計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1、西安財(cái)經(jīng)學(xué)院 信息學(xué)院計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)報(bào)告姓名學(xué)號(hào)班級(jí)年級(jí)11 級(jí)指導(dǎo)教師實(shí)驗(yàn)名稱運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)、通用寄存器實(shí)驗(yàn)、移位寄存器實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)樓 418實(shí)驗(yàn)日期2012-11-272012-11-292012-12-4一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?掌握簡(jiǎn)單運(yùn)算器的數(shù)據(jù)傳輸方式，驗(yàn)證運(yùn)算功能發(fā)生器 74LS181及進(jìn)位控制的組合功能。2熟悉通用寄存器的概念、通用寄存器的組成和硬件電路。3了解移位寄存器的硬件電路，驗(yàn)證移位控制與寄存的組合功能，利用寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。二、實(shí)驗(yàn)環(huán)境Dais-CMH /CMH計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)原理（一）運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中所用的運(yùn)算器數(shù)據(jù)通路如圖1-1 所示。其中

2、運(yùn)算器由兩片74LS181以并 / 串形式構(gòu)成 8 位字長(zhǎng)的 ALU。運(yùn)算器的輸出經(jīng)過一個(gè)三態(tài)門(74LS245) 以 8 芯扁平線方式和數(shù)據(jù)總線相連，運(yùn)算器的2 個(gè)數(shù)據(jù)輸入端分別由二個(gè)鎖存器(74LS273) 鎖存，鎖存器的輸入亦以 8 芯扁平線方式與數(shù)據(jù)總線相連，數(shù)據(jù)開關(guān) (INPUT DEVICE)用來給出參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)，經(jīng)一三態(tài)門 (74LS245) 以 8 芯扁平線方式和數(shù)據(jù)總線相連，數(shù)據(jù)顯示燈 (BUS UNIT)已和數(shù)據(jù)總線相連，用來顯示數(shù)據(jù)總線內(nèi)容。圖 1-1 中 T2、 T4 為時(shí)序電路產(chǎn)生的節(jié)拍脈沖信號(hào)，通過連接時(shí)序啟停單元時(shí)鐘信號(hào)“”來獲得，剩余均為電平控制信號(hào)。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

3、時(shí)，首先按動(dòng)位于本實(shí)驗(yàn)裝置右中側(cè)的復(fù)位按鈕使系統(tǒng)進(jìn)入初始待令狀態(tài)，在 LED顯示器閃動(dòng)位出現(xiàn)“ P. ”的狀態(tài)下，按【增址】命令鍵使 LED顯示器自左向右第 4 位切換到提示符“ L”，表示本裝置已進(jìn)入手動(dòng)單元實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，在該狀態(tài)下按動(dòng)【單步】命令鍵，即可獲得實(shí)驗(yàn)所需的單脈沖信號(hào)，而 LDDR1、LDDR2、ALU-B、 SW-B、S3、S2、S1、S0、CN、M各電平控制信號(hào)用位于 LED顯示器上方的 26 位二進(jìn)制開關(guān)來模擬，均為高電平有效。第1頁/共 15頁圖 1-1運(yùn)算器電原理圖（二）通用寄存器實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中所用的通用寄存器數(shù)據(jù)通路如圖1-2 所示。由三片 8 位字長(zhǎng)的 74LS374組成

4、R0、R1、 R2 寄存器組成。三個(gè)寄存器的輸入接口用一8 芯扁平線連至BUS總線接口，而三個(gè)寄存器的輸出接口用一8 芯扁平線連至BUS 總線接口。圖中R0-B、R1-B、R2-B 經(jīng) CBA 二進(jìn)制控制開關(guān)譯碼產(chǎn)生數(shù)據(jù)輸出選通信號(hào)（詳見表1-1 ），LDR0、LDR1、LDR2為數(shù)據(jù)寫入允許信號(hào)，由二進(jìn)制控制開關(guān)模擬，均為高電平有效；T4 信號(hào)為寄存器數(shù)據(jù)寫入脈沖， 上升沿有效。在手動(dòng)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)（即“ L” 狀態(tài)）每按動(dòng)一次【單步】命令鍵，產(chǎn)生一次 T4 信號(hào)。第2頁/共 15頁圖 1-2通用寄存器單元電路表 1-1通用寄存器單元選通真值表CBA選擇100R0-B101R1-B110R2-B（

