实验指导书new09学生用.docx
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实验指导书new09学生用
实验一实验系统的基本认识
一实验目的
(1)熟悉CCT-Ⅳ计算机组成原理教学实验系统的基本功能。
(2)了解CCT-Ⅳ计算机组成原理教学实验系统的配置与联机安装。
二实验设备
计算机组成原理教学实验系统CCT-Ⅳ一台,排线若干。
三实验原理
计算机组成原理教学实验系统CCT-Ⅳ采用内、外总线结构,并按开放式结构要求设计了各关联的单元实验电路,除进一步规范了可组成的原理计算机结构外,也为实验教学提供了充足的硬件可设计空间和软件可设计空间。
1.开放式的实验电路结构:
系统支持三种实验电路构造方式,即实验元件零连线方式、单元电路跨接方式和实验电路“软连线”方式。
2.灵活多变的实验操作方式:
用户可根据需要选择多样的操作方式,通过拨动开关及发光二极管以二进制数码形式进行编程、显示、调度;通过RS-232通讯接口与PC微机联机,可在PC机上进行编程、装载、调度和运行等一系列的控制操作。
3.PC联机图形操作界面:
系统提供图形方式的联机操作软件,可显示用户设计的实验模型机的逻辑示意图,使调度过程极为生动形象。
4.E2PROM存储器:
系统采用E2PROM作为微程序存储器,从而对程序具有断电保护功能。
5.可重定义的运算器结构及微指令格式:
系统中运算器结构、微程序指令的格式及定义均可由用户根据自身教学需要来作灵活改变或重新设计。
6.逻辑信号测试功能:
系统具有两路逻辑信号示波器功能,用于实验中逻辑信号的观测。
7.高效稳压电源:
系统采用了性能优异,具有抗短路、过流的高性能稳压电源。
计算机组成原理教学实验系统CCT-Ⅳ主要单元电路如下:
(1)运算器单元(ALUUNIT):
运算器、进位控制器、移位寄存器、寄存器堆、内部总线。
(2)计数器与地址寄存器单元(ADDRESSUNIT):
地址寄存器、程序地址寄存器。
(3)指令寄存器单元(INSUNIT):
指令寄存器。
(4)时序电路单元(STATEUNIT):
消抖电路、时序控制、时钟信号源、拨动二进制开关组。
(5)微控制电路单元(MICRO—CONTROLLERUNIT):
指令寄存器、指令译码器、微代码控制寄存器及其编程器、逻辑译码单元、时序电路。
(6)逻辑译码单元(LOGUNIT):
译码器。
(7)主存储器单元(MAINUNIT):
SRAM6116芯片。
(8)输入设备单元(INPUTUNIT):
开关、显示灯、控制台(读写、启动、停机)。
(9)输出设备单元(OUTPUTUNIT):
开关、显示灯、控制台(读写、启动、停机)。
(10)总线单元(BUSUNIT):
总线插针。
(11)控制信号发生单元(W/RUNIT):
读写控制。
(12)外总线单元(EXTUNIT):
外总线插针。
(13)扩展单元(EXUNIT):
总线扩展。
(14)逻辑信号测量单元(OSCUNIT):
两路逻辑信号PC示波器。
(15)单片机控制单元(LH-1UNIT):
控制单片机、RS-232串口等。
(16)开关单元(SWITCHUNIT):
二进制开关。
(17)指示灯单元(LEDUNIT):
发光二极管。
(18)PLD单元(PLDUNIT):
2片PLD芯片。
四实验步骤
1.了解CCT-Ⅳ计算机组成原理教学实验系统的基本功能,写出本系统中能完成的主要实验项目。
(1)算术逻辑运算实验
(2)进位控制实验(3)移位运算实验
(4)存储器实验(5)微控制器实验(6)基本模型机的设计与实现
(7)带移位运算的模型机的设计与实现(8)复杂模型机的设计与实现
2.简要画出CCT-Ⅳ实验系统平面图,弄清其每一单元模块电路的基本原理,并在图中标明每一单元模块位置,且找出每一单元模块电路中所使用的主要集成芯片。
(自己画)
3.了解CCT-Ⅳ实验系统的配置与联机软件的安装,熟悉实验系统中常见故障的分析与处理方法。
实验二算术逻辑运算器实验
一实验目的
(1)掌握算术逻辑运算单元(ALU)的工作原理;
(2)熟悉简单运算器的数据传送通路;
(3)验证4位运算功能发生器功能(74181)的组合功能。
二实验设备
CCT-Ⅳ计算机组成原理教学实验系统一台,排线若干。
三实验原理
图1 运算器数据通路
实验中所用到的运算器数据通路如图1所示。
