计算机组成原理全部实验

计算机科学技术系王玉芬2012年11月3日《计算机组成原理实验》自编讲义2基础实验部分该篇章共有五个基础实验组成，分别是：实验一运算器实验实验二存储器实验实验三数据通路组成与故障分析实验实验四微程序控制器实验实验五模型机CPU组成与指令周期实验《计算机组成原理实验》自编讲义3实验一运算器实验运算器又称作算术逻辑运算单元（ALU），是计算机的五大基本组成部件之一，主要用来完成算术运算和逻辑运算。运算器的核心部件是加法器，加减乘除运算等都是通过加法器进行的，因此，加快运算器的速度实质上是要加快加法器的速度。机器字长n位，意味着能完成两个n位数的各种运算。就应该由n个全加器构成n位并行加法器来实现。通过本实验可以让学生对运算器有一个比较深刻的了解。一、实验目的1．掌握简单运算器的数据传输方式。2．掌握算术逻辑运算部件的工作原理。3.熟悉简单运算器的数据传送通路。4.给定数据，完成各种算术运算和逻辑运算。二、实验内容：完成不带进位及带进位的算术运算、逻辑运算实验。总结出不带进位及带进位运算的特点。三、实验原理：1.实验电路图图4-1运算器实验电路图2.实验数据流图图4-2运算器实验数据流图3.实验原理运算器实验是在ALUUNIT单元进行；单板方式下，控制信号，数据，时序信号由实验仪的逻辑开关电路和时序发生器提供，SW7－SW0八个逻辑开关用于产生数据，并发送到总线上；系统方式下，其控制信号由系统机实验平台可视化软件通过管理CPU来进行控制，SW7－SW0八个逻辑开关由可视化实验平台提供数据信号。（1）DR1，DR2：运算暂存器，（2）LDDR1：控制把总线上的数据打入运算暂存器DR1，高电平有效。（3）LDDR2：控制把总线上的数据打入运算暂存器DR2，高电平有效。（4）S3，S2，S1，S0：确定执行哪一种算术运算或逻辑运算（运算功能表见附录1或者课本第49页）。（5）M：M＝0执行算术操作；M＝1执行逻辑操作。（6）/CN：/CN＝0表示ALU运算时最低位加进位1；/CN＝1则表示无进位。（7）ALU－BUS：控制运算器的运算结果是否送到总线BUS，低电平有效。（8）SW－BUS：控制8位数据开关SW7－SW0的开关量是否送到总线，低电平有效。四、实验步骤：实验前首先确定实验方式（是手动方式还是系统方式），如果在做手动方式实验则将方式选择开关置手动方式位置（31个开关状态置成单板方式）。实验箱已标明手动方式和系统方式标志。所有的实验均由手动方式来实现。如果用系统方式，则必须将系统软件安装到系统机上。将方式标志置系统模式位置。学生所做的实验均在系统机上完成。其中包括高ALUDR1DR2LDDR1T4LDDR2T4S1S2M0S0CNS3《计算机组成原理实验》自编讲义6低电平的按钮开关信号输入，状态显示均在系统机上进行。下面实验以手动方式为例进行。我们相信学生在手动方式下完成各项实验后，进入系统方式会变的更加得心应手。具体步骤如下：1．实验前应将MF－OUT输出信号与MF相连接。2．如果进行单板方式状态实验，应将开关方式状态设置成单板方式；同时将位于EDA设计区一上方P0K开关设置成手动方式位置，P1K，P2K开关位置均设置成手动方式位置。3．如果进行系统方式调试，则按上述方式相反状态设置。4．频率信号输出设置：在CPU1UNIT区有四个f0-f4状态设置，在进行实验时应保证f0-f4四个信号输出只能有一个信号输出，及f0-f4只有一开关在On的位置。5．不管是手动方式还是系统方式，31个按钮开关初始状态应为“1”即对应的指示灯处于发光的状态。6．位于UPCUNIT区的J1跳线开关应在右侧状态。说明：开关AL－BUS；SW－BUS标识符应为“/AL-BUS;/SW-BUS”注意事项：AL－BUS；SW－BUS不能同时按下；因为同时按下会发生总线冲突，损坏器件。