计算机组成原理实验课程 教学大纲.docx

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1、计算机组成原理实验教学大纲一、说明（一）课程性质计算机组成原理课程是计算机学院各个相关专业的一门专业必修课，属于技术性、工程性和 实践性都很强的课程，因此，实验课就显得十分重要，而且对后续课程有很重要的作用。（二）教学目的通过本课程的学习，使学生掌握计算机各主要部件的基本组成与工作原理，相互间的联系与 作用，从而加深对计算机整机系统的硬件组成和工作机理的理解，培养学生基本的分析问题和解 决问题的能力。通过实验课程的开设，使学生在理论与实践相结合的基础上进一步理解计算机的 内部结构和时空关系，掌握模型计算机的设计方法；同时培养和训练学生在硬件方面的实际动手 能力，以及提面学生独立分析问题和解决问

2、题的能力。（三）教学内容本实验课程是基r计算机组成原理课程的基本理论。主要教学内容有基FEDA的数字逻辑设 计软件Proteus的基本使用方法，求补器的基本设计方法，运算器的基本原理和组成，包括算术 逻辑运算、移位运算等，随机静态存储器RAM的基本原理，微程序控制器的组成和基本原理， 基本计算机模型的设计和调试，带移位功能模型机的设计和实现，复杂模型机的设计和调试等内 容。（四）教学时数本实验课程周学时数为2学时，学期学时数为36学时。（五）教学方式采用的主要教学方式有相关理论知识复习与回顾，本次实验基本原理的讲解和说明，实验过 程的提示与引导，实验中相关问题的思量与解答，实验结果的分析与总结

3、，实验的考核与评价等 多种教学方式。二、本文（一）基本要求掌握计算机系统各模块的工作原理及相互间的联系，熟悉计算机内部的数据流向，清晰建立 计算机整机概念。并在基本模型机的基础上，进一步由浅入深，熟练和掌握带移位运算模型机设 计、复杂模型机设计、可重构原理计算机组成等，通过学生自己动手和实践，巩固、加强基本概 念的理解，拓展对疑难问题的思路，将所学的知识综合运用，适应各类计算机开辟和应用的需要， 为深入学习计算机后续课程打下良好基础。（二）实验项目总表实验项目名称学时数项目类别项H类型认知实验环境2基础型必俯基于EDA的数字逻辑实训（一） 熟悉软件4基础型必做基于EDA的数字逻辑实训（二） 求

4、补器2基础型必做基于EDA的数字逻辑实训|（三） 加法器2设计型选做算术逻辑运算实验2基础型必做进位控制实验2基础型选做移位运算实验2基础型必做存储器实验（一）实验箱2基础型必做存储器实验（二）软件4综合型选作微控器实验4基础型必做基本模型机设计与实现4综合型必做带移位运算模型机设计与实现2综合型选做复杂模型机的设计与实现4设计型必做（三）实验项目内容及要求实验一认知实验环境实验目的：掌握DVCC-C5,JH计算机组成原理实验仪的基本使用方法； 简单了解本学期需要完成的实验题目；牢记DVCC-C5JH计算机组成原理实验仪的各种注意事项。实验设备：CCT-IV计算机组成原理教学实验系统一台。实验

5、内容：知悉计算机组成原理实验课的各方面的实验要求；了解DVCC-C5JH计算机组成原理实 验仪各个组成部份及其基本的功能；掌握DVCC-C5JH计算机组成原理实验仪的基本使用方法；掌 握数据线的使用方法；掌握数据开关和控制开关的使用方法。实验要求：熟悉计算机组成原理实验仪各个组成部份及其基本的功能。掌握DVCC-C5JH计算机组成原理实验仪的基本使用方法。实验二基于EDA的数字逻辑实训1（一）熟悉软件实验目的：掌握基于EDA的数字逻辑设计软件Proteus的基本使用方法；了解设计中使用到的常用芯片的基本特性；实验设备：安装有Proteus软件的微机一台。实验内容：学习Proteus软件的安装过