其中运算器由两片74181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(74245)和数据总线相连,运算器的两个数据输入端分别由两个锁存器(74373)锁存,锁存器的输入连接至数据总线,数据开关INPUTDEVICE用来给出参与运算的数据,并经过一个三态门(74245)和数据总线相连,数据显示灯“BUSUNIT”已和数据总线相连,用来显示数据总线内容。
四实验步骤
(1)按图2连接实验线路,仔细查线无误后,接通电源。
(2)用二进制数码开关向DR1和DR2寄存器置数。
具体操作步骤图示如下:
寄存器DR1
(01100101)
数据开关
(10100111)
寄存器DR1
(01100101)
三态门
数据开关
(01100101)
ALU-B=1
SW-B=0
LDDR1=1
LDDR2=0
T4=
LDDR1=0
LDDR2=1
T4=
校验DR1和DR2中存放的数据是否正确,具体操作为:
关闭数据输入三态门(SW-B=1),打开ALU输出三态门(ALU-B=0),当置S3,S2,S1,S0,M为11111时,总线指示灯显示DR1中的数,而置成10101时,总线指示灯显示DR2中的数。
图2实验接线图
(3)验证74181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,填入表1中,并和理论分析进行比较、验证。
表1正逻辑74181运算功能验证结果
DR1
DR2
S3S2S1S0
M=0(算术运算)
M=1
(逻辑运算)
Cn=1
无进位
Cn=0
有进位
65
A7
0000
F=(65)
F=(66)
F=(9A)
65
A7
0001
F=(E7)
F=(E8)
F=(18)
65
A7
0010
F=(7D)
F=(7E)
F=(82)
65
A7
0011
F=()
F=()
F=()
65
A7
0100
F=()
F=()
F=()
65
A7
0101
F=()
F=()
F=()
65
A7
0110
F=()
F=()
F=()
65
A7
0111
F=()
F=()
F=()
65
A7
1000
F=()
F=()
F=()
65
A7
1001
F=()
F=()
F=()
65
A7
1010
F=()
F=()
F=()
65
A7
1011
F=()
F=()
F=()
65
A7
1100
F=()
F=()
F=()
65
A7
1101
F=()
F=()
F=()
65
A7
1110
F=()
F=()
F=()
65
A7
1111
F=()
F=()
F=()
实验三进位控制实验
一实验目的
(1)验证带进位控制的算术运算功能发生器的功能;
(2)按指定数据完成几种指定的算术运算。
二实验设备
CCT-Ⅳ计算机组成原理教学实验系统一台,排线若干。
三实验原理
进位控制运算器的实验原理如图3所示,在算术逻辑运算实验的基础上增加进位控制部分,其中74181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STATEUNIT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,而T4脉冲是将本次运算的进位结果锁存到进位锁存器中。
图3进位控制实验原理图线图
四实验步骤
(1)按图4连接实验线路,仔细查线无误后,接通电源。
(2)用二进制数码开关向DR1和DR2寄存器置数,具体方法:
①关闭ALU输出三态门(ALU-B=1),开启输入三态门(SW-B=0),设置数据开关;
②例如向DR1存入01010101,向DR2存入10101010。
(按实验二方法检验数是否已保存)
具体操作步骤如下:
LDDR1=0
LDDR2=0
图4进位控制实验接线图线图
(3)关闭输入三态门(SW-B=1),开启ALU输出三态门(ALU-B=0),AR的状态置为0(AR=0),S3S2S1S0M状态为10010,此时数据总线上显示的数据为DR1加DR2加当前进位标志,这个结果是否产生进位,则要按动微动开关KK2,若进位标志灯亮,表示无进位;反之,有进位。
因做加法运算时数据总线一直显示的数据为DR1+DR2+CY,所以当有进位打入到进位锁存器后,总线显示的数据为加上进位位的结果。
注:
进位标志指示灯CY亮时表示进位标志为“0”,无进位:
标志指示灯CY灭时表示进位为“1”,有进位.
