计算机组成原理实验指导书

EL-JY-II型计算机组成原理实验系统(16位)实验指导书实验一运算器实验一、实验目的：1．掌握运算器的组成及工作原理；2．了解4位函数发生器74LS181的组合功能，熟悉运算器执行算术操作和逻辑操作的具体实现过程；3．验证带进位控制的74LS181的功能。二、预习要求：１复习本次实验所用的各种数字集成电路的性能及工作原理；２预习实验步骤，了解实验中要求的注意之处。三、实验设备：EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套，排线若干。四、电路组成：本模块由算术逻辑单元ALU74LS181（U7、U8、U9、U10）、暂存器74LS273（U3、U4、U5、U6）、三态门74LS244（U11、U12）和控制电路（集成于EP1K10内部）等组成。电路图见图1-1(a)、1-1(b)。图1-1（a）ALU电路图1-1（b）ALU控制电路算术逻辑单元ALU是由四片74LS181构成。74LS181的功能控制条件由S3、S2、S1、S0、M、Cn决定。高电平方式的74LS181的功能、管脚分配和引出端功能符号详见表1-1、图1-2和表1-2。四片74LS273构成两个16位数据暂存器，运算器的输出采用三态门74LS244。它们的管脚分配和引出端功能符号详见图1-3和图1-4。图1-274LS181管脚分配表1-274LS181输出端功能符号74LS181功能表见表1－1，其中符号“＋”表示逻辑“或”运算，符号“*”表示逻辑“与”运算，符号“/”表示逻辑“非”运算，符号“加”表示算术加运算，符号“减”表示算术减运算。选择M=1逻辑操作M=0算术操作S3S2S1S0Cn=1（无进位）Cn=0（有进位）0000F=/AF=AF=A加10001F=/(A+B)F=A+BF=(A+B)加10010F=/A*BF=A+/BF=(A+/B)加10011F=0F=减1(2的补)F=00100F=/(A*B)F=A加A*/BF=A加A*/B加10101F=/BF=(A+B)加A*/BF=(A+B)加A*/B加10110F=(/A*B+A*/B)F=A减B减1F=A减B0111F=A*/BF=A*/B减1F=A*/B1000F=/A+BF=A加A*BF=A加A*B加11001F=/(/A*B+A*/B)F=A加BF=A加B加11010F=BF=(A+/B)加A*BF=(A+/B)加A*B加11011F=A*BF=A*B减1F=A*B1100F=1F=A加AF=A加A加11101F=A+/BF=(A+B)加AF=(A+B)加A加11110F=A+BF=(A+/B)加AF=(A+/B)加A加11111F=AF=A减1F=A表1-174LS181功能表图1-3（a）74LS273管脚分配图1-3（b）74LS273功能表图1-4（a）74LS244管脚分配图1-4（b）74LS244功能五、工作原理：运算器的结构框图见图1-5：算术逻辑单元ALU是运算器的核心。集成电路74LS181是4位运算器，四片74LS181以并／串形式构成16位运算器。它可以对两个16位二进制数进行多种算术或逻辑运算，74LS181有高电平和低电平两种工作方式，高电平方式采用原码输入输出，低电平方式采用反码输入输出，这里采用高电平方式。三态门74LS244作为输出缓冲器由ALU-G信号控制，ALU-G为“0”时，三态门开通，此时其输出等于其输入；ALU-G为“1”时，三态门关闭，此时其输出呈高阻。四片74LS273作为两个16数据暂存器，其控制信号分别为LDR1和LDR2，当LDR1和LDR2为高电平有效时，在T4脉冲的前沿，总线上的数据被送入暂存器保存。六、实验内容：验证74LS181运算器的逻辑运算功能和算术运算功能。七、实验步骤：Ⅰ、单片机键盘操作方式实验注：在进行单片机键盘控制实验时，必须把开关K4置于“OFF”状态，否则系统处于自锁状态，无法进行实验。1.实验连线（键盘实验）：实验连线图如图1－6所示。