计算机组成原理实验讲义

计算机组成原理实验指导四川大学计算机学院西安唐都科教仪器公司实验一运算器组成实验（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．实验设备TDN-CM++计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。

三．实验内容１．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二个锁存器（74LS373）锁存，锁存器的输入连至数据总线，数据开关(“INPUT DEVICE”)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，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”的相应时序信号引出端，因此，在进行实验时，只需将“W/R UNIT”的T4接至“STATE 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、ALU-B、SW-B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，LDDR1、LDDR2为高电平有效。

图１－１运算器数据通路２．实验步骤（１）连接实验线路，仔细查线无误后，接通电源。

（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），当置S3、S2、 S1、S0、M为１１１１１时，总线指示灯显示DR1中的数，而置成１０１０１时总线指示灯显示DR2中的数。

计算机组成原理实验指导书适用于计算机科学与技术专业广东药学院医药信息工程学院控制与仿真教研室前言计算机体系结构是计算机专业的核心课程之一，属必修的主干专业基础课。

本课程主要讲述单机系统各大部件的组成及工作原理；讲述各大部件级成整机的工作机制，建立计算机工作的整机概念。

本课程还设置实验和课程设计的环节，通过实践教学，达到以下目标：1．进一步融会贯通教材内容，更好掌握计算机各功能模块的组成及工作原理，掌握各模块的相互联系，完整地从时间上和空间上建立计算机的整机概念。

2．在实践中培养学生的独立工作能力，严谨的工作态度和科研作风，掌握计算机硬件系统的分析、设计、组装和调试的基本技能。

为今后开展科研工作打下基础。

2010年3月目录实验一、TEC-4计算机组成原理实验系统认识实验实验二、运算器组成实验（1）实验三、运算器组成实验（2）实验四、双端口存储器原理实验（1）实验五、双端口存储器原理实验（2）实验六、数据通路组成实验（1）实验七、数据通路组成实验（2）实验八、常规型微程序控制器组成实验实验九、CPU组成与机器指令执行实验实验十、中断原理实验实验一 TEC-4计算机组成原理实验系统认识实验TEC-4计算机组成原理实验系统由清华大学教学仪器厂研制。

它是一个典型的计算机模型实验仪器，可用于大专、本科、硕士研究生计算机组成原理课程、计算机系统结构课程的教学实验。

该仪器将提高学生的动手能力，提高学生对计算机整体和各组成部分的理解，提高学生对计算机系统的综合设计能力。

1.1 TEC-4计算机组成原理实验系统的特点（1）计算机模型简单、实用，运算器数据通路、控制器、控制台各部分划分清晰。

（2）计算机模型采用了数据总线和指令总线双总线体制，能够实现流水控制。

（3）控制器有微程序控制器、硬联线控制器两种类型，每种类型又有流水和顺序两种方案。

（4）寄存器堆由1片ispLSI1016组成，运算器由1片ispLSI1024组成，设计新颖。

计算机科学学院计算机组成原理实验指导书（适用于计算机科学学院所有专业）计算机系统结构教研室2015年6月修订目录第1章TEC-8计算机硬件综合实验系统 (1)1.1TEC-8实验系统的用途 (1)1.2TEC-8实验系统技术特点 (1)1.3TEC-8实验系统组成 (1)1.4逻辑测试笔 (2)1.5TEC-8实验系统结构和操作 (2)1.6模型计算机指令系统 (5)1.7开关、按钮、指示灯 (6)1.8实验准备 (7)第2章计算机组成原理基本实验 (10)2.1运算器组成实验 (10)2.2双端口存储器实验 (14)2.3数据通路实验 (18)2.4微程序控制器实验 (22)第1章TEC-8计算机硬件综合实验系统1.1TEC-8实验系统的用途TEC-8计算机硬件综合实验系统，以下简称TEC-8实验系统，是清华大学科教仪器厂生产的一个专利产品，专利号ZL200720149391.9。

