2022年2022年计算机组成原理与系统结构 .pdf

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1、第 1 页/共 15 页西安财经学院信息学院计算机组成原理与系统结构实验报告实验名称运算器实验、通用寄存器实验、移位寄存器实验实验室 实验楼 418 实验日期2012-11-27 2012-11-29 2012-12-4 一、实验目的及要求1掌握简单运算器的数据传输方式，验证运算功能发生器74LS181及进位控制的组合功能。2熟悉通用寄存器的概念、通用寄存器的组成和硬件电路。3了解移位寄存器的硬件电路，验证移位控制与寄存的组合功能，利用寄存器进行数据传输。二、实验环境Dais-CMH /CMH 计算机组成原理实验箱一台三、实验原理（一）运算器实验实验中所用的运算器数据通路如图1-1 所示。其中

2、运算器由两片74LS181以并/ 串形式构成 8 位字长的 ALU 。运算器的输出经过一个三态门(74LS245)以 8 芯扁平线方式和数据总线相连，运算器的2 个数据输入端分别由二个锁存器(74LS273)锁存，锁存器的输入亦以8 芯扁平线方式与数据总线相连，数据开关(INPUT DEVICE)用来给出参与运算的数据，经一三态门(74LS245)以 8 芯扁平线方式和数据总线相连，数据显示灯(BUS UNIT)已和数据总线相连，用来显示数据总线内容。图 1-1 中 T2、T4 为时序电路产生的节拍脉冲信号，通过连接时序启停单元时钟信号“”来获得，剩余均为电平控制信号。进行实验时，首先按动位于

3、本实验装置右中侧的复位按钮使系统进入初始待令状态，在LED显示器闪动位出现“P.”的状态下，按【增址】命令键使LED显示器自左向右第4 位切换到提示符“L”，表示本装置已进入手动单元实验状态，在该状态下按动【单步】命令键，即可获得实验所需的单脉冲信号，而LDDR1 、LDDR2 、ALU-B 、SW-B 、S3、S2、S1、 S0、 CN 、 M各电平控制信号用位于LED显示器上方的 26 位二进制开关来模拟，均为高电平有效。姓名学号班级年级11 级指导教师名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - -

4、 - - - - 第 1 页，共 15 页 - - - - - - - - - 第 2 页/共 15 页图 1-1运算器电原理图（二）通用寄存器实验实验中所用的通用寄存器数据通路如图1-2 所示。 由三片 8 位字长的 74LS374组成 R0、R1 、R2 寄存器组成。三个寄存器的输入接口用一8 芯扁平线连至BUS总线接口，而三个寄存器的输出接口用一8 芯扁平线连至BUS总线接口。图中R0-B、R1-B、R2-B 经 CBA二进制控制开关译码产生数据输出选通信号（详见表1-1） ，LDR0 、LDR1 、LDR2为数据写入允许信号，由二进制控制开关模拟，均为高电平有效；T4 信号为寄存器数据

5、写入脉冲， 上升沿有效。在手动实验状态（即“L”状态）每按动一次【单步】命令键，产生一次T4 信号。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 15 页 - - - - - - - - - 第 3 页/共 15 页图 1-2通用寄存器单元电路表 1-1通用寄存器单元选通真值表C B A 选择1 0 0 R0-B 1 0 1 R1-B 1 1 0 R2-B （三）移位寄存器实验图 1-3带进位移位寄存器电原理图上图所示，使用了一片74LS299作为移位发生器，其中8 位

6、输入输出端以8 芯扁平线连接形式和总线接口连接。299-B 信号控制其使能端（ 0 有效） ，T4为时序节拍脉冲，实验时按【单步】命令键产生。由S0 、S1、M 控制信号设置其运行状态，其控制特性列表如下：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 15 页 - - - - - - - - - 第 4 页/共 15 页表 1-2299-B S1 S0 M 功能0 0 0 任意保持0 1 0 0 循环右移0 1 0 1 带进位循环右移0 0 1 0 循环左移0 0 1

7、1 带进位循环左移任意1 1 任意装数说明：令CBA=011时表中 299-B=0。四、实验连线（一）运算器实验图 1-4实验连线示意图按图 1-4 所示，连接实验电路： 总线接口连接：用8 芯扁平线连接图1-4 中所有标明“”或“”图案的总线接口。 控制线与时钟信号“”连接：用双头实验导线连接图1-4 中所有标明“”或“ ”图案的插孔（注： Dais-CMH的时钟信号已作内部连接） 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 15 页 - - - - - - -

