計算機組成原理實驗課程實 驗 報 告 實驗題目 組成原理上機實驗 班 級 1237-小 姓 名 學 號 時 間 2014年5月 成 績 實驗一 基本運算器實驗1. 實驗目的（1） 了解運算器的組成原理（2） 掌握運算器的工作原理2. 實驗內容輸入數據，根據運算器邏輯功能表1-1進行邏輯、移位、算術運算,將運算結果填入表1-2。表 1-1 運算器邏輯功能表運算類型ABS3 S2 S1 S0CN結果邏輯運算65A70 0 0 0XF=( 65 ) FC=( ) FZ=( )65A70 0 0 1XF=( A7 ) FC=( ) FZ=( )0 0 1 0XF=( ) FC=( ) FZ=( )0 0 1 1XF=( ) FC=( ) FZ=( )0 1 0 0XF=( ) FC=( ) FZ=( )移位運算0 1 0 1XF=( ) FC=( ) FZ=( )0 1 1 00F=( ) FC=( ) FZ=( )1F=( ) FC=( ) FZ=( )0 1 1 10F=( ) FC=( ) FZ=( )1F=( ) FC=( ) FZ=( )算術運算1 0 0 0XF=( ) FC=( ) FZ=( )1 0 0 1XF=( ) FC=( ) FZ=( ) 1 0 1 0（FC=0）XF=( ) FC=( ) FZ=( ) 1 0 1 0（FC=1）XF=( ) FC=( ) FZ=( )1 0 1 1XF=( ) FC=( ) FZ=( )1 1 0 0XF=( ) FC=( ) FZ=( )1 1 0 1XF=( ) FC=( ) FZ=( )表1-2 運算結果表3. 實驗原理本實驗的原理如圖1-1所示。運算器內部含有三個獨立運算部件，分別為算術、邏輯和移位運算部件，要處理的數據存于暫存器 A 和暫存器 B，三個部件同時接受來自 A 和 B 的數據（有些處理器體系結構把移位運算器放于算術和邏輯運算部件之前，如 ARM），各部件對操作數進行何種運算由控制信號 S3S0和 CN 來決定，任何時候，多路選擇開關只選擇三部件中一個部件的結果作為 ALU 的輸出。如果是影響進位的運算，還將置進位標志 FC，在運算結果輸出前，置 ALU 零標志。ALU 中所有模塊集成在一片 CPLD 中。圖 1-1 運算器原理圖邏輯運算部件由邏輯門構成，較為簡單，而后面又有專門的算術運算部件設計實驗，在此對這兩個部件不再贅述。移位運算采用的是桶形移位器，一般采用交叉開關矩陣來實現，交叉開關的原理如圖1-2所示。圖1-2中顯示的是一個 4X4 的矩陣（系統(tǒng)中是一個 8X8 的矩陣）。每一個輸入都通過開關與一個輸出相連，把沿對角線的開關導通，就可實現移位功能，即：(1)對于邏輯左移或邏輯右移功能，將一條對角線的開關導通，這將所有的輸入位與所使用的輸出分別相連,而沒有同任何輸入相連的則輸出連接 0。(2)對于循環(huán)右移功能，右移對角線同互補的左移對角線一起激活。例如，在 4 位矩陣中使用右 1和左 3對角線來實現右循環(huán) 1 位。(3)對于未連接的輸出位，移位時使用符號擴展或是 0 填充，具體由相應的指令控制。使用另外的邏輯進行移位總量譯碼和符號判別。運算器部件由一片 CPLD 實現。ALU 的輸入和輸出通過三態(tài)門 74LS245 連到 CPU 內總線上，另外還有指示燈標明進位標志 FC 和零標志 FZ。請注意：實驗箱上凡絲印標注有馬蹄形標記 ，表示這兩根排針之間是連通的。圖中除 T4 和 CLR，其余信號均來自于 ALU 單元的排線座，實驗箱中所有單元的 T1、T2、T3、T4 都連接至控制總線單元的 T1、T2、T3、T4，CLR 都連接至 CON 單元的 CLR 按鈕。T4 由時序單元的 TS4 提供（時序單元的介紹見附錄二），其余控制信號均由 CON 單元的二進制數據開關模擬給出?？