計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實驗報告1

1、精選文檔評語:課中檢查完成的題號及題數(shù)： 課后完成的題號與題數(shù)：成果:自評成果:95試驗報告試驗名稱：基于Verilog語言的運算器和存儲器設(shè)計與實現(xiàn)日期：2015.11.2班級：10011303學(xué)號：2013302534姓名：楊添文一、試驗?zāi)康模?、了解運算器的組成結(jié)構(gòu)。2、把握運算器的工作原理。3、把握靜態(tài)隨機存儲器RAM 工作特性及數(shù)據(jù)的讀寫方法。二、試驗內(nèi)容： 1、基本運算器試驗。 2、靜態(tài)隨機存儲器試驗。 三、項目要求及分析：1、基本運算器試驗：要求：驗證和實現(xiàn)運算器的數(shù)據(jù)運算功能。這些運算除了常規(guī)的加、減、乘、除等基本的算術(shù)運算之外,還包括能進(jìn)行“規(guī)律推斷”的規(guī)律處理力量,即“與”

2、、“或”、“非”這樣的基本規(guī)律運算以及數(shù)據(jù)的比較、移位等操作。分析：（1）運算器原理圖如下圖所示運算器內(nèi)部含有三個獨立運算部件，分別為算術(shù)、規(guī)律和移位運算部件，要處理的數(shù)據(jù)存于暫存器A 和暫存器B，三個部件同時接受來自A 和B 的數(shù)據(jù)，各部件對操作數(shù)進(jìn)行何種運算由把握信號S3S0來打算，任何時候，多路選擇開關(guān)只選擇三部件中一個部件的結(jié)果作為ALU 的輸出。假如是算術(shù)運算，還將置進(jìn)位標(biāo)志FC，在運算結(jié)果輸出前，置ALU 零標(biāo)志。（2）ALU 和外圍電路的連接如下圖所示：（圖中的小方框代表排針座）（3）運算器的規(guī)律功能表如表所示： 運算類型S3S2S1S0功能規(guī)律運算0 0 0 0F=A （直通）

3、0 0 0 1F=B （直通）0 0 1 0F=AB （FZ）0 0 1 1F=A+B （FZ）0 1 0 0F=/A （FZ）移位運算0 1 0 1F=A規(guī)律右移B（取低3位）位 （FZ）0 1 1 0F=A規(guī)律左移B（取低3位）位 （FZ）0 1 1 1F=A算術(shù)右移B（取低3位）位 （FZ）1 0 0 0F=A循環(huán)右移B（取低3位）位 （FZ）算術(shù)運算1 0 0 1F=A加B （FC，F(xiàn)Z）1 0 1 0F=A加B加Cn （FC，F(xiàn)Z）1 0 1 1F=A減B （FC，F(xiàn)Z）1 1 0 0F=A減1 （FC，F(xiàn)Z）1 10 1F=A加1 （FC，F(xiàn)Z）1 1 1 0（保留）1 1 1 1

4、（保留）2、靜態(tài)隨機存儲器試驗：要求：實現(xiàn)靜態(tài)隨機存儲器的讀寫操作，通過軟件中的數(shù)據(jù)通路圖來觀測試驗結(jié)果。分析：(1)試驗原理圖如下圖所示： 存儲器數(shù)據(jù)線接至數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)總線上接有8個LED 燈顯示D7D0 的內(nèi)容。地址線接至地址總線，地址總線上接有8 個LED 燈顯示A7A0 的內(nèi)容，地址由地址鎖存器（74LS273，位于PC&AR 單元）給出。數(shù)據(jù)開關(guān)（位于IN 單元）經(jīng)一個三態(tài)門（74LS245）連至數(shù)據(jù)總線，分時給出地址和數(shù)據(jù)。地址寄存器為8 位，接入6116 的地址A7A0，6116 的高三位地址A10A8 接地，所以其實際容量為256 字節(jié)。（2）試驗中的讀寫把握規(guī)律如下

