计算机组成与结构实验指导(学生)

《计算机组成与结构》实验指导（学生用书）康磊李润洲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”。

运算器单元（ALU UNIT）由以下几部分的组成（1）数据暂存器：由两个位寄存器DR1和DR2组成；（2）8位ALU：由两片74LS181串联而成；（3）8位的移位寄存器：由一片74LS299实现（4）三态缓冲输出：由三门74LS245通过排线将8位ALU的输出连接到数据总线；（5）进位标志和零标志控制电路：由通用阵列逻辑GAL和74LS74实现（6）进位标志和为零标志指示灯寄存器单元（REG UNIT）的组成由3片LS374分别组成3个8位的寄存器，这三个寄存器的输入已连接至总线，而输出共用一个RJ1引出，待用排线连至总线。

2．存贮器单元（PRAM UNIT）程序存贮单元位于实验板的中部，其中标有“PRAM UNIT”，它包括程序存贮器SRAM、地址寄存器AR、程序计数器PC及位地址显示灯。

单元中程序计数器、地址寄存器的输入已接至总线，而程序计数器的输出排针ADJ6及程序存贮器的输出排针ADJ5待用排线接至总线。

3．指令寄存器单元（INS UNIT）指令寄存器单元位于实验板的右下部，其中标有“INS UNIT”，由一片74LS273构成，构成模型机时用它作为指令译码器电路的输入，实现程序跳转控制。

4．时序电路单元（STATE UNIT）时序控制单元位于实验板的右上部方，标有“STATE UNIT”，其电路由四部分组成：消抖电路（KK1）、时序控制（TS1、TS2、TS3、TS4）、时钟信号源（φ）、拔动二进制开关组（STOP、STEP）。

使用时只须将φ与信号源输出的插孔相连，然后按动START （KK1）根据STOP及STEP的状态，T1到T4将输出有规则的方波信号。

5．微程序控制电路（MICRO-CONTROL UNIT）微程序控制电路的功能比较复杂，这里只介绍其实现的基本功能，在微程序控制器工作原理实验（实现三）中会对其内部结构作详细的说明。

微程序控制电路的主要功能是：首先根据每条指令的功能，安排其执行的各步骤，每一个步骤对应一个微指令，编写微程序并将其写入到控制存贮器2816E2PROM中，在程序执行时微程序控制电路接受机器指令的操作码，使控制转向相应机器指令对应微程序的首条微指令，再通进过由CLK引入的时序节拍脉冲的控制，来对微指令依次读出。

实验板上的MICRO CONTROLLER单元中的MD0-MD23共24位显示灯显示的状态即为从控存中读出的微指令。

然后，其中几位再经过译码，一并产生实验板所需的控制信号，将它们加到数据通路中的相应的控制位，来对该条机器指令的功能进行解释和执行。

当该条机器指令执行完毕后，再取出下一条机器指令的操作码来执行其对应的微程序……这样周而复始，就可以实现机器指令程序的运行。

四．系统布局图T D N -C M 系统布局图实验一运算器原理一.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；3．进位标志的设置实验二．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.验证算术逻辑运算器74LS181的组合功能（1）数据通路①本次实验所用的运算器数据通路如图l-1所示。

图1-1 运算器数据通路（2）实验控制信号的连接：在图1-1中中己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：①T4为脉冲信号；由于实验电路中的时序信号均已连至"JT UNIT"的相应时序信号引出端；因此；在进行实验时；只需将"JT 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。

②S3、S2、sl、s0、Cn、M、IDDR1、LDDR2、ALU-B、SW-B均为电平信号；各电平由“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）实验接线图如图1-2所示。

图1-2 实验接线图（3）验证74LS181的算术运算的逻辑运算功能（采用正逻辑）在给定DR1=65H，DR2=A7H的情况下，改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，填入下表中，并和理论分析进行比较、验证：2．进位标志的控制实验（1）数据通路图进位控制运算器的实验原理如图1-3所示，与图1-1不同的是在高位74LS181的进位控制信号CN+4的输出端加入了一个74LS74锁存器，控制信号CN+4在电平信号AR的脉冲信号T4的作用下可锁存到74LS74，作为进位标志CY，CY的状态可由发光二极管显示（二极管亮时表示进位标志为0，无进位；二极管灭时表示进位标志为0，无进位）。

图1-3 进位标志控制实验数据通路图（2）实验步骤：①按图1-4连接好实验线路，仔细检查无误后，接通电源。

（在验证运算功能发生器的实验连线的基础上只增加了AR控制信号）请注意CN信号的连接。

图1-4 进位标志控制实验接线图②验证带进位运算及进位锁存功能用实验板计算78+44，并将运算结果和进位信号CY与理论值进行比较四、实验报告1．分析数据通路图的特点。