8、- - 第 5 页/共 15 页（二）通用寄存器实验图 1-5实验连线示意图按图 1-5 所示，连接实验电路： 总线接口连接：用8 芯扁平线连接图1-5 中所有标明“”或“”图案的总线接口。 控制线与时钟信号“”连接：用双头实验导线连接图1-5 中所有标明“”或“ ”图案的插孔（注： Dais-CMH的时钟信号已作内部连接） 。（三）移位寄存器实验图 1-6实验连线示意图按图 1-6 所示，连接实验电路： 总线接口连接：用8 芯扁平线连接图1-6 中所有标明“”或“”图案的总线接口。 控制线与时钟信号“”连接：用双头实验导线连接图1-6 中所有标明“”或“ ”图案的插孔（注： Dais-CMH

9、的时钟信号已作内部连接） 。五、实验内容及步骤（一）运算器实验（一）算术运算实验名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 15 页 - - - - - - - - - 第 6 页/共 15 页 写操作（置数操作）拨动二进制数据开关向DR1和 DR2寄存器置数，具体操作步骤如下：注： 【单步】键的功能是启动时序电路产生T1T4四拍单周期脉冲图 1-7寄存器置数操作步骤 读操作（运算寄存器内容送总线）首先关闭数据输入三态控制端(SW-B=0)，存储器控制端CE 保持为0

10、，令LDDR1=0 、LDDR2=0 ，然后打开 ALU输出三态门 (CBA=010)，置 M 、S0、S1、S2、S3为 11111，再按【单步】键，数据总线单元显示DR1的内容，若把 M 、S0、S1、S2、S3置为 10101，再按【单步】键，数据总线单元显示DR2的内容。 算术运算（不带进位加）置 CBA=010 ，CN 、M 、S0、S1、S2、S3 状态为 101001，按【单步】键，此时数据总线单元应显示00001100（0CH ） 。（二）进位控制实验进位控制运算器的实验原理如实验四图所示，其中181 的进位位进入 74LS74锁存器 D端，该端的状态锁存受AR和 T4信号控制

11、，其中 AR为进位位允许信号，高电平有效； T4 为时序脉冲信号， 当 AR=1时在 T4节拍将本次运算的进位结果锁存到进位锁存器中，实现带进位控制实验。 进位位清零操作在“L”状态下，按动【复位】按钮，进位标志灯CY “灭”，实现对进位位的清零操作。（当进位标志灯“亮”时，表示CY=1 ） 。 用二进制数据开关向DR1和 DR2寄存器置数首先关闭 ALU输出三态门 (CBA=000)、CE=0 ，开启输入三态门 (SW-B=1)，设置数据开关，向 DR1存入 01010101(55H)，向 DR2存入 10101010(AAH)。操作步骤如下：注： 【单步】键的功能是启动时序电路产生T1T4

12、四拍单周期脉冲图 1-8寄存器置数操作步骤名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 15 页 - - - - - - - - - 第 7 页/共 15 页 验证带进位运算的进位锁存功能关闭数据输入三态门 (SW-B=0)、CE=0 ，使 CBA=010 ，AR=1 ，置 CN 、M 、S0、S1、S2、S3 的状态为101001，按【单步】键，此时数据总线单元显示的数据为DR1加 DR2 ，若进位标志灯 CY “亮”，表示有进位；反之无进位。（三）逻辑运算实验 写操

13、作（置数操作）拨动二进制数据开关向DR1和 DR2寄存器置数，具体操作步骤如下：注： 【单步】键的功能是启动时序电路产生T1T4四拍图 1-9寄存器置数操作步骤 读操作（运算寄存器内容送总线）首先关闭数据输入三态控制端(SW-B=0)，存储器控制端CE 保持为0，令LDDR1=0 、LDDR2=0 ，然后打开 ALU输出三态门 (CBA=010)，置 M 、S0、S1、S2、S3为 11111，再按【单步】键，数据总线单元显示DR1的内容，若把 M 、S0、S1、S2、S3置为 10101，再按【单步】键，数据总线单元显示DR2的内容。 逻辑或非运算逻辑或非运算的方法是置CBA=010 ，M

14、、S0、S1、S2、S3状态为 11000，按【单步】键，此时数据总线单元应显示00011000（18H ） 。注：加法运算时， CY=1表示运算结果有进位， CY=0表示运算结果无进位；减法运算时， CY=1表示运算结果无借位， CY=0表示运算结果有借位。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 15 页 - - - - - - - - - 第 8 页/共 15 页（二）通用寄存器实验（一）通用寄存器的写入拨动二进制数据开关向R0和 R1寄存器置数，具体操作步骤