刂菩盘栔谐?T4 為脈沖信號外，其余均為電平信號，其中 ALU_B 為低有效，其余為高有效。暫存器 A 和暫存器 B 的數據能在 LED 燈上實時顯示，原理如圖1-3 所示（以 A0 為例，其線路連接圖它相同）。進位標志 FC、零標志 FZ 和數據總線 D7D0 的顯示原理也是如此。圖1-3 A0顯示原理圖運算器的邏輯功能表如表1-1 所示，其中 S3 S2 S1 S0 CN 為控制信號，FC 為進位標志，FZ 為運算器零標志，表中功能欄內的 FC、FZ 表示當前運算會影響到該標志。4.實驗結果運算類型ABS3 S2 S1 S0CN結果邏輯運算65A70 0 0 0XF=( 65 ) FC=( 0 ) FZ=( )65A70 0 0 1XF=( A7 ) FC=( 0 ) FZ=( )0 0 1 0XF=( 26 ) FC=( 0 ) FZ=( )0 0 1 1XF=( E7 ) FC=( 0 ) FZ=( )0 1 0 0XF=( 9A ) FC=( 0 ) FZ=( )移位運算0 1 0 1XF=( CA ) FC=( 1 ) FZ=( )0 1 1 00F=( 32 ) FC=( 1 ) FZ=( )1F=( B2 ) FC=( 1 ) FZ=( )0 1 1 10F=( CA) FC=( 0 ) FZ=( )1F=(CA ) FC=( 0 ) FZ=( )算術運算1 0 0 0XF=( 65 ) FC=( 1 ) FZ=( )1 0 0 1XF=( 0C ) FC=( 1 ) FZ=( ) 1 0 1 0（FC=0）XF=( 33 ) FC=( 1 ) FZ=( ) 1 0 1 0（FC=1）XF=( 0D ) FC=( 1 ) FZ=( )1 0 1 1XF=(BE ) FC=( 1 ) FZ=( )1 1 0 0XF=( 64 ) FC=( 0 ) FZ=( )1 1 0 1XF=( 66 ) FC=( 0 ) FZ=( )5.實驗心得通過本次試驗，了解了運算器的組成原理和工作原理，初步了解這門實驗課的方法和步驟等，這只是一次很簡單的實驗，為的就是為后面幾次相對比較復雜的實驗打下堅實的基礎，以便于更好的學習。實驗二 靜態(tài)隨機存儲器實驗1. 試驗目的掌握靜態(tài)隨機存儲器RAM工作特性及數據的讀寫方法2.實驗內容1. 向存儲器中指定的地址單元輸入數據,地址先輸入AR寄存器，再將數據送入總線后，存到指定的存儲單元，觀察數據在各部件上的顯示結果。2. 從存儲器中指定的地址單元讀出數據, 地址先輸入AR寄存器, 讀出的數據送入總線, 觀察數據在各部件上的顯示結果。3.實驗原理實驗所用的靜態(tài)存儲器由一片 6116（2K8bit）構成（位于 MEM 單元），如圖 2-1 所示。6116 有三個控制線：CS（片選線）、OE（讀線）、WE（寫線），其功能如表 2-1 所示，當片選有效（CS=0）時，OE=0 時進行讀操作，WE=0 時進行寫操作，本實驗將 CS 常接地。由于存儲器（MEM）最終是要掛接到 CPU 上，所以其還需要一個讀寫控制邏輯，使得 CPU能控制 MEM 的讀寫，實驗中的讀寫控制邏輯如圖 2-2 所示，由于 T3 的參與，可以保證 MEM的寫脈寬與 T3 一致，T3 由時序單元的 TS3 給出（時序單元的介紹見附錄 2）。IOM 用來選擇是對 I/O 還是對 MEM 進行讀寫操作，RD=1 時為讀，WR=1 時為寫。如表2-2所示。表 2-1 SRAM 6116 功能表 圖 2-2 讀寫控制邏輯表 2-2 讀寫邏輯控制表IOMWRRDINOUTMEM110有效101有效010寫001讀實驗原理圖如圖 2-3 所示，存儲器數據線接至數據總線，數據總線上接有 8 個 LED 燈顯示 D7D0 的內容。地址線接至地址總線，地址總線上接有 8 個 LED 燈顯示 A7A0 的內容，地址由地址鎖存器（74LS273，位于 PC&AR 單元）給出。