实验四移位运算实验
一实验目的
验证移位寄存器控制的组合功能。
二实验设备
CCT-Ⅳ计算机组成原理教学实验系统一台,排线若干。
三实验原理
移位运算实验原理图如图5所示,使用了一片74299作为移位发生器,其8输入/输出端以排线方式和总线单元连接。
299-B信号控制其使能端,T4时序为其时钟脉冲,实验时将W/RUNIT中的T4接至STATEUNIT中的KK2单脉冲发生器,由S0,S1,M控制信号控制其功能状态,如表2所示。
图5移位运算实验原理图线图
表2移位状态控制表
299-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
1
带进位循环左移
任意
1
1
任意
装数
四实验步骤
(1)按图6连接实验线路,仔细查线无误后,接通电源。
STATEUNIT
W/RUNIT
KK2
T4
ALUUNIT
M
S0
S1
299-B
AUJ1
…
BUSUNIT
…
S0
S1
M
299-B
SW-B
SW-B
SWJ3
SWITCHUNIT
BUSUNIT
图6移位运算实验接线图
(2)移位操作:
①置数,具体步骤如下:
数据开关
(01010101)
数据开关
(01101011)
三态门
三态门
SW-B=0
SW-B=1
S0=1
S1=1
T4=
②移位,参照表2改变S0,S1,M,299-B的状态,按动微动开关KK2,观察移位结果。
实验五存储器实验
一实验目的
掌握静态随机存储器RAM工作特性及数据的读写方法。
二实验设备
CCT-Ⅳ计算机组成原理教学实验系统一台,排线若干。
三实验原理
实验所用的半导体静态存储器电路原理如图7所示,实验中的静态存储器由一片6116(2K×8)构成,其数据线接至数据总线,地址线由地址锁存器(74273)给出。
地址灯AD0--AD7与地址线相连,显示地址线内容。
数据开关经一三态门(74245)连至数据总线,分时给出地址和数据。
图7存储器实验原理图
因地址寄存器为8位,接入6116的地址A7—A0,而高三位A8—A10接地,所以其实际容量为256字节。
6116有三个控制线:
CE(片选线)、OE(读线)、WE(写线)。
当片选有效(CE=0)时,OE=0时进行读操作,WE=0时进行写操作。
本实验中将OE常接地,在此情况下,当CE=0、WE=0时进行读操作,CE=0、WE=1时进行写操作,其写时间与T3脉冲宽度一致。
实验时将T3脉冲接至实验板上时序电路模块的TS3相应插孔中,其脉冲宽度可调,其它电平控制信号由SWITCHUNIT单元的二进制开关模拟,其中SW-B为低电平有效,LDAR为高屯平有效。
四实验步骤
(1)形成时钟脉冲信号T3。
。
具体接线方法和操作步骤如下:
①接通电源,用示波器接入方波信号源的输出插孔H23,调节电位器W1,使H23端输出实验所期望的频率的方波。
②将时序电路模块中的φ和H23排针相连。
③在时序电路模块中有两个二进制开关STOP和STEP。
将STOP开关置为“RUN”状态、STEP开关置为“EXEC”状态时,按动微动开关START,则T3输出为连续的方波信号。
此时,调节电位器W1,用示波器观察,使T3输出实验要求的脉冲信号。
当STOP开关置为“RUN”状态、STEP开关置为“STEP”状态时,每按动一次微动开关START,则T3输出一个单脉冲,其脉冲宽度与连续方式相同。