实验前把TJ，DP对应的逻辑开关置成11状态（高电平输出），并预置下列逻辑电平状态：/ALU－BUS＝1，/PC－BUS＝1，R0－BUS＝1，R1－BUS＝1，R2－BUS＝1时序发生器处于单拍输出状态，实验是在单步状态下进行DR1，DR2的数据写入及运算，以便能清楚地看见每一步的运算过程。实验步骤按表1进行。实验时，对表中的逻辑开关进行操作置1或清0，在对DR1，DR2存数据时，按单次脉冲P0（产生单拍T4信号）。表1中带X的为随机状态，无论是高电平还是低电平，它都不影响运算器的运算操作。总线D7－D0上接电平指示灯，显示参与运算的数据结果。表中列出运算器实验任务的步骤同表4相同，16种算术操作和16种逻辑操作只列出了前面4种，其它实验步骤同表4相同。带“↑”的地方表示需要按一次单次脉冲P0，无“↑”的地方表示不需要按单次脉冲P0。《计算机组成原理实验》自编讲义7表1运算器实验步骤与显示结果表S3S2S1S0M/CnLDDR1LDDR2SW→BUSAL→BUSSW7―SW0D7－D0P0注释XXXXXX000155H55HXXXXXX0001AAHAAHXXXXXX100155H55H↑向DR1送数XXXXXX0101AAHAAH↑向DR2送数11111X0010XXH55H读出DR1数10101X0010XXHAAH读出DR2数XXXXXX1001AAHAAH↑向DR1送数XXXXXX010155H55H↑向DR2送数0000010010XXHAAH算术运算0000000010XXHABH算术运算00001X0010XXH55H逻辑运算0001010010XXHFFH算术运算0001000010XXH00H算术运算00011X0010XXH00H逻辑运算0010010010XXHAAH算术运算0010000010XXHABH算术运算00101X0010XXH55H逻辑运算0011010010XXHFFH算术运算0011000010XXH00H算术运算00111X0010XXH00H逻辑运算《计算机组成原理实验》自编讲义8注意：运算器实验时，把与T4信号相关而本实验不用的LDR0，LDR1，LDR2接低电平，否则影响实验结果。其它注意事项：进行系统方式实验时应注意如下几点：实验前应将MF-OUT输出信号与MF相连接。1、检查通讯电缆是否与计算机连接正确。2、开关方式状态应置成系统方式；（31个开关）。3、P0K、P1K、P2K都置成系统方式；4、信号连接线必须一一对应连接好。即在实验机左上方的信号接口与实验机右下方的信号接口分别一一对应连接。左上方右下方地址指针―――――――――――地址指针地址总线―――――――――――地址总线（在实验机右侧中部）数据总线―――――――――――数据总线（在实验机右侧中部）运算暂存器DR1―――――――――运算暂存器DR1运算暂存器DR2―――――――――运算暂存器DR2微地址―――――――――――――微地址检查完毕可以通电；注意事项：1、计算机屏幕上所有的按钮与实验机上的按钮完全对应。2、在做实验时，要保证总线不发生冲突。即对总线操作时只有一个操作状态有效。3、运算器、存储器、数据通路，三个实验按操作步骤操作即可《计算机组成原理实验》自编讲义9实验二、存储器实验一、实验目的1.掌握存储器的数据存取方式。2.了解CPU与主存间的读写过程。3.掌握半导体存储器读写时控制信号的作用。二、实验内容：向RAM中任一存储单元存入数据；并读出任一单元的数据。三、实验原理1.实验电路（见下图）2.实验原理存贮器实验电路由RAM（6116），AR（74LS273）等组成。SW7－SW0为逻辑开关量，与产生地址和数据；寄存器AR输出A7－A0提供存贮器地址，通过显示灯可以显示地址，D7－D0为总线，通过显示灯可以显示数据。当LDAR为高电平，SW－BUS为低电平，T3信号上升沿到来时，开关SW7－SW0《计算机组成原理实验》自编讲义10产生的地址信号送入地址寄存器AR。当CE为低电平，WE为高电平，SW－BUS为低电平，T3上升沿到来时，开关SW7－SW0产生的数据写入存贮器的存贮单元内，存贮器为读出数据，D7－D0显示读出数据。