數據開關（位于 IN 單元）經一個三態(tài)門（74LS245）連至數據總線，分時給出地址和數據。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)。實驗箱中所有單元的時序都連接至時序與操作臺單元，CLR 都連接至 CON 單元的 CLR 按鈕。實驗時 T3 由時序單元給出，其余信號由 CON 單元的二進制開關模擬給出，其中 IOM 應為低（即 MEM 操作），RD、WR 高有效，MR 和 MW 低有效，LDAR 高有效。圖 2-3 存儲器實驗原理圖4.實驗心得 通過本次試驗，了解了靜態(tài)隨機存儲器RAM工作特性及數據的讀寫方法，同時知道了組成原理的理論課也很重要，沒有理論課的基礎，實驗時就不知道怎么弄了，只有把理論和實踐結合起來才能學好這門課。實驗三 系統(tǒng)總線與總線接口1. 實驗目的（1） 理解總線的概念及其特性（2） 掌握控制總線的功能和應用2. 實驗內容1、 輸入設備將一個數打入 R0 寄存器。2、 輸入設備將另一個數打入地址寄存器。3、 將 R0 寄存器中的數寫入到當前地址的存儲器中。4、將當前地址的存儲器中的數用 LED 數碼管顯示。3. 實驗原理實驗接線圖由于存儲器和輸入、輸出設備最終是要掛接到外部總線上，所以需要外部總線提供數據信號、地址信號以及控制信號。在該實驗平臺中，外部總線分為數據總線、地址總線、和控制總線，分別為外設提供上述信號。外部總線和 CPU 內總線之間通過三態(tài)門連接，同時實現了內外總線的分離和對于數據流向的控制。地址總線可以為外部設備提供地址信號和片選信號。表 3-2 讀寫邏輯控制表IOMWRRDINOUTMEM110有效101有效010寫001讀在理解讀寫控制邏輯的基礎上我們設計一個總線傳輸的實驗。實驗所用總線傳輸實驗框圖如圖 3-3 所示，它將幾種不同的設備掛至總線上，有存儲器、輸入設備、輸出設備、寄存器。這些設備都需要有三態(tài)輸出控制，按照傳輸要求恰當有序的控制它們，就可實現總線信息傳輸。圖 3-3 總線傳輸實驗框圖4. 實驗心得通過本次試驗，我們對總線的概念和其特性及控制總線的功能和應用得到更多的了解。學會了自己譯碼，自己譯出控制信號等，感覺這是一門比較有趣的課程，希望這能在以后的學習和工作中帶來一定的益處。實驗四 微程序控制器實驗1. 實驗目的（1） 掌握微程序控制器的組成原理（2） 掌握微程序的編制、寫入，觀察微程序的運行過程2.實驗內容設計以下機器指令的微程序，如表4-2所示：表4-2 機器指令的微程序助記符機器指令碼說明IN0010 0000IN R0ADD0000 0000R0 + R0R0OUT0011 0000R0OUTHLT0101 0000停機本實驗安排了四條機器指令，分別為 ADD（0000 0000）、IN（0010 0000）、OUT（0011 0000）和 HLT（0101 0000），括號中為各指令的二進制代碼3.實驗原理微程序控制器的基本任務是完成當前指令的翻譯和執(zhí)行，即將當前指令的功能轉換成可以控制的硬件邏輯部件工作的微命令序列，完成數據傳送和各種處理操作。它的執(zhí)行方法就是將控制各部件動作的微命令的集合進行編碼，即將微命令的集合仿照機器指令一樣，用數字代碼的形式表示，這種表示稱為微指令。這樣就可以用一個微指令序列表示一條機器指令，這種微指令序列稱為微程序。微程序存儲在一種專用的存儲器中，稱為控制存儲器,微程序控制器原理框圖如圖 4-1 所示。圖4-1微程序控制器組成原理框圖微程序控制器的組成見圖4-2，其中控制存儲器采用 3 片 2816 的 E2PROM，具有掉電保護功能，微命令寄存器 18 位，用兩片 8D 觸發(fā)器（273）和一片 4D（175）觸發(fā)器組成。微地址寄存器 6 位，用三片正沿觸發(fā)的雙 D 觸發(fā)器（74）組成，它們帶有清“0”端和預置端。