合肥工业大学计算机组成原理实验报告

实验一基本运算器实验一、实验目的了解运算器的组成结构；掌握运算器的工作原理。二、实验内容1、连线说明：ALU单元：S0..S3(JP18)——开关区单元：K20..K23(JP89)ALU单元：Wa、wB、rALU、CN_I(JP19)——开关区单元：K15..K12(JP92)ALU单元：ALU_D0..ALU_D7(JP25)——扩展区单元：JP62ALU单元：IN0..IN7(JP22)——开关区单元：K0..K7(JP97)2、打开实验仪电源，按CON单元的nRST按键，将ALU的A、B、FC、FZ、FS、I清零；如果EXEC键上方指示灯不亮，请按一次EXEC键，点亮指示灯，表示实验仪在运行状态。3、给暂存器A赋初值（1）拨动开关区单元的K7..K0开关，形成二进制数01011000（或其它值）；指示灯亮，表示该位是‘1’，灭为‘0’。（2）拨动开关区单元K15(wA)、K14(wB)、K13(rALU)、K12(CN_I)开关，赋wA=0（允许写A）、wB=1（禁止写B）、rALU=1(不允许ALU输出)、CN_I=0，按CON单元的STEP按键一次,产生一个T1的下降沿，将二进制数01011000写入暂存器A中，ALU单元的A_7…A_0LED上显示A中的值4、给暂存器B赋初值（1）拨动开关区单元的K7..K0开关，形成二进制数10101011（或其它值）。（2）赋wA=1（禁止写A）、wB=0（允许写B）、rALU=1(不允许ALU输出)、CN_I=0，按CON单元的STEP按键一次,产生一个T2的下降沿，将二进制数10101011写入暂存器B中，ALU单元的R_7…R_0LED上显示B中的值5、赋wA=1（禁止写A）、wB=1（禁止写B）、rALU(K10)=0,按uSTEP键，进入T3节拍，节拍DS169DS168T1、T2、T3无效（T1=0、T2=0、T3=0）00T1（T1=1、T2=0、T3=0）01T2（T1=0、T2=1、T3=0）10T3（T1=0、T2=0、T3=1）11说明：1-亮；0-灭当rALU(K13)=0，如果S3S2S1S0的值是0000时，T2、T3节拍时，允许ALU结果输出；S3S2S1S0的值是其它数值，T3节拍时，允许ALU结果输出，显示于扩展区的二位数码管、DS94..DS101的LED上。6、根据后边的“运算结果表”，改变K20（S0）、K21（S1）、K22（S2）、K23（S3）、K12（CN_I）的值，观察并记录运算器的输出。例如：S0=0，S1=0，S2=0，S3=0，ALU的D7_D0=58H；FC、FZ、FS、I不变。注意：只有按CON单元的STEP按键一次，产生一个T3的下降沿，ALU才将标志位FC、FZ、FS、I写入标志寄存器PSW中，才能在ALU单元的FZ、FC、FS、I指示灯上看到结果。如果实验仪、PC联机操作，则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果，方法是：打开软件，在星研软件的工具条中选择“运算器实验”，打开运算器实验的数据通路图。进行上面的手动操作，点击工具条上单节拍或单周期命令图标，数据通路图会反映当前运算器所做的操作。三、实验结果及分析运算结果表运算类型ABS3S2S1S0CN_I结果逻辑运算58AB00000ALU=（58）FC=（0）FZ=（0）FS=(0)58AB00001ALU=（AB）FC=（0）FZ=（0）FS=(0)58AB0001XALU=（FB）FC=（0）FZ=（0）FS=(0)0010XALU=（08）FC=（0）FZ=（0）FS=(0)0011XALU=（F3）FC=（0）FZ=（0）FS=(0)0100XALU=（A7）FC=（0）FZ=（0）FS=(0)移位运算01010ALU=（0B）FC=（0）FZ=（0）FS=(0)01011ALU=（2C）FC=（0）FZ=（0）FS=(0)01100ALU=（2C