实验中，除T3信号外，CE，WE，LDAR，SW－BUS为电位控制信号，因此通过对应开关来模拟控制信号的电平，而LDAR，WE控制信号受时序信号T3定时。四、实验步骤（在完成一个实验后，应将所有的信号状态置成“1”高电平状态）实验前将TJ，DP对应的逻辑开关置成11状态（高电平输出），使时序发生器处于单拍输出状态，每按一次P0输出一拍时序信号，实验处于单步状态，并置ALU－BUS＝1。实验步骤按表2进行，实验对表中的开关置1或清0，即对有关控制信号置1或清0。表格中只列出了存贮器实验步骤中的一部分，即对几个存贮器单元进行了读写，其它单元的步骤同表格相同。表中带－的地方表示需要按一次单次脉冲P0。注意：表中列出的总线显示D7－D0及地址显示A7－A0，显示情况是：在写入RAM地址时，由SW7－SW0开关量地址送至D7－D0，总线显示SW7－SW0开关量，而A7－A0则显示上一个地址，在按P后，地址才进入RAM，即在单次脉冲（T3）作用后，A7－A0同D7－D0才显示一样。表2存贮器实验步骤显示结果表SW→BULDARCEWESW7－SW0D7－D0P0A7－A0注释011100H00H↑00H地址00写入AR000100H00H↑00H数据00写入RAM011110H10H↑10H地址10写入AR000110H10H↑10H数据10写入RAM011100H00H↑00H地址00写入AR100000H00H↑00H读RAM011110H10H↑10H地址10写入AR100010H10H↑10H读RAM011140H40H↑40H地址40写入AR0001FFHFFH↑40H数据FF写入RAM《计算机组成原理实验》自编讲义11011142H42H↑42H地址42写入AR000155H55H↑42H数据55写入RAM011144H44H↑44H地址44写入AR0001AAHAAH↑44H数据AA写入RAM011140H40H↑40H地址40写入AR100040HFFH↑40H读RAM内容011142H42H↑42H地址42写入AR100042H55H↑42H读RAM内容011144H44H↑44H地址44写入AR100044HAAH↑44H读RAM内容说明：实验机中符号“CE”；当CE信号为“0”低电平时，表示存储器6264的数据输入为有效状态。《计算机组成原理实验》自编讲义12实验三、数据通路组成与故障分析实验一、实验目的熟悉计算机的数据通路掌握数据运算及相关数据和结果的存储的工作原理二、实验内容：利用sw0-sw7数据输入开关向DR1、DR2预置数据，做运算后将结果存入RAM，并实现任一单元的读出。例如：将数据做如下操作44H+AAH=EEH结果放在RAM的AAH单元44H⊕EEH=AAH结果放在RAM的ABH单元三、实验原理：1.实验电路2.实验原理数据通路实验是将前面进行过的运算器实验模块和存贮器实验模块两部分电路连在一起组成的。原理图见图7。实验中，除T4，T3信号外，所有控制信号为电平控制信号，这些信号由逻辑开关来模拟，其信号的含义与前两个实验相同。我们按图7进行实验。四、实验步骤（在完成一个实验后，应将所有的信号状态置成“1”高电平状态）实验前将TJ，DP开关置11，使时序发生器处于单拍状态，按一次P时序信号输出《计算机组成原理实验》自编讲义13一拍信号，使实验为单步执行。实验步骤见表3。表3数据通路实验过程表SW→BUSALU→BUSCEWELDARLDDR1LDDR2S3S2S1S0M/CNSW7→SW0A7－A0D0－D7单次按钮P注释0111010XXXXX144HXXXX44H↑44H存入DR1011X001XXXXX1AAHXXXXAAH↑AAH存入DR2101X000111011XXHXXXXEEHDR1+DR2＝EEH(或运算)101X001111011XXHXXXXEEH↑EEH存入DR2101X