组成原理实验系统简介

《计算机组成与结构》实验指导（学生用书）1.实验硬件环境简介2.运算器原理实验3.存储器工作原理实验4.简单模型机的设计与实现实验硬件环境简介一．系统构成TDN-CN计算机组成原理实验箱由八个功能模块单元构成，各功能模块的名称及包含的主要器件如表1-1所示。

表1-1TDN-CM系统构成电路名称主要电路内容运算器单元(ALUUNIT) 运算器、进位控制器、移位寄存器、寄存器堆、通道内部总线程序存储器单元(PRAMUNIT)RAM6116、地址寄存器、地址移位寄存器微控器单元(MCROCONTROLLERUNIT) 指令寄存器、指令译码器、微代码控制寄存器及其编程器、逻辅译码单元、时序电路逻辑信号测量单元两路逻辑信号PC示波器12131313131单片机控制单元（PC UNIT)控制单片机、RS-232C串口等I/O单元开关、显示灯、控制台(读写、启动、停机〉电源采用高效开关电源、输出为5V/2A、±12V/02A 系统操作器(选件〉24键键盘和8位LED显示、打印机接口二．系统主要元件配置系统中各主要功能单元所采用的器件如表1-2所示表1-2 实验板的主要元件配置名称器件型号数量运算器74LS181 2移位器74LS299 1通用寄存器74LS273 2 74LS274 3指令程序存储器SRAM6116 1 指令寄存器74LS273 1程序计数器74LS161 2时序发生器74LS175 1 74LS74 1启停控制器拨动开关 2微动开关 2 微程序控制存储器E2PROM2816 3微指令寄存器74LS273 2 74LS175 1微地址寄存器74LS74 3 编辑运行方式开三态开关 1信号源555 1 74LS123 1 电位器 2显示灯发光二极管8 机内电源|5V、±12V输出8 单片机89C51 1串行通讯接口MC1488 1 MC1489 1 9针插座 1实验用元件排线若干三．系统单元电路简介1．运算器单元（ALU UNIT）运算器电路单元由两部分组成：运算器单元（ALU UNIT）和寄存器堆单元（REG UNIT），运算器运算器电路单元位于实验板的左部，其中标有“ALU UNIT”。

计算机组成原理数据通路实验报告计算机组成原理实验报告计算机组成原理实验报告实验一基本运算器实验一、实验目的1. 了解运算器的组成结构2. 掌握运算器的工作原理3. 深刻理解运算器的控制信号二、实验设备PC机一台、TD-CMA实验系统一套三、实验原理1. (思考题)运算器的组成包括算数逻辑运算单元ALU（Arithmetic and Logic Unit）、浮点运算单元FPU（Floating Point Unit）、通用寄存器组、专用寄存器组。

①算术逻辑运算单元ALU （Arithmetic and Logic Unit）ALU主要完成对二进制数据的定点算术运算（加减乘除）、逻辑运算（与或非异或）以及移位操作。

在某些CPU中还有专门用于处理移位操作的移位器。

通常ALU由两个输入端和一个输出端。

整数单元有时也称为IEU（IntegerExecution Unit）。

我们通常所说的“CPU 是XX位的”就是指ALU所能处理的数据的位数。

②浮点运算单元FPU（Floating Point Unit）FPU主要负责浮点运算和高精度整数运算。

有些FPU还具有向量运算的功能，另外一些则有专门的向量处理单元。

③通用寄存器组通用寄存器组是一组最快的存储器，用来保存参加运算的操作数和中间结果。

④专用寄存器专用寄存器通常是一些状态寄存器，不能通过程序改变，由CPU自己控制，表明某种状态。

而运算器内部有三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，逻辑运算部件由逻辑门构成，而后面又有专门的算术运算部件设计实验。

下图为运算器内部原理构造图2. 运算器的控制信号实验箱中所有单元的T1、T2、T3、T4都连接至控制总线单元的T1、T2、T3、T4，CLR都连接至CON单元的CLR按钮。