5、三）移位寄存器實(shí)驗(yàn)圖 1-3帶進(jìn)位移位寄存器電原理圖上圖所示，使用了一片74LS299 作為移位發(fā)生器，其中8 位輸入輸出端以8 芯扁平線連接形式和總線接口連接。299-B 信號(hào)控制其使能端（ 0 有效），T4 為時(shí)序節(jié)拍脈沖，實(shí)驗(yàn)時(shí)按【單步】命令鍵產(chǎn)生。由S0 、S1、 M 控制信號(hào)設(shè)置其運(yùn)行狀態(tài)，其控制特性列表如下：第3頁/共 15頁表 1-2299-BS1S0M功能000任意保持0100循環(huán)右移0101帶進(jìn)位循環(huán)右移0010循環(huán)左移0011帶進(jìn)位循環(huán)左移任意11任意裝數(shù)說明：令 CBA=011時(shí)表中 299-B=0。四、實(shí)驗(yàn)連線（一）運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)圖 1-4實(shí)驗(yàn)連線示意圖按圖 1-4 所示，

6、連接實(shí)驗(yàn)電路： 總線接口連接：用8 芯扁平線連接圖1-4 中所有標(biāo)明“”或“”圖案的總線接口。 控制線與時(shí)鐘信號(hào)“ ”連接：用雙頭實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線連接圖 1-4 中所有標(biāo)明 “ ”或“ ”圖案的插孔（注： Dais-CMH的時(shí)鐘信號(hào)已作內(nèi)部連接） 。第4頁/共 15頁（二）通用寄存器實(shí)驗(yàn)圖 1-5實(shí)驗(yàn)連線示意圖按圖 1-5 所示，連接實(shí)驗(yàn)電路： 總線接口連接：用8 芯扁平線連接圖1-5 中所有標(biāo)明“”或“”圖案的總線接口。 控制線與時(shí)鐘信號(hào)“ ”連接：用雙頭實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線連接圖 1-5 中所有標(biāo)明 “ ”或“ ”圖案的插孔（注： Dais-CMH的時(shí)鐘信號(hào)已作內(nèi)部連接） 。（三）移位寄存器實(shí)驗(yàn)圖 1-6實(shí)驗(yàn)

7、連線示意圖按圖 1-6 所示，連接實(shí)驗(yàn)電路： 總線接口連接：用8 芯扁平線連接圖1-6 中所有標(biāo)明“”或“”圖案的總線接口。 控制線與時(shí)鐘信號(hào)“ ”連接：用雙頭實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線連接圖 1-6 中所有標(biāo)明 “ ”或“ ”圖案的插孔（注： Dais-CMH的時(shí)鐘信號(hào)已作內(nèi)部連接） 。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟（一）運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)（一）算術(shù)運(yùn)算實(shí)驗(yàn)第5頁/共 15頁 寫操作（置數(shù)操作）撥動(dòng)二進(jìn)制數(shù)據(jù)開關(guān)向DR1和 DR2寄存器置數(shù)，具體操作步驟如下：注：【單步】鍵的功能是啟動(dòng)時(shí)序電路產(chǎn)生T1T4四拍單周期脈沖圖 1-7寄存器置數(shù)操作步驟 讀操作（運(yùn)算寄存器內(nèi)容送總線）首先關(guān)閉數(shù)據(jù)輸入三態(tài)控制端 (SW-B=0)，存儲(chǔ)器

8、控制端 CE 保持為 0，令LDDR1=0、LDDR2=0，然后打開 ALU輸出三態(tài)門 (CBA=010)，置 M、S0、 S1、S2、S3為 11111，再按【單步】鍵，數(shù)據(jù)總線單元顯示 DR1的內(nèi)容，若把 M、S0、S1、S2、S3 置為 10101，再按【單步】鍵，數(shù)據(jù)總線單元顯示 DR2的內(nèi)容。 算術(shù)運(yùn)算（不帶進(jìn)位加）置 CBA=010，CN、M、S0、 S1、S2、 S3 狀態(tài)為 101001，按【單步】鍵，此時(shí)數(shù)據(jù)總線單元應(yīng)顯示 00001100（0CH）。（二）進(jìn)位控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)位控制運(yùn)算器的實(shí)驗(yàn)原理如實(shí)驗(yàn)四圖所示，其中 181 的進(jìn)位位進(jìn)入 74LS74 鎖存器 D 端，該端的狀態(tài)