它用于数字逻辑与数字系统、计算机组成原理、计算机体系结构三门课程的实验教学，也可用于数字系统的研究开发，为提高学生的动手能力、培养学生的创新精神提供了一个良好的舞台1.2TEC-8实验系统技术特点⑴模型计算机采用8位字长、简单而实用，有利于学生掌握模型计算机整机的工作原理。

通过8位数据开关用手动方式输入二进制测试程序，有利于学生从最底层开始了解计算机工作原理。

⑵指令系统采用4位操作码，可容纳16条指令。

已实现加、减、与、加1、存数、取数、条件转移、无条件转移、输出、中断返回、开中断、关中断和停机等14条指令，指令功能非常典型。

⑶采用双端口存储器作为主存，实现数据总线和指令总线双总线体制，实现指令流水功能，体现出现代CPU设计思想。

⑷控制器采用微程序控制器和硬连线控制器2种类型，体现了当代计算机控制器技术的完备性。

⑸微程序控制器和硬连线控制器之间的转换采用独创的一次全切换方式，切换不用关掉电源，切换简单、安全可靠。

⑹控制存储器中的微代码可用PC计算机下载，省去了E2PROM器件的专用编辑器和对器件的插、拔。

《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。

第一部分实验基本要求一. 概述《计算机组成原理》是一门理论性、实践性很强的课程。

为了帮助学生掌握其基本理论和基本概念，学生必须通过一定数量的实验环节来验证、巩固并加深自己对所学理论知识内容的理解。

本实验指导书共设置了六个基本实验和两个选修实验，学生根据教学大纲要求完成规定的必修实验，并尽可能地通过选修实验以及课程设计等加深对计算机组成结构的逻辑特性的理解，加深对运算器、控制器工作原理的理解，加深对计算机指令、寻址方式的设计原理、执行过程的理解。

从而提高学生对计算机组成原理、工作原理的认识程度，同时，在硬件开发环境的使用方面也将得到进一步的训练。

本实验指导书适用于本科计算机科学与技术专业或相关专业。

二. 实验环境《计算机组成原理》实验所需的硬件环境是微型计算机和专用的TEC-XP＋实验系统平台。

同时，学生应具备数字逻辑电路、汇编语言程序设计等课程的相关知识。

.三. 实验要求1. 实验注意事项⑴禁止插拔总线。

⑵禁止带电插拔，电源接通时，严禁进行任何联机操作。

⑶机器发生故障时应及时报告，不要擅做处理。

⑷不要随意修改计算机设置及参数。

2. 实验一般步骤⑴编辑汇编语言源程序、汇编生成可执行文件。

⑵关闭实验台电源。

⑶连接线路。

⑷打开实验箱电源，运行程序，观察实验结果。

⑸需要调整联机时，需在断电情况下进行。

3. 实验预习⑴学生在实验前必须仔细阅读实验指导书，查阅有关数据，复习相关基础理论，在此基础上写出实验预习报告。

实验预习报告作为正式实验报告的一部分。

⑵实验预习报告的内容包括：①实验内容的熟悉。

②实验目的的明确。

③画出实验相关的线路图或时序图或流程图。

④初步计算实验数据。

⑤编制实验应用程序。

4. 进行实验⑴学生在进行实验前，教师需检查预习报告，学生应能回答实验指导教师有关实验内容的提问。

若发现学生预习不充分或没有预习时，教师应提出批评，或令学生完成实验预习后再进行实验。

⑵学生在进行实验时，必须遵守实验室规定和操作规则，服从指导教师或实验室工作人员的指导。

计算机组成原理实验讲义爱迪克教学实验系统20010年2月24日目录实验一、实验系统介绍 (3)实验二、时序与启停实验 (4)实验三、算术逻辑运算单元实验 (5)实验四、通用寄存器单元实验 (9)实验五、存储器和总线实验 (13)实验六、堆栈寄存器实验 (16)实验七、微程序控制单元实验 (20)实验八、指令部件模块实验 (23)实验九、模型机的总体设计 (27)实验十综合实验的调试 (35)实验一、实验系统介绍一、实验目的：1、熟悉爱迪克教学实验系统的组成；2、了解该系统各个功能模块的芯片组成情况二、实验原理1、本功能模块本实验仪自身就是一个可运行的系统，整个系统采用功能模块化的设计思路，实验者可单独设计和调试各个功能模块，最终实现一个新的系统。

