LED=M_R_Data[15:8];//读出数据的8-15位2'b10:LED=M_R_Data[23:16];//读出数据的16-23位2'b11:LED=M_R_Data[31:24];//读出数据的24-31位endcaseendelsebegincase(C)2'b00:M_W_Data=32'h0055_7523;//写入第一个数据2'b01:M_W_Data=32'h1234_5678;//写入第二个数据2'b10:M_W_Data=32'h8765_4321;//写入第三个数据2'b11:M_W_Data=32'hffff_ffff;//写入第四个数据endcaseendendendmodule测试代码：module test;// Inputsreg clka;reg [0:0] wea;reg [5:0] addra;reg [31:0] dina;// Outputswire [31:0] douta;// Instantiate the Unit Under Test (UUT)RAM_B uut (.clka(clka),.wea(wea),.addra(addra),.dina(dina),.douta(douta));initial begin// Initialize Inputsclka = 0;wea = 0;addra = 0;dina = 0;// Wait 100 ns for global reset to finish #100;// Add stimulus hereclka = 1;wea = 0;addra = 6'b000001;dina = 32'h0000_0003;#100;clka = 0;wea = 0;addra = 6'b000001;dina = 32'h0000_0607;#100;clka = 1;wea = 1;addra = 6'b000001;dina = 32'hFFFF_FFFF;#100;clka = 0;wea = 1;addra = 6'b000001;dina = 32'hFFFF_FFFF;endendmodule二、仿真波形三、电路图顶层电路模块顶层电路内部结构：四、引脚配置（约束文件）NET "Clk" LOC = C9;NET "LED[4]" LOC = M11;NET "LED[3]" LOC = V15;NET "LED[2]" LOC = U15;NET "LED[1]" LOC = V16;NET "LED[0]" LOC = U16;NET "Mem_Addr[7]" LOC = U8;NET "Mem_Addr[6]" LOC = N8;NET "Mem_Addr[5]" LOC = M8;NET "Mem_Addr[4]" LOC = V9;NET "Mem_Addr[2]" LOC = T10;NET "Mem_Write" LOC = C4;NET "Mem_Addr[3]" LOC = T9;NET "C[1]" LOC = T5;NET "C[0]" LOC = V8;NET "LED[7]" LOC = T11;NET "LED[5]" LOC = N11;NET "LED[6]" LOC = R11;五、思考与探索(1)读操作实验结果记录表存储器地址初始化数据读出数据写入新数据读出数据5’b000000 32’b0000000032’b0000000032'h0055_752332'h0055_7523 5’b000001 32’b0000000132’b0000000132'h0055_752332'h0055_7523 5’b000002 32’b0000000232’b0000000232'h0055_752332'h0055_7523 5’b000003 32’b0000000332’b0000000332'h0055_752332'h0055_7523 5’b000004 32’b0000000432’b0000000432'h0055_752332'h0055_7523 5’b000005 32’b0000000532’b0000000532'h0055_752332'h0055_7523 5’b000006 32’b0000000632’b0000000632'h0055_752332'h0055_7523 5’b000007 32’b0000000732’b0000000732'h0055_752332'h0055_7523 (2)答：这些单元的数据已经被改写了。