）FC=（0）FZ=（0）FS=(0)0110(FC=0)1ALU=（2C）FC=（0）FZ=（0）FS=(0)0110(FC=1)ALU=（AC）FC=（0）FZ=（0）FS=(0)01110ALU=（B0）FC=（1）FZ=（0）FS=(0)0111(FC=0)1ALU=（B0）FC=（0）FZ=（0）FS=(0)0111(FC=1)ALU=（B1）FC=（1）FZ=（0）FS=(0)算术运算10000ALU=（03）FC=（0）FZ=（0）FS=(0)1000(FC=0)1ALU=（03）FC=（0）FZ=（0）FS=(0)1000(FC=1)ALU=（04）FC=（1）FZ=（0）FS=(0)10010ALU=（AD）FC=（0）FZ=（0）FS=(0)1001(FC=0)1ALU=（AD）FC=（0）FZ=（0）FS=(0)1001(FC=1)ALU=（AC）FC=（1）FZ=（0）FS=(0)10100ALU=（59）FC=（1）FZ=（0）FS=(0)1ALU=（58）FC=（1）FZ=（0）FS=(0)1011XALU=（57）FC=（1）FZ=（0）FS=(0)其它1100XFC=（1）1101XEI=（0）四、思考题１．本实验系统中Ａ寄存器的写入在什么时刻进行？Ｂ寄存器的写入在什么时刻进行？能否在一个机器周期内将Ａ、Ｂ寄存器写入不同的数据？答：①按住STEP，CK由高变低，寄存器A的黄色灯亮，表明选择A寄存器。放开STEP，CK由低变高，产生上升沿，数据55H被写入A寄存器。②按住STEP，CK由高变低，寄存器B的黄色灯亮，表明选择B寄存器。放开STEP，CK由低变高，产生上升沿，数据33H被写入B寄存器。③不允许在一个机器周期内将Ａ、Ｂ寄存器写入不同的数据。２．本实验系统中ＡＬＵ的求补功能与８０８６ＣＰＵ的求补指令功能是否相同？答：本实验系统中ＡＬＵ可对8位位变量进行逻辑“AND”、“OR”、“XOR”循环、求补、清零等基本操作，还可以进行加、减、乘、除等基本运算。而8086处理器的逻辑运算是16位。实验二存储器实验1、实验目的1、掌握简单运算器的数据传送组成原理。2、验证算术逻辑运算功能发生器74LS181的组合功能。二、实验原理1、总线原理：由于本系统内使用8根地址线，8根数据线，所以使用1拍你74LS255作为数据总线，另一片74LS244作为地址总线，总线把整个系统分为内部数据、地址总线和外部数据、地址总线，由于数据总线需要进行由内、外部数据交换，所以由BUS信号来控制数据流向，当BUS=1时数据由内到外，当BUS=0时，数据由外到内。2、由于本系统内使用8根地址线，8位数据线，所以6264的A8~A12接地，其实际容量为256,6264的数据、地址总线已经接在总线单元的外部总线上。存储器有3个控制信号：地址总线设置存储地址，RM=0时，把存储器中的数据读出到总线上；当WM=0，并且EMCK有一个上升沿，把外部总线上的数据写到存储器中。图7-6-1存储器实验原理图实验所用的半导体静态存储器电路原理如图7-6-1所示，该静态存储器由一片6116(2Kx8)构成，其数据线(D7~D0)以8芯扁平线方式和数据总线(D7~D0)相连接，地址线由地址锁存器(74LS273)给出，该锁存器的输入/输出通过8芯扁平线分别连至数据总线接口和存储器地址接口。地址显示单元显示AD7~AD0的内容。数据开关经一三态门(74LS245)以8芯扁平线方式连至数据总线接口，分时给出地址和数据。6116有3根控制线：CS（片选线）、OE（读线）、WR（写线）。当片选有效CS=0时，OE=0时进行读操作，WR=0时进行写操作。本实验中将OE引脚接地，在此情况下，当CS=0、WR=1时进行读操作，CS=0、WR=0时进行写操作，其写时间与T3脉冲宽度一致。实验时T3脉冲由【单步】命令键产生，其它电平控制信号由二进制开关模拟，其中CE、SW-B、LDAR为高电平有效，而WE为读/写(W/R)控制信号，当WE=0时进行读操作，当WE=1时进行写操作。