6、程；把握Proteus软件的基本使用方法和设计过程；学习 设计中使用到的常用芯片的基本特性；学会简单的实例设计的基本原理与设计过程及其基本的测 试方法。实验要求：掌握Proteus软件的安装过程；掌握Proteus软件的基本使用方法和设计过程；完成实验报告的书写。实验三基于EDA的数字逻辑实训（二）求补器实验目的： 掌握求补器的基本原理；采用对应的芯片设计简单的求补器；验证求补器的基本功能。实验设备：安装有Proteus软件的微机一台。实验内容：学习求补器的基本原理；确定求补器的基本设计方案；用Proteus软件摹拟设计一款 求补器：对照求补器的基本原理对设计进行测试：验证求补器的基本功能；总

7、结设计的成功得失， 提出更进一步的改进方案。实验要求：掌握求补器的基本原理；完成求补器的设计及功能测试；提出改进方案，完成实验报告。实验四基于EDA的数字逻辑实训|（三）加法器实验目的： 掌握加法器的基本原理；采用相应芯片设计行波进位加法器；测试和验证行波进位加法器的基本功能。实验设备：安装有Proteus软件的微机一台。实验内容：学习加法卷的基本原理；确定行波进位加法器的基本设计方案；用Proteus软件摹拟 设计一款加法器；对照加法器的基本原理对设计进行测试：验证行波进位加法器的基本功能；总 结设计的成功得失，提出更进一步的改进方案。实验要求：掌握加法器的基本原理；完成加法器的设计及功能测

8、试； 提出改进方案，完成实验报告。实验五算术逻辑运算实验实验目的： 掌握简单运算器的数据传送通路；熟悉算术逻辑运算单元（ALU）的工作原理； 验证运算功能发生器（74LS181）的组合功能。实验设备：CCT-IV计算机组成原理教学实验系统一台。实验电路：（原理图1-1）实验内容：按图1-2连接实验路线，检查无误，接通电源。根据电路图熟悉运算器模块与实验中 所用控制信号 M、Cn、S3、S2、SI、 SO、LDDR1、LDDR2、ALU-BUS、 SW-B.练习向寄存 器DR,置数并读出，熟悉运算器的数据传送通路，并按照给定的表格数据，完 成儿.指虎的算数、逻辑运算，验证运算器的组合功能。实验要

9、求：做好实验预习，熟悉实验中所用的摹拟开关作用和使用方法。分析本次实验结果和误差，写出实验报告。实验六进位控制实验实验目的： 验证带进位控制算术运算功能发生器的功能；按指定数据完成几种算术运算。实验设备：CCT-1Y计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。实验电路：（原理图1-3）实验内容：按图1-4连线，检查无误，接通电源。本实验是在实验一的基础上增加进位控制部份。 其中181的进位进入一个74锁存器，其写入是由T4和AR信号控制，T4是脉冲信号，实验时将 T4连至“STATE UNIT”的微动开关KK2上。AR是电平控制信号（低电平有效），可用于实现带进 位控制实验；进位标志清零具体操作

10、方法为：S3 S2 SI SO M的状态置为00000, AR状态置为0, 按动微动开关KK2。注：清零时DR1寄存器中的数应不等于IT,进位标志指示灯CY亮时表示无 进位，进位标志为“0”，指示灯CY灭时表示有进位，进位标志为“1”。验证带进位运算及进位 锁存功能时，使Cn=l,Ar=0, SWB=k T4脉冲到来时,将本次运算的进位结果锁存到进位锁存器 中。注意观察进位标志显示灯CY,其它步骤与前相同。实验要求：本实验是在第一个实验的基础上.进行，也是对前面所学知识的巩固与拓展，应对所有 控制信号都熟练掌握，重点验证带进位运算及进位锁存功能。实验七移位运算实验实验目的：验证移位运算控制的组

11、合功能。实验设备：CCT-IV计算机组成原理教学实验系统一台。实验电路：（原理图1-5）实验内容：按图1-6连接实验路线，检查无误，接通电源。移位运算电路使用了-片74LS299 作为移位发生器，其八输入/输山端以排针方式和总线单元连接。299-B信号控制其使能端，T4 时序为时钟脉冲，实验时将“WR/UNIT”中的T4接至“STATE UNIT中的KK2单脉冲发生器,由 SO SI M信号控制其功能状态，其功能表如下：299-BS1soM功能000任意保持0100循环右移0101带进位循环右移0010循环左移0011带进位循环左移任意11任意装数实验要求：木实验依然是在第一个实验的基础上进行