（连线时应按如下方法：对于横排座，应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上；对于竖排座，应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。）图1－6实验一键盘实验连线图运算器电路S3S2S1S0MCnALU-GARLDR1LDR2C1…...C6E5E4F5E3F4控制总线T42．实验过程：拨动清零开关CLR，使其指示灯灭。再拨动CLR，使其指示灯亮。在监控滚动显示【CLASSSELECt】时按【实验选择】键，显示【ES--__】输入01或1，按【确认】键，监控显示为【ES01】，表示准备进入实验一程序，也可按【取消】键来取消上一步操作，重新输入。再按【确认】键，进入实验一程序，监控显示【InSt--】，提示输入运算指令，输入两位十六进制数（参考表1－3和表1－1），选择执行哪种运算操作。按【确认】键，监控显示【Lo=0】,此处Lo相当于表1－1中的M，默认为“0”，进行算术运算，也可以输入“1”，进行逻辑运算。按【确认】，显示【Cn=0】,默认为“0”，由表1－1可见，此时进行带进位运算，也可输入“1”，不带进位运算（注：如前面选择为逻辑运算，则Cn不起作用）。按【确认】，显示【Ar=1】，使用默认值“1”，关闭进位输出。也可输入“0”，打开进位输出。，按【确认】，显示【DATA】，提示输入第一个数据，输入十六进制数【1234H】，按【确认】，显示【DATA】，提示输入第二个数据，输入十六进制数【5678H】，按【确认】键，监控显示【FINISH】，表示运算结束，可从数据总线显示灯观察运算结果，CY指示灯显示进位输出的结果。按【确认】后监控显示【ES01】，可执行下一运算操作。运算指令（S3S2S1S0）输入数据（十六进制）000000或0000101或1001002或2001103或3010004或4010105或5011006或6011107或7100008或8100109或910100A或A10110B或B11000C或C11010D或D11100E或E11110F或F表1-3运算指令关系对照表在给定LT1=1234H、LT2=5678H的情况下，改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，填入表中，并和理论值进行比较和验证：LT1LT2S3S2S1S0M=0（算术运算）M=1（逻辑运算）Cn=1（无进位）Cn=0（有进位）1234H5678H00或0F=1234F=1235F=EDCB01或1F=567CF=567DF=A98302或2F=BBB7F=BBB8F=444803或3F=FFFFF=0000F=000004或4F=1238F=1239F=EDCF05或5F=5680F=5681F=A98706或6F=BBBBF=BBBCF=444C07或7F=0003F=0004F=000408或8F=2464F=2465F=FFFB09或9F=68ACF=68ADF=BBB30A或AF=CDE7F=CDE8F=56780B或BF=122FF=1230F=12300C或CF=2468F=2469F=FFFF0D或DF=68B0F=68B1F=BBB70E或EF=CDEBF=CDECF=567C0F或FF=1233F=1234F=1234八、实验报告要求：1．实验记录：所有的运算结果，故障现象及排除经过；2．通过本次实验的收获及想法。实验二移位运算实验一、实验目的：掌握移位控制的功能及工作原理二、预习要求：1．了解移位寄存器的功能及用FPGA的实现方法。三、实验设备：EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套，排线若干。四、工作原理：移位运算实验电路的功能由S1、S0、M控制，具体功能见表2-2：299-GS1S0M功能000×保持0100循环右移0101带进位循环右移0010循环左移0011带进位循环左移111×置数表2-2五、实验内容：输入数据，利用移位寄存器进行移位操作。六、实验步骤Ⅰ、单片机键盘操作方式实验。