图7-6-2实验连线示意图按图7-6-2所示，连接实验电路：①总线接口连接：用8芯扁平线连接图7-6-2中所有标明“”或“”或“”图案的总线接口。②控制线与时钟信号“”连接：用双头实验导线连接图7-6-2中所有标明“”或“”图案的插孔（注：Dais-CMH的时钟信号已作内部连接）。在闪动的“P.”状态下按动【增址】命令键，使LED显示器自左向右第4位显示提示符“L”，表示本装置已进入手动单元实验状态。（若当前处“L”状态，本操作可略）。(一)内部总线数据写入存储器给存储器的00、01、02、03、04地址单元中分别写入数据11、12、13、14、15，具体操作步骤如下（以向00地址单元写入数据11为例）：注:【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍单周期脉冲(二)读存储器的数据到总线上依次读出第00、01、02、03、04号单元中的内容，观察上述各单元中的内容是否与前面写入的一致。具体操作步骤如下（以从00地址单元读出数据11为例）：注:【单步】键的功能是启动时序电路产生T1~T4四拍单周期脉冲三、实验结果及分析实验所得结果与理论分析结果基本一致。四、思考题1．本实验系统中所使用的存储芯片６１１６的容量有多大？系统中实际可访问的空间是多大？答：①存储器6116芯片容量2K*8位。②实际可访存空间：2K。２．本实验系统中存储器的读写控制信号如何得到的？它们各自在什么时候有效？答：①在CS=0下，OE=0时进行读操作，WR=0时进行写操作。②OE引脚接地下，当CS=0、WR=1时进行读操作，CS=0、WR=0时进行写操作，其写时间与T3脉冲宽度一致。③实验时T3脉冲由【单步】命令键产生，其它电平控制信号由二进制开关模拟，其中CE、SW-B、LDAR为高电平有效，而WE为读/写(W/R)控制信号，当WE=0时进行读操作，当WE=1时进行写操作。实验三系统总线和具有基本输入输出功能的总线接口实验一、实验目的1、理解总线的概念及其特性。2、掌握控制总线的功能和应用。二、实验内容由于存储器和输入、输出设备最终是要挂接到外部总线上，所以需要外部总线提供数据信号、地址信号以及控制信号。在该实验平台中，外部总线分为数据总线、地址总线和控制总线，分别为外设提供上述信号。外部总线和CPU内总线之间通过三态门连接，同时实现了内外总线的分离和对于数据流向的控制。地址总线可以为外部设备提供地址信号和片选信号。由地址总线的高位进行译码，系统的I/O地址译码原理如图4-1（在地址总线单元）。由于使用A6、A7进行译码，I/O地址空间被分为四个区，如表4-1所示为了实现对于MEM和外设的读写操作，还需要一个读写控制逻辑，使得CPU能控制MEM和I/O设备的读写，实验中的读写控制逻辑如图4-2所示，由于T3的参与，可以保证写脉宽与T3一致，T3由时序单元的TS3给出（时序单元的介绍见附录2）。IOM用来选择是对I/O设备还是对MEM进行读写操作，IOM=1时对I/O设备进行读写操作，IOM=0时对MEM进行读写操作。RD=1时为读，WR=1时为写。1．读写控制逻辑设计实验。（1）按照图4-4实验接线图进行连线。首先将时序与操作台单元的开关KK1、KK3置为‘运行’档，开关KK2置为‘单拍’档，按动CON单元的总清按钮CLR，并执行下述操作。①对MEM进行读操作（WR=0，RD=1，IOM=0），此时E0灭，表示存储器读功能信号有效。②对MEM进行写操作（WR=1，RD=0，IOM=0），连续按动开关ST，观察扩展单元数据指示灯，指示灯显示为T3时刻时，E1灭，表示存储器写功能信号有效。③对I/O进行读操作（WR=0，RD=1，IOM=1），此时E2灭，表示I/O读功能信号有效。④对I/O进行写操作（WR=1，RD=0，IOM=1），连续按动开关ST，观察扩展单元数据指示灯，指示灯显示为T3时刻时，E3灭，表示I/O写功能信号有效。2．基本输入输出功能的总线接口实验。3、实验结果：（