12、，但增加了移位系统。首先应熟悉移位寄存 器299-B的功能，并参照功能表改变SO SI M 299-B的状态，按微动开关KK2,观察、记录已置 数据移位情况，与理论值进行对照。实验八 存储器实验（一）试验箱实验H的：掌握静态随机存储器的工作特性及数据的读写方法。实验设备：CCT-IV计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。实验电路：（原理图2-1）实验内容：按图2-2连线，检杳无误，接通电源。本实验所用的静态存储器由一片6116 （2K X 8）构成，6116有三个控制线：CE （片选线）、0E （读线）、WE （写线）。当片选CE=O,读信号0E=0 时，进行读操作，当片选CE=0,写信号

13、WE=1时，进行写操作。由于本实验中将0E常接地，这 样，当CE=0、WE=0时进行读操作，CE=0、WE=1时进行写操作，写时间与T3脉冲宽度一致。地 址线由地址锁存器给出，因地址寄存器为8位，所以6116的地址高三位A8-A10被固定接地， 其实际容量为256字节。逐一给相应的存储单元分别写入相同的、不同的数据，然后再挨次读出， 检查与前面写入的是否一致。实验中所需的时钟脉冲T3,根据有关操作形成，请参考实验步骤。 实验要求：做好预习，了解静态RAM 6116的功能特性及使用方法，整理测得的数据，写出实 验报告。预习微程序控器制实验，了解微程序过程控制的基本思想，掌握五条机器指令的功 能；

14、掌握微程序、微指令、机器指令的相互关系，熟悉微代码的写入过程。实验九 存储器实验（二）软件实验目的：掌握SRAM存储器的基本组成：掌握存储器与CPU的连接方法；学会选择相关芯片设计满足系统要求的存储器。实验设备：安装有Proteus软件的微机一台。实验内容：学习随机读写存储器的基本原理，掌握SRAM的基本组成；以提供的512KX8位芯片、 256Kxi6位芯片、128Kx8位芯片、16Kx8位芯片、32Kx8位芯片、8Kxi6位芯片等多种不同 规格的SRAM芯片，要求给某64位机设计出访问的1024KX64位存储器：确定设计方案；用Proteus 软件在微机上摹拟实现；测试设计方案是否符合规格

15、要求；总结设计的成功得失，提出更进一步 的改进方案。实验要求：做好预习，了解SRAM的功能特性及基本组成，学习存储器与CPU连接时的字扩展 法、位扩展法及字位扩展法。独立确定设计方案，进行设计和测试，提出更进一步的改进方案，总结本次实验， 书写实验报告。实验十微控制器实验 实验目的：掌握时序产生器的组成原理。掌握微过程控制器的组成原理及微代码写入并观察微程序的运行。实验设备：CCT-1V计算机组成原理教学实验系统一台。实验电路：（原理图3-1 3-2）实验内容：按图3-6连线，检查无误，接通电源。本实验包括两部份内容：时序产生器和微程序 控制器。首先用双踪示波器观察时序电路产生的时序波形Tl、

16、T2、T3、T4,并比较它们的相位 关系；画出波形图、标注测量的脉冲宽度，测量的具体方法可参照实验中观测时序信号的步骤进行。微程序控制器主要了解其基本组成及工作原理。经过预习，应了解五条机器指 令对应的二进制微代码（见表3-2）,按照编程步骤，将五条机器指令的二进制微代码写入控制 存储器2816,写入时将编程开关PROM置为（编程）状态，STATE INIT中的STATE ”置为“STATE ，“STOP”置为“RUN” ：用微地址开关设置微地址MA5-MA0,用数据开关MK24-MK1设 置微代码，具体方法可可参考有关内容。之后将开关PROM设置为READ （校验）状态，单步开关“STEP”

