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《计算机组成原理》实验指导书唐山学院计算科学与技术实验教学中心2011年12月前言一.计算机组成原理实验的任务计算机组成原理实验是计算机组成原理课程的一部分,它的任务是:1.通过实验进一步了解和掌握计算机原理的基本概念,对CPU内部的运算功能、控制功能、总线结构、指令系统的设计和微指令的实现及CPU内部如何工作有直观、深刻的认识。2.培养学生分析问题、解决问题及动手能力。二.实验设备计算机组成原理实验所使用的设备有计算机组成原理实验系统、微型计算机,其中计算机组成原理实验系统为实验平台,主要完成运算器、存储器实验等任务;微型计算机主要用于实验辅助教学、实验软件的运行及调试等。计算机组成原理实验仪由寄存器组由R0-R3、运算单元、累加器A、暂存器W、直通/左移/右移单元、地址寄存器、程序计数器、堆栈、中断源、输入/输出单元、存储器单元、微地址寄存器、指令寄存器、微程序控制器、组合逻辑控制器、扩展座、总线插孔区、微动开关/指示灯、逻辑笔、脉冲源、20个按键、字符式LCD、RS232口组成。计算机组成原理实验仪可完成计算机组成原理中有关CPU的实验项目。所有的计算机组成原理课程实验都是在这套实验仪上完成的。三.对参加实验学生的要求1.阅读实验指导书,复习与实验有关的理论知识,明确实验目的,了解内容和方法。2.按实验指导书要求进行接线和操作,经检查和指导老师同意后再通电。3.在实验中注意观察思考,记录有关数据,并由指导教师复查后才能结束实验。4.实验后应断电,整理实验台,恢复到实验前的情况。5.认真写实验报告,按规定格式写出实验报告并分析实验结果等。字迹要清楚,结论要明确。爱护实验设备,遵守实验室纪律。*注:本实验指导书适用于计算机组成原理A课程。实验一寄存器实验一.实验目的1.了解计算机中通用寄存器R0、R1、R2、R3的结构、工作原理及其控制方法。2.完成指定数据的存储和读出。二.实验设备及器材配置1.计算机组成原理实验仪。实验线路器件包括:一片74HC32,两片74HC139,四片74HC574。2.导线。三.实验内容1.实验任务利用实验仪上的数据输入开关设定数据,并根据设定控制信号完成通用寄存器数据存储和读出。四.实验原理图实验原理图:五.实验步骤1.连线2.步骤数据写入通用寄存器:(1)将11H写入R0寄存器二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入,置数据11HK23K22K21K20K19K18K17K1600010001置控制信号为:K11(RRD)K10(RWR)K1(SB)K0(SA)1000按住CLOCK脉冲键,CLOCK由高变低,这时寄存器R0的黄色选择指示灯亮,表明选择R0寄存器。放开CLOCK键,CLOCK由低变高,产生一个上升沿,数据11H被写入R0寄存器。(2)同理将22H写入R1寄存器(3)同理将33H写入R2寄存器(4)同理将44H写入R3寄存器数据从通用寄存器读出:(1)读R0寄存器置控制信号为:K11(RRD)K10(RWR)K1(SB)K0(SA)0100这时寄存器R0的红色输出指示灯亮,R0寄存器的数据送上数据总线。此时液晶显示DBUS:1100010001.将K11(RRD)置为1,关闭R0寄存器输出.(1)同理读R1寄存器(1)同理读R2寄存器(1)同理读R3寄存器连接信号孔接入孔作用有效电平1J1座J3座将K23-K16接入DBUS[7:0]2RRDK11寄存器组读使能低电平有效3RWRK10寄存器组写使能低电平有效4SBK1寄存器选择B5SAK0寄存器选择A6RCKCLOCK寄存器工作脉冲上升沿打入六.思考1.实验完成后,仔细思考数据是如何被存储在通用寄存器中及数据是如何从通用寄存器中读出。2.为什么数据存储的时候需要时钟的上升沿,而在读数据的时候不需要时钟的上升沿。实验二运算器实验一.实验目的1.了解计算机中算术、逻辑运算单元的控制方法。2.完成指定数据的运算。二.实验设备及器材配置1.计算机组成原理实验系统。