计算机组成原理与系统结构实验教程

实验一算术逻辑运算实验一．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．学习运算器的设计方法。4．掌握简单运算器的数据传送通路。5．验证运算功能发生器74LS181的组合功能。二．实验设备TDN-CM+或TDN-CM++教学实验系统一套。三．实验原理实验中所用的运算器数据通路图如图2.6-1。图中所示的是由两片74LS181芯片以并/串形式构成的8位字长的运算器。右方为低4位运算芯片，左方为高4位运算芯片。低位芯片的进位输出端Cn+4与高位芯片的进位输入端Cn相连，使低4位运算产生的进位送进高4位运算中。低位芯片的进位输入端Cn可与外来进位相连，高位芯片的进位输出引至外部。两个芯片的控制端S0～S3和M各自相连，其控制电平按表2.6-1。为进行双操作数运算，运算器的两个数据输入端分别由两个数据暂存器DR1、DR2（用锁存器74LS273实现）来锁存数据。要将内总线上的数据锁存到DR1或DR2中，则锁存器74LS273的控制端LDDR1或LDDR2须为高电平。当T4脉冲来到的时候，总线上的数据就被锁存进DR1或DR2中了。为控制运算器向内总线上输出运算结果，在其输出端连接了一个三态门（用74LS245实现）。若要将运算结果输出到总线上，则要将三态门74LS245的控制端ALU-B置低电平。否则输出高阻态。2图2.6-1运算器通路图数据输入单元(实验板上印有INPUTDEVICE)用以给出参与运算的数据。其中，输入开关经过一个三态门（74LS245）和内总线相连，该三态门的控制信号为SW-B，取低电平时，开关上的数据则通过三态门而送入内总线中。总线数据显示灯（在BUSUNIT单元中）已与内总线相连，用来显示内总线上的数据。控制信号中除T4为脉冲信号，其它均为电平信号。由于实验电路中的时序信号均已连至“W/RUNIT”单元中的相应时序信号引出端，因此，需要将“W/RUNIT”单元中的T4接至“STATEUNIT”单元中的微动开关KK2的输出端。在进行实验时，按动微动开关，即可获得实验所需的单脉冲。S3、S2、S1、S0、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU-B、SW-B各电平控制信号则使用“SWITCHUNIT”单元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。对于单总线数据通路，作实验时就要分时控制总线，即当向DR1、DR2工作暂存器打入数据时，数据开关三态门打开，这时应保证运算器输出三态门关闭；同样，当运算器输出结果至总线时也应保证数据输入三态门是在关闭状态。四．实验步骤1．按图2.6-2连接实验电路并检查无误。图中将用户需要连接的信号线用小圆圈标明（其它实验相同，不再说明）。2．开电源开关。3．用输入开关向暂存器DR1置数。①拨动输入开关形成二进制数01100101（或其它数值）。（数据显示灯亮为0，灭为1）。②使SWITCHUNIT单元中的开关SW-B=0（打开数据输入三态门）、ALU-B=1（关闭ALU输出三态门）、LDDR1=1、LDDR2=0。③按动微动开关KK2，则将二进制数01100101置入DR1中。4．用输入开关向暂存器DR2置数。①拨动输入开关形成二进制数10100111（或其它数值）。②SW-B=0、ALU-B=1保持不变，改变LDDR1、LDDR2，使LDDR1=0、LDDR2=1。③按动微动开关KK2，则将二进制数10100111置入DR2中。5．检验DR1和DR2中存的数是否正确。①关闭数据输入三态门（SW-B=1），打开ALU输出三态门（ALU-B=0），并使LDDR1=0、LDDR2=0，关闭寄存器。②置S3、S2、S1、S0、M为11111，总线显示灯则显示DR1中的数。③置S3、S2、S1、S0、M为10101，总线显示灯则显示DR2中的数。6．改变运算器的功能设置，观察运算器的输出。①SW-B=1、ALU-B=0保持不变。