T4由时序单元的TS4提供（脉冲信号），其余控制信号均由CON单元的二进制数据开关模拟给出。

控制信号中除T4为脉冲信号外，其余均为电平信号，其中ALU_B为低有效，其余为高有效。

解析计算机组成原理实验系统的设计与实现摘要：本文首先对系统的硬件设计进行了论述和实验，实验一起所采用的是单元式的结构，包括整个的计算机部件的单元电路，用户可以根据自己所设计的模型计算机结构方案对用户的连接方式进行改变，从而构造出结构不同、复杂程度不同的原理性计算机，用此实验对学生们进行教学指导，从而使学生能够清楚的认识到计算机的组成机构及组成系统。

本文在对计算机组成原理课程教学的基础上，掌握了相关技术，并设计和实现了计算机的组成原理实验系统。

关键词：计算机组成原理实验系统；设计与实现中图分类号：tp301-4当今时代，是商业的时代，计算机组成原理实验系统中系统的设计与实现技术并没有得到公开，然而，面对现代教学的要求，用不完善的计算机组成原理实验系统设计与实现进行实验，并不利于增强学生对计算机组成原理的认识。

针对学生的层次及自身能力的不同，一套结构简单、易于实现的组成原理实验系统的设计很有必要，不仅可以使学生对实验有更加深入的了解，同时还能培养学生学习和了解计算机的相关技术，提高自身的理论与实践结合能力。

1系统硬件的设计系统的硬件可以为学生们提供实验的平台，即原理实验仪，由单片机和构成计算机组成的微程序控制器、运算器、输入输出、存储器等基本单元模块组成。

1.1系统的硬件组成实验仪的组成部分如图1所示：图1实验仪的组成结构图实验仪的硬件是以微控制器atmel at89c52为中心，然后再配合其他的各个部件，实现对计算机组成原理的实验教学功能。

1.2mcu at89c52资源分配at89c52资源分配具有一定的标准功能，即8k字节flash闪速存储器，256字节内部ram，32个i/o口线，3个16位定时计时器，一个6量两级中断结构，单个全双工串行通信口，片内震荡及时钟电路等。

同时，at89c52可以通过静态逻辑操作降到最低的0hz，并选用两种软件进行节电的工作。

当空闲时，可以停止cpu的运行工作，但是可以允许ram、计数器、串行通信口等系统的继续工作。

TD-CMA计算机组成原理与系统结构教学实验系统价格：3980元TD-CMA计算机组成原理与系统结构教学实验系统是西安唐都科教仪器公司推出的新一代计算机组成原理与系统结构教学的实验设备，该系统与以往的产品相比，主要优点有：．采用了更为先进的计算机部件电路单元，以及更为先进的计算机整机结构设计。

．从部件到整机实验都配有数据通路图实时动态图形调试界面，且都具有单拍、单周期、连续等调试功能；通路图的调试过程也具有保存和回放功能，具有更为优秀的示教效果。

．采用VHDL语言、MAXII系列CPLD器件、以及QuartusII工具来开展设计性的实验，具有更好的实用价值。

．更为灵活、更为实用的时序发生电路和本地操作台设计。

．先进和完善的系统监测和保护电路设计，使实验平台更易于维护和使用。

一、系统的功能和特点1．先进丰富的课程内容使用实时动态图形调试实验方法，进行计算机组成原理的实验教学，比以往各种实验设备增加了并行运算器、Cache高速缓存、CPU设计、外总线接口设计、中断、DMA等实验内容，并可开展CISC、RISC、重叠、流水、超标量等先进计算机系统结构的设计和实验研究。

2．先进设计方法和开发工具采用VHDL语言、ALTREA公司最新MAXII系列CPLD器件和先进设计开发工具QUARTUS II来开展设计性的实验，具有更好的实用价值。

3．先进的实时动态图形调试方式系统为各计算机部件（运算器、存储器、控制器）分别提供了实时动态图形调试工具，使得学生可以轻松了解复杂部件的内部结构和操作方法，并可实时跟踪部件的工作状态。