9、鎖存受 AR和 T4 信號(hào)控制，其中 AR為進(jìn)位位允許信號(hào)，高電平有效； T4 為時(shí)序脈沖信號(hào)， 當(dāng) AR=1時(shí)在 T4 節(jié)拍將本次運(yùn)算的進(jìn)位結(jié)果鎖存到進(jìn)位鎖存器中，實(shí)現(xiàn)帶進(jìn)位控制實(shí)驗(yàn)。 進(jìn)位位清零操作在“ L”狀態(tài)下，按動(dòng)【復(fù)位】按鈕，進(jìn)位標(biāo)志燈 CY“滅”，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)位位的清零操作。（當(dāng)進(jìn)位標(biāo)志燈“亮”時(shí)，表示 CY=1）。 用二進(jìn)制數(shù)據(jù)開關(guān)向DR1和 DR2寄存器置數(shù)首先關(guān)閉 ALU輸出三態(tài)門 (CBA=000)、CE=0，開啟輸入三態(tài)門 (SW-B=1)，設(shè)置數(shù)據(jù)開關(guān)，向 DR1存入 01010101(55H)，向 DR2存入 10101010(AAH)。操作步驟如下：注：【單步】鍵的功

10、能是啟動(dòng)時(shí)序電路產(chǎn)生T1T4四拍單周期脈沖圖 1-8寄存器置數(shù)操作步驟第6頁/共 15頁 驗(yàn)證帶進(jìn)位運(yùn)算的進(jìn)位鎖存功能關(guān)閉數(shù)據(jù)輸入三態(tài)門 (SW-B=0)、CE=0，使 CBA=010，AR=1，置 CN、M、S0、S1、S2、S3 的狀態(tài)為101001，按【單步】鍵，此時(shí)數(shù)據(jù)總線單元顯示的數(shù)據(jù)為DR1加 DR2，若進(jìn)位標(biāo)志燈CY“亮”，表示有進(jìn)位；反之無進(jìn)位。（三）邏輯運(yùn)算實(shí)驗(yàn) 寫操作（置數(shù)操作）撥動(dòng)二進(jìn)制數(shù)據(jù)開關(guān)向DR1和 DR2寄存器置數(shù)，具體操作步驟如下：注：【單步】鍵的功能是啟動(dòng)時(shí)序電路產(chǎn)生T1T4四拍圖 1-9 寄存器置數(shù)操作步驟 讀操作（運(yùn)算寄存器內(nèi)容送總線）首先關(guān)閉數(shù)據(jù)輸入三態(tài)

11、控制端 (SW-B=0)，存儲(chǔ)器控制端 CE 保持為 0，令LDDR1=0、LDDR2=0，然后打開 ALU輸出三態(tài)門 (CBA=010)，置 M、S0、 S1、S2、S3為 11111，再按【單步】鍵，數(shù)據(jù)總線單元顯示 DR1的內(nèi)容，若把 M、S0、S1、S2、S3 置為 10101，再按【單步】鍵，數(shù)據(jù)總線單元顯示 DR2的內(nèi)容。 邏輯或非運(yùn)算邏輯或非運(yùn)算的方法是置 CBA=010，M、S0、S1、S2、S3 狀態(tài)為 11000，按【單步】鍵，此時(shí)數(shù)據(jù)總線單元應(yīng)顯示 00011000（18H）。注：加法運(yùn)算時(shí)， CY=1表示運(yùn)算結(jié)果有進(jìn)位，CY=0表示運(yùn)算結(jié)果無進(jìn)位；減法運(yùn)算時(shí)， CY=1

12、表示運(yùn)算結(jié)果無借位，CY=0表示運(yùn)算結(jié)果有借位。第7頁/共 15頁（二）通用寄存器實(shí)驗(yàn)（一）通用寄存器的寫入撥動(dòng)二進(jìn)制數(shù)據(jù)開關(guān)向R0和 R1寄存器置數(shù)，具體操作步驟如下：注：【單步】鍵的功能是啟動(dòng)時(shí)序電路產(chǎn)生T1T4四拍單周期脈沖圖 1-10寄存器置數(shù)操作步驟（二）通用寄存器的讀出關(guān)閉數(shù)據(jù)輸入三態(tài) (SW-B=0)，存儲(chǔ)器控制端 CE=0，令 LDR0=0、LDR1=0、LDR2=0，分別打開通用寄存器 R0、R1、 R2 輸出控制位，置 CBA=100時(shí)，按【單步】鍵，數(shù)據(jù)總線單元顯示 R0 中的數(shù)據(jù) 01H；置 CBA=101時(shí)，按【單步】鍵。數(shù)據(jù)總線單元顯示 R1 中的數(shù)據(jù) 80H；置