5、圖所示：功能1000X100X010不選擇讀寫寫IOM 用來選擇是對I/O 還是對MEM 進(jìn)行讀寫操作，RD=1 時為讀，WR=1 時為寫。四、具體實現(xiàn)： 1、 基本運算器試驗:(1) 按下圖連接試驗電路，并檢查無誤。圖中將用戶需要連接的信號用圓圈標(biāo)明（其它試驗相同）。(2) 將時序單元的狀態(tài)開關(guān)置為單步檔,MEM 單元的編程開關(guān)置為運行檔。(3) 打開電源開關(guān)，假如聽到有嘀報警聲，說明有總線競爭現(xiàn)象，應(yīng)馬上關(guān)閉電源，重新檢查接線，直到錯誤排解。然后按動CON 單元的CLR 按鈕，將運算器的A、B 和FC、FZ清零。(4) 用輸入開關(guān)向暫存器A 置數(shù)。 撥動CON 單元的SD27SD20 數(shù)據(jù)

6、開關(guān)，形成二進(jìn)制數(shù)01100101（或其它數(shù)值），數(shù)據(jù)顯示亮為1，滅為0。 置LDA=1，LDB=0，按動時序單元的TS 按鈕，產(chǎn)生一個T2 上沿，則將二進(jìn)制數(shù)01100101置入暫存器A 中，暫存器A 的值通過ALU 單元的A7A0 八位LED 燈顯示。(5) 用輸入開關(guān)向暫存器B 置數(shù)。 撥動CON 單元的SD27SD20 數(shù)據(jù)開關(guān)，形成二進(jìn)制數(shù)10100111（或其它數(shù)值）。 置LDA=0，LDB=1，按動時序單元的TS 按鈕，產(chǎn)生一個T2 上沿，則將二進(jìn)制數(shù)10100111置入暫存器B 中，暫存器B 的值通過ALU 單元的B7B0 八位LED 燈顯示。(6) 轉(zhuǎn)變運算器的功能設(shè)置，觀看

7、運算器的輸出。置ALU_B=0、LDA=0、LDB=0，然后按表1-1-1 置S3、S2、S1、S0 和Cn 的數(shù)值，并觀看數(shù)據(jù)總線LED 顯示燈顯示的結(jié)果。如置S3、S2、S1、S0 為0010，運算器作規(guī)律與運算，置S3、S2、S1、S0 為1001，運算器作加法運算。假照試驗箱和PC 聯(lián)機操作，則可通過軟件中的數(shù)據(jù)通路圖來觀測試驗結(jié)果，方法是：打開軟件，選擇聯(lián)機軟件的“【試驗】【運算器試驗】”，打開運算器試驗的數(shù)據(jù)通路圖，如下圖所示。進(jìn)行上面的手動操作，每按動一次TS 按鈕，數(shù)據(jù)通路圖會有數(shù)據(jù)的流淌，反映當(dāng)前運算器所做的操作，或在軟件中選擇“【調(diào)試】【單周期】”，其作用相當(dāng)于將時序單元的

8、狀態(tài)開關(guān)置為單步檔后按動了一次TS 按鈕，數(shù)據(jù)通路圖也會反映當(dāng)前運算器所做的操作。2、 靜態(tài)隨機存儲器試驗：(1) 關(guān)閉試驗系統(tǒng)電源，按下圖連接試驗電路，并檢查無誤，圖中將用戶需要連接的信號用圓圈標(biāo)明。(2) 將時序單元的狀態(tài)開關(guān)置為單步檔（時序單元的介紹見附錄二）,MEM 單元的編程開關(guān)置為運行檔。(3) 將CON 單元的IOR 開關(guān)置為1（使IN 單元無輸出），打開電源開關(guān)，假如聽到有嘀報警聲，說明有總線競爭現(xiàn)象，應(yīng)馬上關(guān)閉電源，重新檢查接線，直到錯誤排解。(4) 給存儲器的00H、01H、02H、03H、04H 地址單元中分別寫入數(shù)據(jù)11H、12H、13H、14H、15H。由前面的存儲器