②按表2-2置S3、S2、S1、S0、M、Cn的数值，并观察总线显示灯显示的结果。例如：置S3、S2、S1、S0、M、Cn为100101，运算器作加法运算。置S3、S2、S1、S0、M、Cn为011000，运算器作减法运算。7．验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能（采用正逻辑）在给定DR1=65、DR2=A7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。ALU-B=1LDDR1=1LDDR1=0SW-B=0LDDR2=0LDDR2=1T4=T4=三态门数据开关（01100101））寄存器DR1（01100101）数据开关（10100111）寄存器DR2（10100111）图2.6-2算术逻辑实验接线图表2.6-1DR1DR2S3S2S1S0M=0（算术运算）M=1（逻辑运算）Cn=1无进位Cn=0有进位656565A7A7A7０００００００１００１０００１１０１０００１０１０１１００１１１１０００１００１１０１０１０１１１１００１１０１１１１０１１１１F=（65）F=（E7）F=（7D）F=（FF）F=（A5）F=（27）F=（BD）F=（3f）F=（8a）F=（0C）F=（A2）F=（24）F=（CA）F=（4C）F=（E2）F=（64）F=（66）F=（E8）F=（7E）F=（00）F=（A6）F=（28）F=（BE）F=（40）F=（8B）F=（0D）F=（A3）F=（25）F=（CB）F=（4D）F=（E3）F=（65）F=（9A）F=（18）F=（82）F=（00）F=（AD）F=（58）F=（C2）F=（40）F=（BF）F=（3D）F=（A7）F=（25）F=（FF）F=（7D）F=（E7）F=（65）实验二静态随机存储器实验一．实验目的掌握静态随机存储器RAM工作特性及数据的读写方法。二．实验设备1．TDN-CM+或TDN-CM++教学实验系统一台。2．PC微机（或示波器）一台。三．实验原理实验所用的半导体静态存储器电路原理如图3.6-1所示，实验中的静态存储器由一片6116（2K×8）构成，其数据线接至数据总线，地址线由地址锁存器（74LS273）给出。地址灯AD0～AD7与地址线相连，显示地址线内容。数据开关经一个三态门（74LS245）连至数据总线，分时给出地址和数据。因地址寄存器为8位，所以接入6116的地址为A7～A0，而高三位A8～A10接地，所以其实际容量为256字节。6116有三个控制线：CE（片选线）、OE（读线）、WE（写线）。当片选有效（CE=0）时，OE=0时进行读操作，WE=0时进行写操作。本实验中将OE常接地，在此情况下，当CE=0、WE=0时进行读操作，CE=0、WE=1时进行写操作，其写时间与T3脉冲宽度一致。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，其它电平控制信号由“SWITCHUNIT”单元的二进制开关模拟，其中SW-B为低电平有效，LDAR为高电平有效。图3.6-1存储器实验原理图四．实验步骤(1)形成时钟脉冲信号T3。具体接线方法和操作步骤如下：①接通电源，用示波器接入方波信号源的输出插孔H23，调节电位器W1及W2，使H23端输出实验所期望的频率及占空比的方波。②将时序电路模块（STATEUNIT）单元中的ф和信号源单元（SIGNALUNIT）中的H23排针相连。③在时序电路模块中有两个二进制开关“STOP”和“STEP”。将“STOP”开关置为“RUN”状态、“STEP”开关置为“EXEC”状态时，按动微动开关START，则TS3端即输出为连续的方波信号，此时调节电位器W1，用示波器观察，使T3输出实验要求的脉冲信号。当“STOP”开关置为“RUN”状态、“STEP”开关置为“STEP”状态时，每按动一次微动开关START，则T3输出一个单脉冲，其脉冲宽度与连续方式相同。若用PC联机软件中的示波器功能也能看到波形，可以代替真实示波器。