杭电计算机组成原理寄存器堆设计实验计算机组成原理是计算机科学与技术的基础课程之一，它涉及到计算机的基本组成部分和原理。

在这门课程中，学生通常需要进行一系列的实验来加深对计算机组成原理的理解和应用。

其中之一是关于寄存器堆的设计实验。

寄存器堆是计算机中重要的组成部分之一，它用于存储、读取和写入数据。

在计算机中，数据通常被存储在寄存器中，然后进行各种操作。

因此，设计一个高效可靠的寄存器堆对于计算机的性能至关重要。

根据实验要求，我们需要设计一个8位的寄存器堆，并实现读取、写入和清零等操作。

以下是针对该实验的设计思路和实施步骤。

首先，我们需要确定寄存器堆的结构。

由于该寄存器堆为8位宽度，我们选择使用一个8x8的存储单元阵列。

每个存储单元都可以存储一个8位的数据。

整个寄存器堆由8个存储单元组成，每个存储单元对应一个地址，即0~7接下来，我们需要设计寄存器堆的读写电路。

对于读操作，我们需要通过地址线来选择要读取的存储单元，并将其输出到数据线。

对于写操作，我们同样需要通过地址线来选择要写入的存储单元，并将数据线上的数据写入该存储单元。

为了实现这些操作，我们需要使用多路选择器和数据解码器。

在设计中，我们还需要考虑到时钟信号的输入，以确保读写操作在时钟的上升沿或下降沿进行。

此外，我们还需要添加清零功能，以便将寄存器堆的值重置为零。

为实现清零功能，我们可以将一个额外的输入线与所有存储单元的清零输入连接。

在实施阶段，我们需要使用Verilog或其他硬件描述语言来实现设计。

在代码中，我们首先声明一个8位宽的存储单元阵列作为寄存器堆的基本组成部分。

然后，我们定义读写电路，包括地址线、数据线、多路选择器和数据解码器。

最后，我们添加时钟信号和清零功能。

在完成设计后，我们可以通过仿真工具进行验证。

通过输入不同的数据和地址，观察输出结果是否符合预期。

如果存在问题，我们可以进行调试并进行必要的修改。

一旦仿真结果正确无误，我们就可以开始进行硬件实验了。

计算机组成原理实验三堆栈寄存器实验一、实验目的：1、熟悉堆栈概念。

2、熟悉堆栈寄存器的组成和硬件电路。

二、实验要求：完成3个堆栈寄存器的数据写入与读出。

三、实验原理：实验中所用的堆栈寄存器数据通路由三片8位字长的LS374组成R0、R1、R2寄存器堆。

三个寄存器的输入/输出已连至BUS总线R0-B、R1-B、R2-B经CBA二进制控制开关译码产生数据输出选通信号（详见下表），LDR0、LDR1、LDR2为数据写入允许信号，由二进制控制开关来模拟，均为高电平有效；T4信号为寄存器数据写入脉冲，上升沿有效。

在手动实验状态（即“H”装态）每按动一次“单步”命令键，产生一个T4信号。

下表为寄存器单元选通真值表：四、实验连接：1.连接实验线路，把位于实验装置左上方的CTR-OUT UNIT (LDR0、LDR1、LDR2、/SW-B)与实验装置右中央的CTR-OUT unit (LDR0、LDR1、LDR2)及实验装置左下方INPUT-UNIT(/SW-B)中的控制信号作对应连接。

2.具体连接信号：/SW-B，/R0-B，/R1-B ，/R2-B ，LDR0,LDR1，LDR2五、实验仪器状态设定：在闪动的“P.”状态下按动“增址”命令键，使LED显示器自左向右第一位显示提示符“H”，表示本装置已进入手动单元实验状态。

五、实验项目：（一）堆栈寄存器的写入拨动二进制数据开关（INPUT-UNIT）向R0和R1寄存器置数（置数灯亮表示它所对应的数据位为“1”、反之为“0”）。

具体操作步骤图示如下：[CBA=001] [LDR0=1] [LDR=1][LDR1=0] [LDR1=1][LDR2=0] [LDR2=0][按“STEP”] [按“STEP”] (二)堆栈寄存器的读出关闭数据输入三态门（CBA=000），分别打开通用寄存器R0、R1、R2输出控制位，当CBA=100时，总线指示灯（BUS-DISP UNIT）显示R0中的数据01H；当CBA=101时，总线指示灯显示R1中的数据80H；当CBA=110时，总线指示灯显示R2中等的数据（随机），可以观察到，显示的随机数为11111111.（六）实验总结通过本次实验的数据和理论分析进行比较、验证，我们熟悉了堆栈概念，熟悉了堆栈寄存器的组成和硬件电路等。