9、試驗原理圖可以看出，由于數(shù)據(jù)和地址由同一個數(shù)據(jù)開關(guān)給出，因此數(shù)據(jù)和地址要分時寫入，先寫地址，具體操作步驟為：先關(guān)掉存儲器的讀寫（WR=0，RD=0），然后利用數(shù)據(jù)開關(guān)設(shè)定地址，輸出地址到數(shù)據(jù)總線（IOR=0），最終打開地址寄存器門控信號（LDAR=1），按動TS 產(chǎn)生T2 脈沖，即將地址打入到AR 中。再寫數(shù)據(jù)，具體操作步驟為：先關(guān)掉存儲器的讀寫（WR=0，RD=0）和地址寄存器門控信號（LDAR=0），然后利用數(shù)據(jù)開關(guān)給出要寫入的數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)總線（IOR=0），最終使存儲器處于寫狀態(tài)（WR=1，RD=0，IOM=0），按動TS 產(chǎn)生T2 脈沖，即將數(shù)據(jù)打入到存儲器中。寫存儲器的流程如

10、下圖所示（以向00 地址單元寫入11H 為例）：(5) 依次讀出第00、01、02、03、04 號單元中的內(nèi)容，觀看上述各單元中的內(nèi)容是否與前面寫入的全都。同寫操作類似，也要先給出地址，然后進(jìn)行讀，地址的給出和前面一樣，而在進(jìn)行讀操作時，應(yīng)先關(guān)閉IN 單元的輸出（IOR=1），然后使存儲器處于讀狀態(tài)（WR=0，RD=1， IOM=0），此時數(shù)據(jù)總線上的數(shù)即為從存儲器當(dāng)前地址中讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容。讀存儲器的流程如下圖所示（以從00 地址單元讀出11H 為例）：（6）假照試驗箱和PC 聯(lián)機操作，則可通過軟件中的數(shù)據(jù)通路圖來觀測試驗結(jié)果，方法是：打開軟件，選擇聯(lián)機軟件的“【試驗】【存儲器試驗】”，打開存

11、儲器試驗的數(shù)據(jù)通路圖，如下圖所示。進(jìn)行上面的手動操作，每按動一次TS 按鈕，數(shù)據(jù)通路圖會有數(shù)據(jù)的流淌，反映當(dāng)前存儲器所做的操作（即使是對存儲器進(jìn)行讀，也應(yīng)按動一次TS 按鈕，數(shù)據(jù)通路圖才會有數(shù)據(jù)流淌），或在軟件中選擇“【調(diào)試】【單周期】”，其作用相當(dāng)于將時序單元的狀態(tài)開關(guān)置為單步檔后按動了一次TS 按鈕，數(shù)據(jù)通路圖也會反映當(dāng)前存儲器所做的操作。3、用Verilog語言在Modelsim上實現(xiàn)： 源代碼： module logic_operation#(parameter ISA_WIDTH = 4, DATA_WIDTH = 8) ( input sys_clock, input sys_re

12、set, input ISA_WIDTH - 1 : 0 control, input DATA_WIDTH - 1 : 0 data_a, input DATA_WIDTH - 1 : 0 data_b, output regDATA_WIDTH - 1 : 0 result);integer i;always (posedge sys_clock or posedge sys_reset) begin if (sys_reset = 1'b0) begin result <= 4'b0; end else begin case (control) 4'b000

13、0: begin for (i = 0; i < DATA_WIDTH; i = i + 1) resulti = data_ai; end 4'b0001: begin for (i = 0; i < DATA_WIDTH; i = i + 1) resulti = data_bi; end 4'b0010: begin for (i = 0; i < DATA_WIDTH; i = i + 1) resulti = data_ai & data_bi; end 4'b0011: begin for (i = 0; i < DATA_W