2．对实验过程中的数据进行记录并与理论值进行比较。

五、思考题1．在实验过程中如何确定数据是否存入DR1、DR2?2．如何确定数据指示灯所显示的内容是哪个部件的?实验二存储器工作原理一.实验目的1.掌握静态随机存储器SRAM的工作特性；2.掌握SRAM的数据读写方法。

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．数据通路本实验所采用的数据通路如图2-1所示，实验中的静态存储器由下片6116（2K*8）构成，其数据线直接连接至数据总线，地址线由地址锁存器（74LS273）给出。

地址指示灯AD0—AD7与地址线相连，用来显示地址线内容。

数据开关经三态门（74LS245）连至数据总线，用于分时传送地址和数据。

图2-1 存储器实验数据通路图2．实验原理6116的总容量为2KB，共11根地址线。

但在本实验中，将其高三位A8—A10接地，而将低8位地址送入地址锁存器，所以6116的实际容量为256节。

6116的主要控制信号有三个：CE（片选）、OE（输出使能）、WE（写线）。

在本实验中将OE信号接地，在CE和OE信号的控制下6116所进行的操作如表2—1所示：实验时将T3脉冲接至实验板上时序电路模块的TS3相应插孔中，其脉冲宽度可调节，其客观存在电平控制信号由“SWITCH UNIT”单元的二进制开关模拟，其是SW—B为低电平有效，LDAR为高电平有效。

3．实验步骤（1）连接实验线路按图2-2连接实验线路，仔细检查无误后接通电源。

图2-2 存储器实验接线图（2）给存储器6116的00、02、01、03、04地址单元中分别写入数据11、12、13、14、15。

（3）从SRAM中读出数据依次读出从00—04号单元的内容，观察上述各单元中的内容是否与前面写入的一致。

四、实验报告1．分析运算器数据通路的特点。

2．分析数据写入时数据通路各控制信号的如何给出？3．分析数据读出时数据通路各控制信号的如何给出？实验三简单模型机的设计与实现一、实验目的1．掌握指令格式、寻址方式、指令系统的设计。

2．掌握微程序控制器的设计方法，进一步理解微指令、微周期、微地址等基本概念。

3．理解时序信号和微命令作用下，数据通路的形成过程，建立单机系统的整机概念。

二、实验设备TDN-CM计算机组成原理实验系统一套，排线若干。

三、实验内容1．分析模型机的硬件设计，包括运算器、存储器、总线、微程序控制器、时序电路、指令译码电路、微地址转移逻辑。

2．设计模型机的指令系统，包括指令格式、指令类型、寻址方式等。

3．按模型机的时序及数据通路，写出指令的微程序流程并安排设计微地址。

4．将微程序写入控制存储器，编写简单机器指令程序并调试运行。

四、实验原理1．数据通路模型机数据通路设计如图1所示。

图1 数据通路框图图2 时序产生电路2．时序产生电路模型机采用节拍电位和节拍脉冲两级时序体制作为微操作信号的定时信号，4个节拍脉冲构成一个微周期。

时序产生电路如图2所示。

图2左半部分为4个等间隔节拍脉冲TS1-TS4的产生电路，Φ为时钟信号源输入端。

实验箱内部电路能够产生连续的方波脉冲，并可通过实验台右上方的输出端H23或H24引出。

实验中，只需将H23或H24连到Φ就可以产生节拍脉冲TS1-TS4。

图2右半部分为启停控制电路，四个控制信号STEP（单步）、STOP（停机）、CLR（总清0）和START（启动）的功能如表1所示。

表1 启停控制电路功能表信号STEP和STOP可由实验台上方中部的模拟开关拨动控制，START信号可由实验台上方中部的微动开关按键产生，CLR信号则可由实验台右下方的模拟开关拨动控制。

当STOP置为“RUN”状态，STEP置为“EXEC”状态，CLR 置“1”时，按动START后，TS1-TS4端产生的时序信号波形如图3所示。

图3 时序信号时序信号配合下的模型机数据通路见图4。

3．微程序控制电路及微指令格式（1） 微程序控制电路微程序控制器组成如图5所示，其中，控制存储器由3片2816E 2PROM 构成，能够写入、读出信息，并具有掉电保护功能。

微命令寄存器24位，由2片8D 触发器（273）和1片4D 触发器（175）构成，其输出直接产生或经3-8译码器译码后形成微操作控制信号。

微地址寄存器6位，用三片正沿触发的双D 触发器（74）组成，它们带有清“0”端和置位端。

当CLR （总清0）信号为“0”时，微命令寄存器和微地址寄存器同时清0。

当CLR 为“1”时，控制存储器送出的微指令中，操作控制字段及判别测试字段在T2时刻被打入微命令寄存器，直接或经3-8译码器译码后产生微操作控制信号；下址字段被打入微地址寄存器，经三态缓冲器（245）控制后在微地址显示灯上显示出来。

在不判别测试的情况下，打入微地址寄存器的下址字段内容即为下一条要执行微指令的地址。