(2)按图3.6-2连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。图3.6-2静态随机存储器实验接线图(3)写存储器给存储器的00、01、02、03、04地址单元中分别写入数据11、12、13、14、15。由上面的存储器实验原理图看出，由于数据和地址全由一个数据开关来给出，这就要分时地给出。下面的写存储器要分两个步骤，第一步写地址，先关掉存储器的片选（CE=1），打开地址锁存器门控信号（LDAR=1），打开数据开关三态门（SW-B=0），由开关给出要写存储单元的地址，按动START产生T3脉冲将地址打入到地址锁存器，第二步写数据，关掉地址锁存器门控信号（LDAR=0），打开存储器片选，使处于写状态（CE=0，WE=1），由开关给出此单元要写入的数据，按动START产生T3脉冲将数据写入到当前的地址单元中。写其它单元依次循环上述步骤。写存储器流程如下：（以向00号单元写入11为例）(4)读存储器依次读出第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。同写操作类似，读每个单元也需要两步，第一步写地址，先关掉存储器的片选（CE=1），打开地址锁存器门控信号（LDAR=1），打开数据开关三态门（SW-B=0），由开关给出要写存储单元的地址，按动START产生T3脉冲将地址打入到地址锁存器；第二步读存储器，关掉地址锁存器门控信号（LDAR=0），关掉数据开关三态门（SW-B=1），片选存储器，使它处于读状态（CE=0，WE=0），此时数据总线上显示的数据即为从存储器当前地址中读出的数据内容。读其它单元依次循环上述步骤。读存储器操作流程如下：（以从00号单元读出11数据为例）实验四、指令寻址方式一．实验目的通过本实验，掌握微型计算机系统的常用指令寻址方式。并掌握Debug的使用方法。掌握微型计算机基本寻址方式；掌握Debug的使用；编写简单的程序。二．实验设备1．PC微机一台。2．MASM5.03．Debug三．实验原理1．微型计算机常用寻址方式：2．实验内容及程序把2000─2099内存区域中的内容复制到3000─3099内存区域中.[解]CX作为传输数据的循环计数器（倒计数）；BX作为被复制内存单元的指针（地址）。例：MOVAL,AH;AL(AH)8位SUBAX,BX;AX(AX)-(BX)16位INCCX;CX(CX)+116位以二地址指令为例，指令格式为例如：ADDBX，5基本寻址方式汇编符号例子寻找操作数(的地址)的过程寄存器寻址ADDBX,5EA=BX，即数据在寄存器中寄存器间址ADD[BX],AXEA=（BX）立即寻址ADDBX,5操作数在指令中直接寻址ADD[100],AXEA=100间接寻址------变(基)址寻址ADD[BX+20],AXEA=(BX+20)自相对LOOPL1EA=(IP)+位移量……OPA1A2源代码片段：MOVCX，100；寄存器寻址/立即数寻址MOVBX，2000；寄存器寻址/立即数寻址L1：MOVAL，[BX]；寄存器寻址/寄存器间址MOV[BX+1000],AL；变址寻址/寄存器寻址LOOPL1；自相对寻址20003000BX开始CX←100BX←2000AL←((BX))((BX)+1000)←AL（CX）=0？CX递减1结束NYBX递增1；CX←（CX）-1，；然后若（CX）≠0则转移（END）四．实验步骤(1)运行环境的设置首先执行“开始－＞运行”命令，并在文本框中输入：cmd命令，进入命令窗口；然后在提示符后面输入“Debug”命令，执行后将看到提示符“－”，－？；问号命令，可以查看Debug中可以使用的命令，及简要帮助。－A；小汇编命令，可以进入汇编编程状态，本实验程序即在此状态下输入。(2)程序输入进入小汇编状态后，将源程序正确输入，请注意程序中立即数数值的确定。(3)程序调试按照源程序中设定的源数据区和目标数据区，执行程序前先将源数据区中的数据设置为全FF，目标数据区中数据全设置为00，程序运行后验证目标数据