在不判別測試的情況下，T2 時刻打入微地址寄存器的內容即為下一條微指令地址。當 T4 時刻進行測試判別時，轉移邏輯滿足條件后輸出的負脈沖通過強置端將某一觸發(fā)器置為“1”狀態(tài)，完成地址修改。首先將 KK1 撥至停止檔、KK3 撥至編程檔、KK4 撥至控存檔、KK5 撥至置數檔，由 CON 單元的 SD05SD00 開關給出需要編輯的控存單元首地址（000000），IN 單元開關給出該控存單元數據的低 8 位（00010001），連續(xù)兩次按動時序與操作臺單元的開關ST（第一次按動后 MC 單元低 8 位顯示該單元以前存儲的數據，第二次按動后顯示當前改動的數據），此時 MC 單元的指示燈 MA5MA0 顯示當前地址（000000），M7M0 顯示當前數據（00010001）。然后將 KK5 撥至加 1檔，IN 單元開關給出該控存單元數據的中 8 位（00100010），連續(xù)兩次按動開關 ST，完成對該控存單元中 8 位數據的修改，此時 MC 單元的指示燈 MA5MA0 顯示當前地址（000000），M15M8 顯示當前數據（00100010）；再由 IN 單元開關給出該控存單元數據的高 8 位（00110011），連續(xù)兩次按動開關 ST，完成對該控存單元高 8 位數據的修改此時 MC 單元的指示燈 MA5MA0 顯示當前地址（000000），M23M16 顯示當前數據（00110011）。此時被編輯的控存單元地址會自動加 1（01H），由 IN 單元開關依次給出該控存單元數據的低 8 位、中 8 位和高 8 位配合每次開關 ST 的兩次按動，即可完成對后續(xù)單元的編輯。編輯完成后需進行校驗，以確保編輯的正確。以校驗 00H 單元為例，對于控制存儲器進行校驗的具體操作步驟如下：首先將 KK1 撥至停止檔、KK3 撥至校驗檔、KK4 撥至控存檔、KK5 撥至置數檔。由 CON 單元的 SD05SD00 開關給出需要校驗的控存單元地址（000000），連續(xù)兩次按動開關 ST，MC 單元指示燈 M7M0 顯示該單元低 8 位數據（00010001）；KK5 撥至加 1檔，再連續(xù)兩次按動開關 ST，MC 單元指示燈 M15M8 顯示該單元中 8 位數據（00100010）；再連續(xù)兩次按動開關 ST，MC 單元指示燈 M23M16 顯示該單元高 8 位數據（00110011）。位于實驗平臺 MC 單元左上角一列三個指示燈 MC2、MC1、MC0 用來指示當前操作的微程序字段，分別對應 M23M16、M15M8、M7M0。實驗平臺提供了比較靈活的手動操作方式，比如在上述操作中在對地址置數后將開關 KK4 撥至減 1檔，則每次隨著開關 ST 的兩次撥動操作，字節(jié)數依次從高 8 位到低 8 位遞減，減至低 8 位后，再按動兩次開關ST，微地址會自動減一，繼續(xù)對下一個單元的操作。表 4-1 微指令格式其中 MA5MA0 為 6 位的后續(xù)微地址，A、B、C 為三個譯碼字段，分別由三個控制位譯碼出多位。C 字段中的 P為測試字位。其功能是根據機器指令及相應微代碼進行譯碼，使微程序轉入相應的微地址入口，從而實現完成對指令的識別，并實現微程序的分支，本系統(tǒng)上的指令譯碼原理如圖 4-3 所示，圖中 I7I2 為指令寄存器的第 72 位輸出，SE5SE0 為微控器單元微地址鎖存器的強置端輸出，指令譯碼邏輯在 IR 單元的 INS_DEC（GAL20V8）中實現。從圖 4-2 中也可以看出，微控器產生的控制信號比表 4-1 中的要多，這是因為實驗的不同，所需的控制信號也不一樣，本實驗只用了部分的控制信號。本實驗除了用到指令寄存器（IR）和通用寄存器 R0 外，還要用到 IN 和 OUT 單元，從微控器出來的信號中只有 IOM、WR 和 RD 三個信號，所以對這兩個單元的讀寫信號還應先經過譯碼，其譯碼原理如圖 4-4 所示。