13、CBA=110時(shí)，按【單步】鍵，數(shù)據(jù)總線單元顯示 R2 中的數(shù)據(jù)（隨機(jī)）。第8頁/共 15頁（三）移位寄存器實(shí)驗(yàn)（一）移位寄存器置數(shù)首先置 CBA=000，然后按下面所列流程圖操作：注：【單步】鍵的功能是啟動(dòng)時(shí)序電路產(chǎn)生T1T4四拍單周期脈沖圖 1-11（二）寄存器移位首先置 CBA=011(299-B=0)、SW-B=0、CE=0，然后參照表改變 S0、S1、M的狀態(tài)，按動(dòng)【單步】命令鍵觀察移位結(jié)果。（三）移位結(jié)果的寄存把移位寄存器移位后的內(nèi)容寄存到通用寄存器（以 R0 為例），首先按圖 1-6 所示連接實(shí)驗(yàn)電路。在移位操作后保持 CBA=011（即 299-B=0）、置 S0=0、 S1=

14、0，令 LDR0=1，再按動(dòng)【單步】命令鍵即可完成移位結(jié)果保存到通用寄存器 R0 的操作。（四）移位結(jié)果的讀出置 CBA=100、SW-B=0、CE=0，按【單步】鍵，數(shù)據(jù)總線單元顯示 R0寄存器的內(nèi)容，該內(nèi)容應(yīng)與移位寄存器的內(nèi)容一致。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析（一）運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)手動(dòng)實(shí)驗(yàn)：（一）初始化操作“ ”“二進(jìn)制開關(guān)單元”一旦進(jìn)入 L 狀態(tài)，首先應(yīng)把的 26 只模擬開關(guān)撥至下方（即低電“ ”“ ”平信號(hào) L ），使 26 只微控制狀態(tài)指示燈處暗 ，然后按【單步】命令鍵關(guān)閉全部控制信號(hào)鎖存輸出位， 用手動(dòng)方法完成微控制器的初始清零操作。在 “”狀態(tài)下直接按 【復(fù)位】 按鈕亦L可完成微控制器的初始清零操

15、作。（二）控制信號(hào)的打入方法 有效狀態(tài)的特征：本系統(tǒng)提供的是“正邏輯 ”控制電路，通常情況下把高電平“H ”定義為有效狀態(tài)，以點(diǎn)亮發(fā)光二極管為標(biāo)志。 有效狀態(tài)的建立：結(jié)合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，按實(shí)驗(yàn)要求把相關(guān)的二進(jìn)制開關(guān)撥向上方，點(diǎn)亮第9頁/共 15頁對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管。 有效狀態(tài)的控制：在建立有效狀態(tài)的基礎(chǔ)上，按【單步】命令鍵單次啟動(dòng)時(shí)序節(jié)拍信號(hào) T1 、T2 、T3 、T4 ，模型機(jī)按時(shí)序要求在相關(guān)時(shí)刻發(fā)出控制信號(hào)，以手動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)相關(guān)單元實(shí)驗(yàn)。（三）總線輸入/ 輸出約定 輸入約定對(duì)于計(jì)算機(jī)各部件的數(shù)據(jù)輸出必須通過數(shù)據(jù)總線來完成，為了避免總線沖突與競(jìng)爭(zhēng)，模型機(jī)規(guī)定在同一機(jī)器周期內(nèi)只能允許一個(gè)部件的數(shù)據(jù)占用

16、總線。結(jié)合手動(dòng)控制列舉如下約定： 數(shù)據(jù)開關(guān)送總線：令SW-B=1， CBA=000， CE=0 存儲(chǔ)器內(nèi)容送總線：令CE=1 ， SW-B=0， CBA=000 其它部件送總線：令CBA=001111，SW-B=0， CE=0 輸出共享對(duì)于計(jì)算機(jī)各部件的數(shù)據(jù)輸入可共享總線內(nèi)容，即在同一機(jī)器周期內(nèi)允許把當(dāng)前數(shù)據(jù)同時(shí)送 2 個(gè)以上部件單元，結(jié)合手動(dòng)控制舉例如下：例：把數(shù)據(jù)開關(guān)的內(nèi)容送通用寄存器R0 、運(yùn)算寄存器DR1 、地址寄存器AR 、指令寄存器 IR ，令 SW-B=1，LDR0=1， LDDR1=1， LDAR=1， LDIR=1，然后按【單步】命令鍵即可實(shí)現(xiàn)總線數(shù)據(jù)共享。驗(yàn)證 74LS18