在模型计算机整机调试的图形调试工具方面，系统除提供数据通路图、微程序流程图二种图形调试方式外，还增加了交互式微程序自动生成和当前微指令功能的模拟、系统调试过程的保存及回放等多种先进和实用的调试功能，这些图形调试方式及功能使得实验过程更为形象直观，好教好学，具有更为优秀的示教效果。

4．先进的运算器部件运算器部件由一片CPLD来实现，内含算术、逻辑和移位三个运算部件，其中移位运算采用桶形移位器，各部件独立并行工作，体现了主流运算器设计思想。

实验四存储系统设计实验一、实验目的本实训项目帮助大家理解计算机中重要部件—存储器，要求同学们掌握存储扩展的基本方法，能设计MIPS 寄存器堆、MIPS RAM 存储器。

能够利用所学习的cache 的基本原理设计直接相联、全相联，组相联映射的硬件cache。

二、实验原理、内容与步骤实验原理、实验内容参考：1、汉字字库存储芯片扩展设计实验1)设计原理该实验本质上是8个16K×32b 的ROM 存储系统。

现在需要把其中一个（1 号）16K×32b 的ROM 芯片用4个4K×32b 的芯片来替代，实际上就是存储器的字扩展问题。

a) 需要4 片4个4K×32b 芯片才可以扩展成16K×32b 的芯片。

b) 目标芯片16K个地址，地址线共14 条，备用芯片12 条地址线，高两位（分线器分开）用作片选，可以接到2-4 译码器的输入端。

c) 低12 位地址直接连4K×32b 的ROM 芯片的地址线。

4个芯片的32 位输出直接连到D1，因为同时只有一个芯片工作，因此不会冲突。

芯片内数据如何分配：a) 16K×32b 的ROM 的内部各自存储16K个地址，每个地址里存放4个字节数据。

地址范围都一样：0x0000～0x3FFF。

b) 4个4K×32b 的ROM，地址范围分别是也都一样：0x000～0xFFF，每个共有4K个地址，现在需要把16K×32b 的ROM 中的数据按照顺序每4个为一组分为三组，分别放到4个4K×32b 的ROM 中去。

HZK16_1 .txt 中的1～4096个数据放到0 号4K 的ROM 中，4097～8192 个数据放到 1 号4K 的ROM 中，8193～12288 个数据放到2 号4K 的ROM 中，12289～16384个数据放到3 号4K 的ROM 中。

c) 注意实际给的16K 数据，倒数第二个4K（8193～12288 个数据）中部分是0，最后4K（12289～16384 数据）全都是0。

运算器组成实验原理
运算器是计算机的关键部件之一，它负责执行各种数学和逻辑运算。

一个基本的运算器通常由算术逻辑单元（ALU）、控
制器和寄存器组成。

算术逻辑单元（ALU）是运算器的核心部件，它负责执行各
种算术和逻辑运算，如加法、减法、与、或等。

ALU通常由
一组逻辑门、加法器和寄存器组成。

逻辑门用于执行逻辑运算，如与门和或门可以实现与和或运算。

加法器用于执行加法运算，可以将两个二进制数相加并得到结果。

寄存器用于存储运算的中间结果或最终结果。

控制器是运算器的另一个重要组成部分，它负责调度和控制ALU的操作。

控制器根据指令和输入信号来确定ALU要执行
的操作，并将结果存储到相应的寄存器中。

控制器通常由逻辑电路和状态机组成，它可以根据不同的输入信号和状态来产生相应的控制信号。

寄存器是运算器中的存储设备，用于存储数据和中间结果。

寄存器可以存储一个或多个位的数据，并且可以通过地址进行读写操作。

在运算器中，寄存器主要用于存储操作数和结果。

运算器通常具有多个寄存器，以便同时执行多个运算。

总的来说，运算器的组成实验原理主要是基于逻辑门、加法器、寄存器和控制器的组合和控制。

通过合理的设计和控制，可以实现各种数学和逻辑运算，从而完成计算机的核心功能。

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。

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。