实 验 指 导 书

课程：计算机组成原理实验

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第一章 系统概述

1.1 实验系统组成

第二章　 基础模块实验

实验一 寄存器实验

实验目的：

熟悉试验仪各部分功能。

掌握寄存器结构、工作原理及其控制方法。

实验内容：

利用实验仪开关区上的开关sk23-sk16提供数据，其它开关做为控制信号，将数据通过DBUS写入OUT寄存器，并将OUT寄存器的内容送往扩展区通过数码管和发光二极管显示。

实验原理：

实验箱用74HC273 来构成寄存器。

（1）74HC273的功能如下：

（2）实验箱中74HC273的连接方式：

（3）实验逻辑框图

实验步骤：

1、连线

2、打开实验仪电源，按CON单元的nRST按键，系统复位；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、利用开关和控制信号将数据通过DBUS写入OUT寄存器，并将OUT寄存器的内容送往扩展区通过数码管和发光二极管显示。并写出将数据5FH写入OUT寄存器的操作过程。

实验二 运算器实验

实验目的：

了解运算器的组成结构；掌握运算器的工作原理和控制方法。

实验内容：

利用实验仪提供的运算器，通过开关提供数据信号，将数据写入寄存器A和寄存器B，并用开关控制ALU的运算方式，验证运算器的功能。

实验原理：

（1）实验逻辑框图：

信号说明：

 IN0~IN7：ALU数据输入信号

 ALU_D0~ALU_D7：ALU数据输出信号

 word/media/image7_1.png ：寄存器A写信号，低电平有效。当T1节拍信号到来，该信号有效时，IN0~IN7数据可以写入寄存器A。

 ：寄存器B写信号，低电平有效。当T2节拍信号到来，该信号有效时，IN0~IN7数据可以写入寄存器B。

 ：ALU计算结果读出信号，当T3节拍信号到来，该信号有效时，ALU计算结果送往ALU_D0~ALU_D7。

 S3~S0,CN_I：ALU运算控制信号，控制ALU的运算方法。

 T1,T2,T3：三个节拍信号，高电平有效，由con区的uSTEP按键控制，在运行状态时，依次按下uSTEP键会依次发出T1、T2、T3节拍。

 FC,FZ,FS,I：进位标志FC、零标志FZ、正负标志FS，中断允许标志I

（2）ALU功能表

ALU功能表

S3、S2、S1、S0、CN_I为控制信号，FC-进位标志，FZ-零标志，FS-正负标志，I-中断允许标志；表中功能栏内的FC、FZ、FS表示当前运算会影响到该标志。

*表中‘X’表示任意值，下同

实验步骤：

1、连线

2、打开实验仪电源，按CON单元的nRST按键，系统复位；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、给寄存器A赋值

4、给寄存器B赋值

5、利用S0~S3和CN_I，设置ALU计算功能

6、ALU运算结果输出

7、重复步骤3~6，按照下表修改S0~S3和CN_I的值，从而改变计算功能，将结果填入下列实验结果统计表，并自己验证计算结果正确性。

实验结果统计表

参考资料：

实验箱运算器原理图

word/media/image10_1.png

运算器内部含有三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，要处理的数据存于暂存器A和暂存器 B，三个部件同时接受来自A和B的数据（有些处理器体系结构把移位运算器放于算术和逻辑运算部件之前，如ARM），控制信号S3..S0、CN_I决定哪个部件工作、对操作数进行何种运算，S3..S0通过多路选择开关选择这个部件的结果作为ALU的输出；如果运算影响进位标志FC、零标志FZ、正负标志位FS，在T3状态的下降沿，结果分别锁存到FC、FZ、FS ；I是中断允许标志位。ALU中所有模块集成在一片 CPLD中。

逻辑运算部件由逻辑门构成，较为简单，后一节有专门的算术运算部件设计实验，在此对这两个部件不再赘述。移位运算采用的是8×8位桶形移位器，这样，可以使所有的移位操作都可以一次完成。下图是一个4×4位桶形移位器

word/media/image11_1.png

所有的输入通过交叉开关与所有的输出端相连。

如右移2位，第2条对角线(右移2)上的2个交叉开关接通，即第3位(in[3])右移至第1位(out[1]),第2位(in[2])移至第0位(out[0])。

又如右环移1位，第3条对角线(右移1)和第7条对角线(左3，3=4-1)同时有效，即可方便地实现右环移。

逻辑左移/右移只须把没连接的输出位同时充以“0”即可实现；算术右移也只须把没连接的输出位用符号位填充即可。

运算器部件由一片CPLD实现。ALU的输出通过三态门连到CPU内部数据总线（iDBus）上，另外还有指示灯标明进位标志FC、零标志FZ、正负标志FS。请注意：图中T1、T2、T3、nRST已与CON单元相连，其它信号都来自于ALU单元的排针上。