注：在进行单片机键盘控制实验时，必须把K4开关置于“OFF”状态，否则系统处于自锁状态，无法进行实验。连线时应按如下方法：为了连线统一，对于横排座，应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上；对于竖排座，应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。1.实验连线：实验连线图如图2－3所示。2．实验过程：拨动清零开关CLR，使其指示灯灭。再拨动CLR，使其指示灯亮。在监控指示灯滚动显示【CLASSSELECt】时按【实验选择】键，显示【ES--__】输入02或2，按【确认】键，监控指示灯显示为【ES02】，表示准备进入实验二程序，也可按【取消】键来取消上一步操作，重新输入。再按【确认】键，进入实验二程序，显示为【E1E0--】，提示输入操作指令（参考表2－2，E1E0相当于299－G，二进制，“11”为关闭输出，“00”为允许输出），输入二进制数“11”，关闭输出，在输入过程中，可按【取消】键进行输入修改。按【确认】键，监控指示灯显示【Lo=0】，可输入二进制数“0”或“1”，此处Lo相当于表2－2的M，即控制是否带进位进行移位，默认为“0”，不带进位移位。输入“1”，选择带进位操作。按【确认】键，监控指示灯显示【S0S1--】，提示输入移位控制指令（参考表2－2），输入二进制数“11”，对寄存器进行置数操作。按【确认】键，监控指示灯显示【DATA】，提示输入要移位的数据，输入十六进制数“0001”，按【确认】，显示【PULSE】，此时按【单步】，将数据存入移位寄存器，可对它进行移位控制。监控指示灯显示【ES02】，按【确认】键，进行移位操作，显示为【E1E0--】，提示输入操作指令（参考表2－2，E1E0相当于299－G，二进制，“11”为关闭输出，“00”为允许输出），输入二进制数“00”，允许输出，在输入过程中，可按【取消】键进行输入修改。按【确认】键，监控指示灯显示【Lo=0】，和前面一样，输入“0”，选择不带进位操作。按【确认】键，监控指示灯显示【S0S1--】，提示输入移位控制指令（参考表2－2），输入二进制数“01”，表示对输入的数据进行循环右移，显示【PULSE】,按【单步】键，则对十六进制数据“0001”执行一次右移操作。数据总线指示灯显示“1000000000000000”，再按【单步】，数据总线指示灯显示“0100000000000000”，连续按【单步】，可以单步执行，按【全速】键，监控指示灯显示【Run】，则可连续执行移位操作。观察数据总线显示灯的变化，判断结果是否正确。重新置入数据“FFFF”，进行带进位的循环右移，观察数据总线显示灯的变化，判断结果是否正确。八、实验报告要求：1．实验记录：所有的运算结果，故障现象及排除经过；2．通过本次实验的收获及想法。实验三存储器读写实验一、实验目的：掌握半导体静态随机存储器RAM的特性和使用方法。掌握地址和数据在计算机总线的传送关系。了解运算器和存储器如何协同工作。二、预习要求：预习半导体静态随机存储器6116的功能。三、实验设备：EL-JY-II8型计算机组成原理实验系统一套，排线若干。四、电路组成：电路图见图3-1，6116的管脚分配和功能见图3-2。图3-1存储器电路图3-2（a）6116管脚分配图3-2（b）6116功能图3-3五、工作原理：实验中的静态存储器由2片6116（2K×8）构成，其数据线D0~D15接到数据总线，地址线A0~A7由地址锁存器74LS273(集成于EP1K10内)给出。黄色地址显示灯A7-A0与地址总线相连，显示地址总线的内容。绿色数据显示灯与数据总线相连，显示数据总线的内容。因地址寄存器为8位，接入6116的地址A7-A0，而高三位A8-A10接地，所以其实际容量为28＝256字节。6116有三个控制线，/CE（片选）、/R（读）、/W（写）。其写时间与T3脉冲宽度一致。六、实验内容：1．学习静态RAM的存储方式，往RAM的任意地址里存放数据，然后读出并检查结果是否正确。2．组成计算机数据通路，实现计算机的运算并存储功能。（选做，只提供开关控制操作方式实验步