实验线路器件包括:两片74HC32,两片74HC574,一片可编程芯片EPLD。2.导线。三.实验内容利用实验仪上的数据输入开关设定数据,并根据设定控制信号将数据写入累加器A和工作寄存器W中,并用控制信号设置ALU的运算方式,实验运算器的功能。运算器由一片EPLD实现。有8种运算,通过S2、S1、S0来选择。运算数据由寄存器A及寄存器W给出,运算结果输出到直通门D。运算器八种运算表:S2S1S0功能000A+W加001A-W减010A|W或011A&W与100A+W+C带进位加101A-W-C带进位减110~AA取反111A输出A四.实验原理图实验原理图:累加器A原理图工作寄存器W原理图五.实验步骤1.连线连接信号孔接入孔作用有效电平1J1座J3座将K23-K16接入DBUS[7:0]2S0K0运算器功能选择3S1K1运算器功能选择4S2K2运算器功能选择5AENK3选通A低电平有效6WENK4选通W低电平有效7CyINK5运算器进位输入8ALUCKCLOCKALU工作脉冲上升沿打入2.步骤(1)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55HK23K22K21K20K19K18K17K1601010101置控制信号为:K5(CyIN)K4(WEN)K3(AEN)K2(S2)K1(S1)K0(S0)010000按住CLOCK脉冲键,CLOCK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CLOCK键,CLOCK由低变高,产生一个上升沿,数据55H被写入A寄存器。(2)同理将33H写入W寄存器3.验证运算器的运算结果六.思考1.实验完成后,仔细思考数据是如何被存储在累加器A和工作寄存器W中,数据又是如何完成指定的运算。2.想一想如何构建功能更加强大的运算器。实验三存储器实验一.实验目的1.了解计算机中存储器的结构、工作原理及其控制方法。2.实现存储器的读写操作。二.实验设备及器材配置1.计算机组成原理实验系统。实验线路器件包括:一片74HC32,一片74HC04,一片6116,两片74HC245。2.导线。三.实验内容利用实验仪上的数据输入开关设定数据,并根据设定控制信号完成存储器传送地址和数据的读、写操作。四.实验原理图实验原理图:存储器EM由一片6116RAM构成,通过一片74HC245与数据总线相连。存储器EM的地址可选择由PC或MAR提供。存储器EM的数据输出直接接到指令总线IBUS,指令总线IBUS的数据还可以来自一片74HC245。五.实验步骤1.连线连接信号孔接入孔作用有效电平1J2座J3座将K23-K16接入DBUS[7:0]2PCOEK5PC输出地址低电平有效3MAROEK4MAR输出地址低电平有效4MARENK3MAR写允许低电平有效5EMENK2存储器与数据总线相连低电平有效6EMRDK1存储器读允许低电平有效7EMWRK0存储器写允许低电平有效8PCCKCLOCKPC工作脉冲上升沿打入9MARCKCLOCKMAR工作脉冲上升沿打入10EMCKCLOCK存储器写脉冲上升沿打入2.步骤(1)PC/MAR输出地址选择置控制信号为:K5(PCOE)K4(MAROE)地址总线红色地址输出指示灯01PC输出地址PC地址输出指示灯亮10MAR输出地址MAR地址输出指示灯亮11地址总线浮空00错误,PC及MAR同时输出PC及MAR地址输出指示灯亮理解总线冲突的概念,以下存贮器EM实验均由MAR提供地址。(2)存储器EM写将地址0写入MAR二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入,置数据00HK23K22K21K20K19K18K17K1600000000置控制信号为:K5(PCOE)K4(MAROE)K3(MAREN)K2(EMEN)K1(EMRD)K0(EMWR)110111按CLOCK键,将地址0写入MAR将地址11H写入EM[0]二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入,置数据11HK23K22K21K20K19K18K17K1600010001置控制信号为:K5(PCOE)K4(MAROE)K3(MAREN)K2(EMEN)K1(EMRD)K0(EMWR)111010按CLOCK键,将地址11H写入EM[0]同理,将地址01H写入MAR,将地址22H写入EM[1]。