2.1 寄存器实验姓名：孙坚学号：134173733 班级：13计算机日期：2015.4.3一．实验要求：利用CPTH 实验仪上的K16..K23 开关做为DBUS 的数据，其它开关做为控制信号，将数据写入寄存器，这些寄存器包括累加器A，工作寄存器W，数据寄存器组R0..R3，地址寄存器MAR，堆栈寄存器ST，输出寄存器OUT。

二．实验目的：了解模型机中各种寄存器结构、工作原理及其控制方法。

三．实验电路：寄存器的作用是用于保存数据的，因为我们的模型机是8位的，因此在本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 来构成寄存器。

74HC574 的功能如下：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四．实验数据及步骤：实验1：A，W 寄存器实验寄存器A，W 写工作波形图连接线表：系统清零和手动状态设定：K23-K16开关置零，按[RST]钮，按[TV/ME]键三次，进入"Hand......"手动状态。

在后面实验中实验模式为手动的操作方法不再详述．将66H写入A寄存器二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据66H置控制信号为：按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器A 的黄色选择指示灯亮，表明选择A寄存器。

放开STEP 键，CK 由低变高，产生一个上升沿，数据66H 被写入A 寄存器。

将88H写入W寄存器二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据88H置控制信号为：按住STEP脉冲键，CK由高变低，这时寄存器W 的黄色选择指示灯亮，表明选择W 寄存器。

放开STEP 键，CK 由低变高，产生一个上升沿，数据88H 被写入W 寄存器。

注意观察：１．数据是在放开STEP键后改变的，也就是CK的上升沿数据被打入。

千里之行，始于足下。

计算机组成原理实验报告-寄存器实验计算机组成原理实验报告-寄存器实验》一、实验目的本次实验旨在通过设计和实现一个基本的寄存器，加深对计算机组成原理中寄存器的理解，并掌握寄存器在计算机中的应用。

二、实验设备及软件1. 实验设备：计算机2. 实验软件：模拟器软件Mars3. 实验材料：电路图、线缆、元器件三、实验原理寄存器是计算机的一种重要组成部分，用于存储数据和指令。

一个基本的寄存器通常由一组触发器组成，可以存储多个位的信息。

本实验中，我们需要设计一个16位的寄存器。

四、实验步骤1. 确定寄存器的结构和位数：根据实验要求，我们需要设计一个16位的寄存器。

根据设计要求，选择合适的触发器和其他元器件。

2. 组装寄存器电路：根据电路图，将选择好的元器件按照电路图连接起来。

3. 连接电路与计算机：使用线缆将寄存器电路连接到计算机的相应接口上。

4. 编写程序：打开Mars模拟器软件，编写程序来测试寄存器的功能。

可以编写一段简单的程序，将数据写入寄存器并读取出来，以验证寄存器的正确性。

5. 运行程序并测试：将编写好的程序加载到Mars模拟器中，并运行程序，观察寄存器的输出和模拟器的运行结果。

第1页/共3页锲而不舍，金石可镂。

五、实验结果在本次实验中，我们成功设计和实现了一个16位的寄存器，并进行了相关测试。

经过多次测试，寄存器的功能和性能良好，能够准确地存储和读取数据。

六、实验心得通过本次实验，我对寄存器的结构和工作原理有了更深入的了解。

寄存器作为计算机的一种重要组成部分，起着存储和传输数据的作用。

通过实际操作和测试，我更加清楚了寄存器在计算机中的应用和重要性。

在实验过程中，我遇到了一些问题，如电路连接不稳定、程序错误等，但通过仔细检查和调试，最终解决了这些问题。

这次实验也让我深刻体会到了学习计算机组成原理的重要性，只有深入理解原理并通过实践运用，才能真正掌握计算机的工作原理和能力。

通过这个实验，我有了更深入的认识和理解，对计算机组成原理的学习也更加系统和完整。