17、1的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算功能（采用正邏輯）在給定 DR1=65、DR2=A7的情況下，改變運(yùn)算器的功能設(shè)置， 觀察運(yùn)算器的輸出，填入下表中，并和理論分析進(jìn)行比較、驗(yàn)證。表13驗(yàn)M=0（算術(shù)運(yùn)算）DR1DR2S3 S2 S1 S0Cn=1Cn=0M=1無進(jìn)位有進(jìn)位（邏輯運(yùn)算）65A7F=（65）F=（ 66）F= （ 9A）65A7F=（E7）F=（ E8）F= （ 18）65A7F=（7D）F=（ 7E）F= （ 82）65A7F=（ 1）F=（ 00）F=（ 0）65A7F=（A5）F=（ A6）F= （ DA）65A7F=（27）F=（ 28）F= （ 58）65A7F=（BD）F=（ BE

18、）F= （ C2）65A7F=（3F）F=（ 40）F= （ 40）65A7F=（8A）F=（ 8D）F=（ BF）65A7F=（0C）F=（ 0D）F= （ 3D）65A7F=（A2）F=（ A3）F= （ A7）第10頁/共 15頁65A7F=（24）F=（ 25）F= （ 25）65A7F=（CA）F=（ CB）F=（1 ）65A7F=（4C）F=（ 4D）F= （ 7D）65A7F=（E2）F=（ E3）F= （ E7）65A7F=（64）F=（ 65）F=（ 65）在給定 DR1=14、DR2=15情況下，改變運(yùn)算器的功能設(shè)置，觀察運(yùn)算器的輸出，填入下表中，并和理論分析進(jìn)行比較、驗(yàn)證

19、。表14驗(yàn)M=0（算術(shù)運(yùn)算）DR1DR2S3 S2 S1 S0Cn=1Cn=0M=1無進(jìn)位有進(jìn)位（邏輯運(yùn)算）1415F=（14）F=（ 15）F= （ EB）1415F=（15）F=（ 16）F= （ EA）1415F=（FE）F=（ FF）F= （ 01）1415F=（FF）F=（ 00）F= （ 00）1415F=（14）F=（ 15）F= （ EB）1415F=（15）F=（ 16）F= （ EA）1415F=（FE）F=（ FF）F= （ 01）1415F=（FF）F=（0）F= （0）1415F=（28）F=（ 29）F= （ FF）1415F=（29）F=（ 2A）F= （ FE）

20、1415F=（12）F=（ 13）F= （ 15）1415F=（13）F=（ 14）F= （ FE）1415F=（28）F=（ 29）F= （ FF）1415F=（29）F=（ 2A）F= （ FE）1415F=（12）F=（ 13）F= （15）1415F=（13）F=（ 14）F= （ 14）在自動(dòng)模式下自動(dòng)模式下如表6-3 所示：按鍵8 位 LED顯示說明【返回】DY-HP.返回初始狀態(tài)待命0DY-H0輸入 DR1代號(hào)“ 0”【寄存】DY-H0X X 按【寄存】命令鍵第11頁/共 15頁14DY-H014輸入數(shù)字 14【寫】DY-H014按【寫】將 14打入DR1【增址】 DY-H1XX

21、按【增址】指向DR2代號(hào)“ 1”15DY-H115輸入數(shù)字 15【寫】DY-H115按【寫】將 15打入DR2【返回】 DY-HP.返回初始狀態(tài)待命5DY-H5輸入 CN代號(hào)“ 5”【寄存】 DY-H5XX按【寄存】命令鍵28DY-H528輸入運(yùn)算 控制符【寫】DY-H5按【寫】將 28打入CN【返回】 DY-HP.返回閃動(dòng)的 “H”待命狀態(tài)【運(yùn)算】 DY-HA UXX輸出結(jié)果（二）通用寄存器實(shí)驗(yàn)移位結(jié)果的讀出置 CBA=100、SW-B=0、CE=0，按【單步】鍵，數(shù)據(jù)總線單元顯示 R0寄存器的內(nèi)容，該內(nèi)容應(yīng)與移位寄存器的內(nèi)容一致。在自動(dòng)模式下：使用 26 只模擬開關(guān)進(jìn)行控制。先按【復(fù)位】按鈕完成微控制器的初始清零第12頁/共 15頁操作。1. 進(jìn)行寫操作，撥動(dòng)