(3)存储器EM读将地址0写入MAR二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入,置数据00HK23K22K21K20K19K18K17K1600000000置控制信号为:K5(PCOE)K4(MAROE)K3(MAREN)K2(EMEN)K1(EMRD)K0(EMWR)110111按CLOCK键,将地址0写入MAR读EM[0]置控制信号为:K5(PCOE)K4(MAROE)K3(MAREN)K2(EMEN)K1(EMRD)K0(EMWR)111101EM[0]被读出:11H同样的方法,将地址01H写入MAR,读EM[1]:22H。五.思考1.实验完成后,仔细思考存储器是如何读写数据的。2.深刻理解总线冲突的含义。实验四PC实验一.实验目的1.了解计算机中累加器A的结构、工作原理及其控制方法。2.完成指定数据的存储。二.实验设备及器材配置1.计算机组成原理实验系统。实验线路器件包括:两片74HC161,两片74HC245,一片74HC151。2.导线。三.实验内容利用实验仪上的数据输入开关设定数据,并根据设定控制信号完成PC数据的预置和加一。四.实验原理图实验原理图:PC原理图当RST=0时,PC记数器被清0当LDPC=0时,在CK的上升沿,预置数据被打入PC记数器当PC+1=1时,在CK的上升沿,PC记数器加一当PCOE=0时,PC值送地址总线PC打入控制原理图PC打入控制电路由一片74HC151八选一构成。ELPIR3IR2CyZLDPC1XXXX10001X00000X1001X10001X0101XXX0当ELP=1时,LDPC=1,不允许PC被预置当ELP=0时,LDPC由IR3,IR2,Cy,Z确定当IR3IR2=1X时,LDPC=0,PC被预置当IR3IR2=00时,LDPC=非Cy,当Cy=1时,PC被预置当IR3IR2=01时,LDPC=非Z,当Z=1时,PC被预置五.实验步骤1.连线连接信号孔接入孔作用有效电平1J2座J3座将K23-K16接入DBUS[7:0]2PCOEK5PC输出到地址总线低电平有效3JIR3K4预置选择14JIR2K3预置选择05JRZK2Z标志输入6JRCK1C标志输入7ELPK0预置允许低电平有效8PCCKCLOCKPC工作脉冲上升沿打入2.步骤PC加一置控制信号为:K5(PCOE)K0(ELP)01按一次CLOCK脉冲键,CLOCK产生一个上升沿,数据PC被加一。PC预置数据二进制开关K23-K16用于DBUS[7:0]的数据输入,置数据12HK23K22K21K20K19K18K17K1600010010置控制信号为:ELP(K5)IR3(K4)IR2(K3)JRZ(K1)JRC(K0)LDPC黄色PC预置指示灯1XXXX1灭000X10亮000X01灭0011X0亮0010X1灭01XXX0亮每置控制信号后,按一下CLOCK键,观察PC的变化。六.思考实验完成后,仔细思考PC是如何预置数据和进行加一的。实验五微程序控制器实验一.实验目的1.了解计算机中微程序控制器的工作原理。2.了解微程序控制器下,计算机是如何执行指令的。二.实验设备及器材配置1.计算机组成原理实验系统。2.串口线。三.实验内容设计一段程序,在微程序控制器下,了解计算机是如何执行指令的。四.实验原理COP2000模型机包括了一个标准CPU所具备所有部件,这些部件包括:运算器ALU、累加器A、工作寄存器W、左移门L、直通门D、右移门R、寄存器组R0-R3、程序计数器PC、地址寄存器MAR、堆栈寄存器ST、中断向量寄存器IA、输入端口IN、输出端口寄存器
本文标题:计算机组成原理实验指导书
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