17、置为“STEP”状态,按动“START”键,启动时序电路,即可用单步方式检查读出微代 码，观察显示灯MD24-MD1状态，检查读出的微代码是否与写入的相同，若校验正确，写入的微 代码就可留在以后实验中用，反之，则需重新写入。然后可单步执行每一条微指令。单步执行微 指令时,编程开关PROM应置为“RUN（运行）状态；并操作CLR开关使微地址寄存器MA5-MA0 清零，从而明确本机的运行入口微地址为000000。每按一次“START”键，读出一条微指令；依 此可观察微地址显示灯和微命令显示灯所显示读出的微指令。注意：当前条件下，可将“MICROYONTRO- LLER”单元的SE6-SE1接至“S

18、WITCH UNIT”中的S3-Cn对 应开关上，这样可通过强制端人为设置分支地址。如将S3-Cn设置为“1”，将某个或者某几个微 地址开关置为“0”，则相应的微地址位即被强制为“1”，从而改变下一条微指令的地址（二进 制开关置为“0”，相应的微地址位将被强制为“1”）。单步运行微程序后，可连续运行微程序, 其它操作不变，只需将单步开关“STEP”置为“EXEC”状态，然后给出微程序入口首地址， 启动时 序电路，则可连续读出微指令。实验要求：根据微程序流程图，写出取指令和执行二进制加法及输出指令的详细过程，整理 实验报告。预习实验四基本模型机设计与实现，自定义五条机器指令，效仿本次实验中的二

19、进制微代码的转换，编写相应微程序。实验十一基本模型机设计与实现实验目的：在掌握单元电路实验基础上，将各部份组成系统，构成一台基本模型计算机。将预习时编写的五条机器指令的微程序上机调试，通过执行机器指令，掌握 各部联机运行情况，进一步建立整机概念。实验设备：CCT-IV计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干，微型计算机一台。实验电路：（原理图4-1）实验内容：按图4-3连线，检查无误，接通电源。在微过程控制实验中，已将微代码写入E2PR0M 芯片中，照微程序流程图表4-2校验正确后，可使用控制台KVE和KRD微程序进行机器指令程序 的装入和检查。本实验采用五条机器指令：IN （输入）、ADD

20、（二进制加法）、STA （存数）、OUT （输出）、JMP （无条件转移）其指令格式如下（前4位为操作码）：助记符 机器指令码说明IN0000 0000“INPUT DEVICE” 中的开关状态 一R。ADD addr0001 0000XXXXXXXXRo + addr -RoSTA addr001() 0000XXXXXXXXRo-* addr OUT addr0011 0000XXXXXXXXaddr -BUSJMP addr0100 0000XXXXXXXXaddr -* PC其中IN为单字长(8位)，其余为双字长指令，xxxxxxxx为addr对应的二进制地址码。系统涉及到的微程序流程

21、见图4-2,当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段为P (1)测试。由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P (1)测试结果浮现多路分支。本机用指令寄存器的前4位(IR7-IR4)作为测试条件，浮现5路分支，占用5个固定微地 址单元。控制台操作为P (4)测试，它以控制台开关SWB、SWA作为测试条件，浮现了 3路分支， 占用3个固定微地址单元。当分支微地址单元固定后，剩下的其它地方就可以一条微指令占用控 存一个微地址单元随意填写。注意：微程序流程图上的单元地址为8进制。当全部微程序设计完 毕之后，应将每条微指令代码化，此项内容可参看表4-2。本系统有两种I/O外部设备

22、，一种是 二进制代码开关，它作为输入设备(INPUT DEVICE)；另一种是数码块，它作为输出设备(OUTPUT DEVICE) o输入时，二进制开关数据直接经过三态门送到外部数据总线上，只要开关状态不变， 输入的信息也不变。输出时，将输出数据送到外部数据总线上，当写信号(W/R)有效时，将数 据打入输出锁存器，驱动数码块显示。写程序有两种方法，手动写入和联机读/写，具体写入方 法和实验中所用机器指令程序请参看指导书。若一切正常，可用单步方式执行程序，观察CPU 执行一段程序时，机器指令和微指令之间的关系。然后可用连续运行的方法运行程序，并人工停 机，检查相应单元的结果与理论值是否一致。实验