14、IDTH; i = i + 1) resulti = data_ai | data_bi; end 4'b0100: begin for (i = 0; i < DATA_WIDTH; i = i + 1) resulti = data_ai; end default: ; endcase endendendmodule五、調(diào)試運行結(jié)果： 試驗結(jié)果以表格方式呈現(xiàn)： 六、思考題的解答與分析： 1、基本運算器試驗： (1)利用上述運算器能否實現(xiàn)大于8位二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運算？假如能，需要實行什么樣的措施？ 答：可以利用上述運算器實現(xiàn)大于8位的二進(jìn)制算數(shù)運算，前提是，將上述兩個寄存器連接起

15、來實現(xiàn)一個16位的寄存器，輸入與輸出都可以利用這個寄存器。 (2)給出一組數(shù)據(jù)，驗證桶形移位器的功能。答：設(shè)計了一個8位桶形移位器，能左右進(jìn)行循環(huán)移位，移位的數(shù)量可以在07進(jìn)行變化。 以下是源代碼，3位選擇移位數(shù)，還有一位是方向選擇：module shifter1(IN,S,d,out);input 7:0 IN;input 2:0 S;input d;output7:0 out;reg7:0 out;always (IN or S or d)beginif(d)case(S)3'b000:beginout<=IN;end3'b001:beginout7<=IN0;

16、out6:0<=IN7:1;end3'b010:beginout7:6<=IN1:0;out5:0<=IN7:2;end3'b011:beginout7:5<=IN2:0;out4:0<=IN7:3;end3'b100:beginout7:4<=IN3:0;out3:0<=IN7:4;end3'b101:beginout7:3<=IN4:0;out2:0<=IN7:5;end3'b110:beginout7:2<=IN5:0;out1:0<=IN7:6;end3'b111:begi

17、nout7:1<=IN6:0;out0<=IN7;endendcaseelse if(d)case(S)3'b000:beginout<=IN;end3'b001:beginout0<=IN7;out7:1<=IN6:0;end3'b010:beginout1:0<=IN7:6;out7:2<=IN5:0;end3'b011:beginout2:0<=IN7:5;out7:3<=IN4:0;end3'b100:beginout3:0<=IN7:4;out7:4<=IN3:0;end3

18、9;b101:beginout4:0<=IN7:3;out7:5<=IN2:0;end3'b110:beginout5:0<=IN7:2;out7:6<=IN1:0;end3'b111:beginout6:0<=IN7:1;out7<=IN0;endendcaseendendmodule 2、靜態(tài)隨機存儲器：(1) 隨機存儲器和只讀存儲器的區(qū)分是什么，能否通過外加電路實現(xiàn)用隨機存儲器代替只讀存儲器？答：只讀存儲器就是ROM，而隨機存儲器就是RAM。只讀存儲器是只能讀出事先所存數(shù)據(jù)的固態(tài)半導(dǎo)體存儲器，ROM所存數(shù)據(jù)，一般是裝入整機前事先寫好的，整機工作過程中只能讀出，而不像隨機存儲器那樣能快速地、便利地加以改寫。ROM所存數(shù)據(jù)穩(wěn)定 ，斷電后所存數(shù)據(jù)也不會轉(zhuǎn)變；其結(jié)構(gòu)較簡潔，讀出較便利，因而常用于存儲各種固定程序和數(shù)據(jù)，就像電腦硬盤一樣。隨即存儲器是以相同速度高速地、隨機地寫入和讀出數(shù)據(jù)（寫入速度和讀出速度可以不同）的一種半導(dǎo)體存儲器，RAM的優(yōu)點是存取速度快、讀寫便利，缺點是數(shù)據(jù)不能長期保持，斷電后自行消逝，因此主要用于計算機主存儲器等要求快速存儲的系統(tǒng)，比如，電腦的內(nèi)存條就是RAM。(2) 動態(tài)隨機存儲器和靜態(tài)隨機存儲器的區(qū)分是什么，與靜態(tài)隨機存儲器相比，動態(tài)隨機存儲器在電路設(shè)計需要考慮什