15、如下：注： 【单步】键的功能是启动时序电路产生T1T4四拍单周期脉冲图 1-10寄存器置数操作步骤（二）通用寄存器的读出关闭数据输入三态 (SW-B=0)， 存储器控制端 CE=0 ， 令 LDR0=0 、 LDR1=0 、 LDR2=0 ，分别打开通用寄存器R0 、R1 、R2 输出控制位，置CBA=100时，按【单步】键，数据总线单元显示R0中的数据 01H ；置 CBA=101 时，按【单步】键。数据总线单元显示 R1中的数据 80H ；置 CBA=110时，按【单步】键，数据总线单元显示R2中的数据（随机）。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - -

16、- - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 15 页 - - - - - - - - - 第 9 页/共 15 页（三）移位寄存器实验（一）移位寄存器置数首先置 CBA=000 ，然后按下面所列流程图操作：注： 【单步】键的功能是启动时序电路产生T1T4四拍单周期脉冲图 1-11 （二）寄存器移位首先置 CBA=011(299-B=0) 、SW-B=0 、CE=0 ，然后参照表改变S0、S1、M的状态，按动【单步】命令键观察移位结果。（三）移位结果的寄存把移位寄存器移位后的内容寄存到通用寄存器（以R0 为例） ，首先按图 1-6所示连接实验电路

17、。在移位操作后保持CBA=011 （即 299-B=0） 、置 S0=0 、S1=0 ，令 LDR0=1 ，再按动【单步】命令键即可完成移位结果保存到通用寄存器R0的操作。（四）移位结果的读出置 CBA=100 、SW-B=0 、CE=0 ，按【单步】键，数据总线单元显示R0寄存器的内容，该内容应与移位寄存器的内容一致。六、实验结果分析（一）运算器实验手动实验：（一）初始化操作一旦进入 “ L” 状态，首先应把“二进制开关单元” 的 26 只模拟开关拨至下方（即低电平信号 “L” ） ，使26 只微控制状态指示灯处“ 暗” ，然后按【单步】命令键关闭全部控制信号锁存输出位， 用手动方法完成微控

18、制器的初始清零操作。在“ L” 状态下直接按 【复位】 按钮亦可完成微控制器的初始清零操作。（二）控制信号的打入方法 有效状态的特征：本系统提供的是“ 正逻辑 ” 控制电路，通常情况下把高电平“ H” 定义为有效状态，以点亮发光二极管为标志。 有效状态的建立：结合实验项目，按实验要求把相关的二进制开关拨向上方，点亮名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 15 页 - - - - - - - - - 第 10 页/共 15 页对应的发光二极管。 有效状态的控制：在建

19、立有效状态的基础上，按【单步】命令键单次启动时序节拍信号 T1 、T2 、T3 、T4 ，模型机按时序要求在相关时刻发出控制信号，以手动方式实现相关单元实验。（三）总线输入/ 输出约定 输入约定对于计算机各部件的数据输出必须通过数据总线来完成，为了避免总线冲突与竞争，模型机规定在同一机器周期内只能允许一个部件的数据占用总线。结合手动控制列举如下约定：数据开关送总线：令SW-B=1，CBA=000，CE=0存储器内容送总线：令CE=1 ， SW-B=0，CBA=000 其它部件送总线：令CBA=001111，SW-B=0，CE=0 输出共享对于计算机各部件的数据输入可共享总线内容，即在同一机器周

20、期内允许把当前数据同时送 2 个以上部件单元，结合手动控制举例如下：例：把数据开关的内容送通用寄存器R0 、运算寄存器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【单步】命令键即可实现总线数据共享。验证 74LS181的算术运算和逻辑运算功能（采用正逻辑）在给定 DR1=65 、DR2=A7 的情况下， 改变运算器的功能设置， 观察运算器的输出，填入下表中，并和理论分析进行比较、验证。表 13验DR1 DR2 S3 S2 S1 S0 M=0 （算术运算）M=1 （逻辑运算）Cn=1 无进位Cn=0 有进位65 6

21、5 65 65 65 65 65 65 65 65 65 A7 A7 A7 A7 A7 A7 A7 A7 A7 A7 A7 F=（65）F=（E7）F=（7D）F=（1）F=（A5）F=（27）F=（BD）F=（3F）F=（8A）F=（0C）F=（A2）F=（66）F=（E8）F=（7E）F=（00）F=（A6）F=（28）F=（BE ）F=（40）F=（8D）F=（0D）F=（A3） F=（9A） F=（18） F=（82）F=（0） F=（DA ） F=（58） F=（C2 ） F=（40）F=（BF ） F=（3D ） F=（A7）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - -

22、 - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 15 页 - - - - - - - - - 第 11 页/共 15 页65 65 65 65 65 A7 A7 A7 A7 A7 F=（24）F=（CA）F=（4C）F=（E2）F=（64）F=（25）F=（CB ）F=（4D）F=（E3）F=（65） F=（25） F=（1 ） F=（7D ） F=（E7）F=（65）在给定 DR1=14 、DR2=15情况下，改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，填入下表中，并和理论分析进行比较、验证。表 14 验DR1 DR2 S3

23、S2 S1 S0 M=0 （算术运算）M=1 （逻辑运算）Cn=1 无进位Cn=0 有进位14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 14 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 F=（14）F=（15）F=（FE）F=（FF）F=（14）F=（15）F=（FE）F=（FF）F=（28）F=（29）F=（12）F=（13）F=（28）F=（29）F=（12）F=（13）F=（15）F=（16）F=（FF）F=（00）F=（15）F=（16）F=（FF）F=（0）F=（29）F=（2A）F=（1

24、3）F=（14）F=（29）F=（2A）F=（13）F=（14） F=（EB ） F=（EA ） F=（01） F=（00） F=（EB ） F=（EA ） F=（01） F= （0） F=（FF） F=（FE ） F=（15） F=（FE ） F=（FF） F=（FE ） F= （15） F=（14）在自动模式下自动模式下如表6-3 所示：按键8 位 LED显示说明【返回】D Y - H P. 返回初始状态待命0 D Y - H 0 输入 DR1代号“0”【寄存】D Y - H 0 X X 按【寄存】命令键名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - -

25、- - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 15 页 - - - - - - - - - 第 12 页/共 15 页14 D Y - H 0 1 4 输入数字 14 【写】D Y - H 0 1 4 按【写】将14 打入DR1 【增址】D Y - H 1 X X 按【增址】指向DR2代号“ 1”15 D Y - H 1 1 5 输入数字 15 【写】D Y - H 1 1 5 按【写】将15 打入DR2 【返回】D Y - H P. 返回初始状态待命5 D Y - H 5 输入 CN代号“5”【寄存】D Y - H 5 X X 按【寄存】命令键28

26、D Y - H 5 2 8 输入运算控制符【写】D Y - H 5 按【写】将28 打入CN 【返回】D Y - H P. 返回闪动的 “H”待命状态【运算】D Y - H A U X X 输出结果（二）通用寄存器实验移位结果的读出置 CBA=100 、SW-B=0 、CE=0 ，按【单步】键，数据总线单元显示R0寄存器的内容，该内容应与移位寄存器的内容一致。在自动模式下：使用 26 只模拟开关进行控制。先按【复位】按钮完成微控制器的初始清零名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - -

27、 第 12 页，共 15 页 - - - - - - - - - 第 13 页/共 15 页操作。1. 进行写操作，拨动二进制数据开关向R0 和 R1 寄存器置数；2. 进行读操作， R0 和 R1 ，在数据总线单元显示，倘若再按【单步】 ，数据总线单元显示 R2 是随机数。表 1-5 通用寄存器单元选通真值表C B A 选择1 0 0 R0-B 1 0 1 R1-B 1 1 0 R2-B CBA=010 DR1 DR2 图 1-12 当 M=0 ，CN=1,S0S3：1001 先向 DR1 和 DR2 中打入两个人的学号，求出学号和，将它打入R0 之后，将学号 R1 和 R2 打入寄存器。通

28、过此实验了解寄存器的数据写入和读出，观察仪器的显示情况。两组数据完全对照，说明了实验的准确性。（三）移位寄存器实验74L181 29 R0 29 29 14 15 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 15 页 - - - - - - - - - 第 14 页/共 15 页实验结果如表 1-6，输入数为 14 装数00010100 14 循环右移00001010 CY=0 0A 带进位右移00000101 CY=0 05 循环左移00001010 CY=0 0

29、A 带进位左移00010100 CY=1 14 表 1-6 实验结果如表 1-76，输入数为 65 装数01100101 65 循环右移 10110010 CY=0 B2 带进位右移01011001 CY=0 59 循环左移10110010 CY=0 B2 带进位左移01100100 CY=1 64 表 1-7 分析：1. 在实验中先将 SW-B 等于 1 使三态门关闭；2. 299-B=1使移位运算器处于停止工作状态；3. 运用数据输入电路输入数据；4. SW-B 等于 0 使三态门打开完成将数据送入数据总线；5. 299-B=0打开移位运算电路此时S1,S0,M初始状态为 0，移位运算电路功能为保持名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 15 页 - - - - - - - - - 第 15 页/共 15 页名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 15 页 - - - - - - - - -