23、要求：熟悉五条机器指令的功能、操作码、字节数、微程序流程图以及计算机各部件的 基本功能，熟练掌握计算机内部信息流、数据流的传送。预习实验六中新增指令及设计机器指令程序转换成十六进制格式文件的内容。实验十二移位运算模型机的设计与实现实验目的： 熟悉用微过程控制模型机的数据通路。学习设计与调试计算机的基本步骤及方法。实验设备：CCTTV计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干，微型计算机一台。实验电路：(原理图5-1)实验内容：按图5-3连线，检查无误，接通电源。本实验是在实验六基本模型机的基础上搭接移 位控制电路，实现移位控制运算。因此实验中新增4条移位运算指令：RL左环移入；RLC带进位 左环

24、移入；RR右环移入；RRC带进位右环移入，其指令格式如下：操作码RR01010000RRC01100000RL01110000RLC10000000以上4条指令都为单字长指令(8位)。为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正 确，并能启动程序执行，还设计了三个控制台操作微程序：存储器读操作K(RD)；存储器写操作 (KWE)；启动程序(RP)。这三条控制台指令用两个开关状态来设置，其定义如下：SWBSWA控制台指令00读内存(KRD)01写内存(KWE)11启动程序(RP)向RAM写入程序有两种方法：1.手动写入2.联机读/写程序手动写入使用控制台KWE和KRD 微程序进行机器指令程序的装

25、入和检查。机器指令的首地址只要第一次给入即可，PC会自动， 加1；惟独显示灯在微地址“001100”时，才设置内容，直到所有机器指令写完。写完程序后 需进行校验。每次仅在微地址显示“001000”时，显示灯的内容才是相应地址中的机器指令内容。 联机读/写程序，使用软件中的F4 LOAD功能装入机器指令格式F2_R/W文件或者功能逐渐写入。运行程序分单步和连续运行两种。单步运行程序，可对照微程序流程图, 观察CPU取一条机器指令及执行每条微指令的详细过程；连续运行时则看不到执行每条微指令 的详细过程，停机后可检查存数单元(0E)结果是否和理论值一致。若联机运行程序时，需将 预习的十六进制格式文件

26、用联机软件传入实验系统，进入DEBLG调试界面，总清CLR清零后，程 序相应首地址为00H,按相应功能键即可联机运行、调试程序。实验要求：通过单步和连续运行程序，进一步熟悉机器指令与微指令之间的关系，并掌握手 动和联机读/写程序的方法。预习下一实验中机器指令程序转换成十六进制格式文件的相关内容，并按照系统建 议的微指令流程图，将每条微指令译成二进制代码。实验十三复杂模型机的设计与实现实验目的：综合运用所学计算机原理知识，设计并实现较为完整的计算机。实验设备CCTTV计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。实验电路：(原理图6-1)实验内容：按图6-3连线，检查无误，接通电源。本实验较前两实验

27、相比有相似之处，只是指令 系统更完善，因此实验程序更复杂；指令共有四大类16条，中包括算术指令、I/O指令、访问 及转移指令和停机指令。之前需按照系统建议的微指令格式和微指令流程图，将每条微指令代码 化，译成二进制代码表，联机需将二进制代码表转换为联机操作时的卜六进制格式文件。指导书 给出了具体参考程序，可将预习内容与此比照。写微程序、编程、校验、写程序以及运行程序的 方法、操作步骤均同前面实验，在此再也不赘述。注意：手动输入微程序时，将十六进制微代码 第一字节和第三字节的内容对换后写入。联机读/写程序时，使用软件中的F4_R/W PR功能逐条 写入。实验要求：通过了解几种模型机，热练掌握微程序的设计方法，以及机器指令转换成二进制代 码、十六进格式文件的方法。总结子验得失，写出更有实际意义的程序，书写实验报告。三、参考书目1、白中英，计算机组成原理，科学出版社，2022年第五版。2、CCTTV计算机组成原理实验指导书，启东计算机厂有限公司3、唐朔飞，计算机组成原理,高等教育出版社，2022年第二版。本课程使用教具和现代教育技术的指导性意见本课程主要使用的实验仪器为启东计算机厂生产的DVCC-C5JH实验仪器，已相对落后，已 申请学院更新。