整个实验机提供了运算器模块、指令部件模块、堆栈寄存器模块、存储器模块、总线传输模块、微程序模块、启停和时序模块，以及用于调试和观察数据的监控模块。

2、组成结构系统采用总线结构。

本实验机的总线分为：内部、外部地址总线，内部、外部数据总线。

整个系统的各个总线都布有测试孔，以便于测试。

各模块的电源、地、地址数据总线已经按照标准连接完毕，控制信号都按各功能模块的布局引出，供实验者便定位各测试点。

3、监控模块实验者可通过监控模块来修改微程序和内存中的程序，并可以通过本机提供的液晶屏观察当前地址、当前总线上的数据和当前的微指令和一些关键寄存器的值。

4、操作方式单机方式：通过24个按健和液晶屏来编辑内存和微程序存储器中的数据，在系统运行时可监控所有关键数据。

实验者使用开关来产生二进制吗进行微程序和程序的编写。

联机方式：本系统可与PC机相连，PC机上提供了windows界面的操作软件，实验者可在PC机上进行编辑、加载、动态调试等操作。

三、实验步骤1、进行仪器使用前的测线训练；2、逐步了解仪器上的时序单元、启停单元、串口通讯、电源、算术逻辑单元、微程序控制单元、寄存器组、指令寄存器、监控单元、总线、内存等实验单元的芯片组成情况，并做好记录实验二、时序与启停实验一、实验目的1、掌握时序产生器的组成方式2、熟悉启停电路的原理3、体会新旧仪器在该实验上的不同二、实验要求按照实验步骤完成实验项目，了解程序如何开始、停止运行，用示波器观察时序，并且画出时序图。

实验一运算器实验一、实验目的：（1）结合学过的有关运算器的基本知识，掌握运算器的基木组成、工作原理。

特别是了解算术逻辑运算单元ALU的工作原理；（2）验证多功能算术单元74181、74182的运算功能;（3）熟悉掌握木实验中运算器的数据传输通路。

二、实验要求（1）预习74181、74182的工作原理及逻辑关系；（2）测量数据要求准确；（3）写出实验报告。

三、实验内容1、实验原理实验屮的运算器由两片74LS181以并/串形成8位字长的ALU构成。

运算器的输出经过一个三态门74LS245到ALUO1插座，实验时用8芯排线和内部数据总线BUSDO〜D7插座BUS 1-6中的任一个相连，内部数据总线通过LZDO〜LZD7 显示灯显示；运算器的两个数据输入端分别由二个锁存器74LS273锁存，两个锁存器的输入并联后连至插座ALUBUS,实验时通过8芯排线连至外部数据总线EXDO〜D7插座EXJ1〜EXJ3中的任一个；参与运算的数据来自于8位数据开关KD0~KD7,并经过一三态门74LS245直接连至外部数据总线EXDO〜EXD7, 通过数据开关输入的数据由LDO〜LD7显示。

算术逻辑运算功能发生器74LS181的功能控制信号S3、S2、SI、SO、CN、M并行相连后连至SJ2插座，实验时通过6芯排线连至6位功能开关插座UJ2, 以手动方式用二进制开关S3、S2、SO、CN、M来模拟74LS181的功能控制信号S3、S2、SI、SO、CN、M；其他电平控制信号也由二进制开关来模拟。

2、实验接线本实验主要用到4个主要模块：（1）低8位运算器模块；（2）数据输入并显示模块；（3）数据总线显示模块；（4）功能开关模块。

根据实验原理详细接线如下：(1)ALUBUS 连EXJ3；(2)ALUO1 连BUSI；(3)SJ2 连UJ2；(4)跳线器J23 ± T4连SD；(5)LDDR1、LDDR2、ALUB、SWB四个跳线器拨在左边(手动方式);(6)AR跳线器拨在左边，同时开关AR拨在T”电平。