IR 單元的原理圖如圖 4-5 所示，R0 單元原理如圖 4-7 所示，IN 單元的原理圖見圖 4-3 所示，OUT 單元的原理圖見圖 4-6 所示。圖 4-3 指令譯碼原理圖 圖 4-4 讀寫控制邏輯 圖4-5 IR單元原理圖 實驗中機器指令由 CON 單元的二進制開關手動給出，其余單元的控制信號均由微程序控制器自動產生，為此可以設計出相應的數據通路圖，見圖 4-8 所示。圖 4-8 數據通路圖4.實驗心得通過本次試驗，我學習到了微程序控制器的組成原理及其編制、寫入。每一條控制代碼，都是由幾個控制代碼組合而成，這用到了前面幾次實驗的知識，也讓我掌握了自己編寫控制代碼的能力，感覺這次實驗中收獲良多，相信對最后一次實驗會有很大的幫助。實驗五 簡單模型機設計實驗1. 實驗目的（1） 掌握一個簡單CPU的組成原理（2） 在掌握部件單元電路的基礎上，進一步將其構造成一臺基本模型計算機（3） 為其定義五條機器指令，編寫相應的微程序，并上機調試掌握整機概念2.實驗內容用所設計的5條機器指令編寫一匯編語言程序，運行該程序并觀察程序運行的結果。要求該程序必須包含IN、ADD、OUT、JMP、HLT指令并且程序的長度在6條指令以上。設計一段機器程序，要求從 IN 單元讀入一個數據，存于 R0，將 R0 和自身相加，結果存于R0，再將 R0 的值送 OUT 單元顯示。3.實驗原理簡單模型機微程序流程圖本實驗要實現一個簡單的 CPU，并且在此 CPU 的基礎上，繼續(xù)構建一個簡單的模型計算機。CPU 由運算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0），指令寄存器（IR）、程序計數器（PC）和地址寄存器（AR）組成,如圖 5-1-1 所示。這個 CPU 在寫入相應的微指令后，就具備了執(zhí)行機器指令的功能，但是機器指令一般存放在主存當中，CPU 必須和主存掛接后，才有實際的意義，所以還需要在該 CPU 的基礎上增加一個主存和基本的輸入輸出部件，以構成一個簡單的模型計算機。除了程序計數器（PC），其余部件在前面的實驗中都已用到，在此不再討論。系統(tǒng)的程序計數器（PC）和地址寄存器（AR）集成在一片 CPLD 芯片中 。CLR 連接至 CON 單元的總清端CLR，按下 CLR 按鈕，將使 PC 清零，LDPC 和 T3 相與后作為計數器的計數時鐘，當 LOAD為低時，計數時鐘到來后將 CPU 內總線上的數據打入 PC。圖 5-2 程序計數器(PC)原理圖本模型機和前面微程序控制器實驗相比，新增加一條跳轉指令 JMP，共有五條指令：IN（輸入）、ADD（二進制加法）、OUT（輸出）、JMP（無條件轉移），HLT（停機），其指令格式如下（高位為操作碼）：其中 JMP 為雙字節(jié)指令，其余均為單字節(jié)指令，*為 addr 對應的二進制地址碼。微程序控制器實驗的指令是通過手動給出的，現在要求 CPU 自動從存儲器讀取指令并執(zhí)行。根據以上要求，設計數據通路圖，如圖 5-3 所示。圖 5-3 數據通路圖本實驗在前一個實驗的基礎上增加了三個部件，一是 PC（程序計數器），另一個是 AR（地址寄存器），還有就是 MEM（主存）。因而在微指令中應增加相應的控制位，其微指令格式如表5-1 所示。4.實驗結果5.實驗心得通過本次實驗我了解到了微程序和微指令與微程序之間的關系，這幾次實驗中我獲益良多，平時我們能見到的都是計算機的外部結構，在計算機組成原理的學習中，逐步對計算機的內部結構有了一些了解，但始終都停留在理論階段。而在簡單模型機設計中，讓讓我對運算器的內部結構有了更深的了解，并且對計算機組成原理也有了更深層次的理解，同時這次課程設計還鍛煉了我的實驗動手能力，也培養(yǎng)了我的認真負責的科學態(tài)度。