实验仪所有单元的T1、T2、T3、nRST已与控制台（CON）单元的T1、T2、T3、nRst连接，nRst提供复位信号；T1、T2、T3是一个微指令周期的三个节拍，高电平有效，瞬间只有一个信号有效，初始状态T1、T2、T3都是低电平。wA（允许写暂存器A）、wB(允许写暂存器B）、rALU(允许ALU结果输出到内部数据总线（iDBus）上)，都是低电平有效。

暂存器A和暂存器B的数据能在 LED灯上实时显示，原理如下图：

word/media/image12_1.png

进位标志FC、零标志FZ、正负标志FS、内部数据总线 iD7…iD0的显示原理与此类似；B、寄存器R0-3、堆栈寄存器SP、标志寄存器PSW（含FC、FZ、FS、I）共用R_0..R_7八个发光二极管，通过Select按键选择，按键上方的发光二极管指示R_0..R_7显示那个寄存器的值。

附录1 键、指示灯说明

1 指示灯

一、状态指示灯

EXEC键上方的发光二极管DS111亮，表示实验仪处于运行状态；DS111不亮，表示实验仪处于编辑状态，可以检查、修改uM（微存贮器）、MEM（存贮器）。

二、uM/M指示灯

在编辑状态，uM/M键上方发光二极管DS112亮，可以检查、修改uM；DS112不亮，可以检查、修改MEM。

三、节拍指示灯

CON单元的发光二极管DS168、DS169组成节拍指示灯。

2 按 键

一、运行状态

EXEC键上方的发光二极管亮，表示实验仪处于运行状态；按一次EXEC按键，发光二极管熄灭，表示实验仪处于编辑状态，可以检查、修改uM（微存贮器）、MEM（存贮器）。

运行状态时，STEP键、uSTEP键、iSTEP键、PULSE键有效；

STEP键：依次发出T1、T2、T3节拍

uSTEP键：如果当前是T1节拍，结束T1，进入T2节拍（T1 = 0，T2 = 1）

如果当前是T2节拍，结束T2，进入T3节拍（T2 = 0，T3 = 1）

如果当前是T3节拍，结束T3，进入T1节拍（T3 = 0，T1 = 1）

iSTEP键：按一次iSTEP，运行完当前机器指令对应的所有微指令（微程序），等待执行下一条机器指令

PULSE键：单脉冲按键，按一次，在JP87上发出一个单脉冲。

二、编辑状态

编辑状态时，ADDR键、+1键、-1键、uM/M键、nRD键、nWR键有效

1）ADDR键：读取IN单元的8位数据，作为操作uM、MEM的8位地址。

MEM：地址送到ABus总线上；uM：地址显示在uPC单元的uPC0-uPC7指示灯上。

2）+1键、-1键

(1)检查、修改MEM

+1键：当前地址+1

-1键：当前地址-1

(2) 检查、修改uM

3）uM/M键

uM/M键上方发光二极管DS112亮，可以检查、修改uM；DS112不亮，可以检查、修改MEM。按uM/M键可以切换。

4）nRD键

（1）MEM

按住nRD键，从MEM单元的6116中读出当前地址对应的数据到外部数据总线DBus上，松开nRD键，DBus总线上数据消失

（2）uM

如果当前针对uM低8位操作，按一次nRD键，从uM单元低八位对应的6116/2816中读出当前地址对应的数据，并锁存到uM7..uM0，uM7..uM0的指示灯显示数据；

如果当前针对uM中8位操作，按一次nRD键，从uM单元中八位对应的6116/2816中读出当前地址对应的数据，并锁存到uM15..uM8，uM15..uM8的指示灯显示数据；

如果当前针对uM高8位操作，按一次nRD键，从uM单元高八位对应的6116/2816中读出当前地址对应的数据，并锁存到uM23..uM16，uM23..uM16的指示灯显示数据；

如果当前针对uM最高8位操作，按一次nRD键，从uM单元最高八位对应的6116/2816中读出当前地址对应的数据，并锁存到uM31..uM24,uM31..uM24的指示灯显示数据；

5）nWR键有效

（1）MEM

按住nWR键，读取IN单元的8位数据,将数据通过外部数据总线DBus写到MEM单元的6116中，松开nWR键，DBus总线上数据消失。

（2）uM

按nWR一次键，读取IN单元的8位数据,如果当前针对uM低8位操作，数据写到uM单元低八位对应的6116/2816中，并锁存到uM7..uM0，uM7..uM0的指示灯显示数据；

按nWR一次键，读取IN单元的8位数据,如果当前针对uM中8位操作，数据写到uM单元中八位对应的6116/2816中，并锁存到uM15..uM8，uM15..uM8的指示灯显示数据；

按nWR一次键，读取IN单元的8位数据,如果当前针对uM高8位操作，数据写到uM单元高八位对应的6116/2816中，并锁存到uM23..uM16，uM23..uM16的指示灯显示数据；

按nWR一次键，读取IN单元的8位数据,如果当前针对uM最高8位操作，数据写到uM单元最高八位对应的6116/2816中，并锁存到uM31..uM24，uM31..uM24的指示灯显示数据；

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/3b74107acec789eb172ded630b1c59eef8c79a94.html