④关闭电源。
(2)按图8连接实验线路,仔细查线无误后,接通电源。
由于存储器模块内部的连线已经接好,因此只需完成实验电路的形成、控制信号模拟开关、时钟脉冲信号T3与存储模块的外部连接。
.15存储器实验接线图
图8存储器实验接线图
(3)给存储器的00,01,02,03,04地址单元分别写入数据11,12,13,14,15。
具体步骤如下:
(以向0单元写入11为例)
存储器
RAM
(00010001)
SW-B=0
CE=0,WE=1
LDAR=0
T3=
三态门
SW-B=1
数据开关
(00010001)
三态门
数据开关
(00000000)
地址寄存
器AR
(00000000)
SW-B=0
LDAR=0
SW-B=1
SW-B=0
CE=1
SW-B=0
CE=0
LDAR=1
T3=
(4)依次读出第00、01、02、03、04号单元中的内容,观察上述各单元的内容是否与前面写的写入的一致,具体步骤如下:
(以从0号单元读出11数据为例)
地址寄存
器AR
(00000000)
存储器
RAM
(00010001)
SW-B=1
数据开关
(00000000)
三态门
SW-B=0
CE=1
LDAR=1
T3=
SW-B=0
CE=1
SW-B=1
CE=0
WE=0
LDAR=0
实验七微程序控制器实验
一实验目的
(1)掌握时序产生器的组成原理。
(2)掌握微程序控制器的组成原理。
(3)掌握微程序的编制、写入,观察微程序的运行。
二实验设备
CCT-Ⅳ计算机组成原理教学实验系统一台,排线若干。
三实验原理
1)原理
图9时序电路框图
实验所用的时序控制电路框图如图9所示,可产生4个等间隔的时序信号TS1--TS4。
其中:
φ为时钟信号,由实验台右上方的方波信号源提供,可产生频率及脉宽可调的方波信号。
学生可根据实验自行选择方波信号的频率及脉宽。
图中STEP(单步)、STOP(停机)分别是来自实验板上方中部的两个二进制开关STEP,STOP的模拟信号。
START键是来自实验板上方左部的一个微动开关START的按键信号。
当STEP开关为0时(EXEC),一旦按下启动键,时序信号TSI--TS4将周而复始地发送出去。
当STEP为1(STEP)时,一旦按下启动键,机器便处于单步运行状态,即此时只发送一个CPU周期的时序信号就停机。
利用单步方式,每次只读一条微指令,可以观察微指令的代码与当前微指令的执行结果。
另外,当机器连续运行时,如果STOP开关置“1”(STOP),也会使机器停机,或使CLR开关拨至零也可以使时序清零。
由于时序电路的内部线路已经连好,所以只需将时序电路与方波信号源连接,即将时序电路的时钟脉冲输入端φ接至方波信号发生器输出端H23,就可产生时序信号TS1--TS4。
时序电路的CLR已接至实验板左下方的CLR模拟开关上。
2)微程序控制电路与微指令格式
(A)微程序控制电路
微程序控制器的组成见图10,其中控制存储器采用3片2816的E2PROM,具有掉电保护功能,微命令寄存器18位,用两片8D触发器(74273)和一片4D(74175)触发器组成。
微地址寄存器6位,用三片正沿触发的双D触发器(7474)组成,它们带有清“0”端和预置端。
在不判别测试的情况下,T2时刻打入微地址寄存器的内容即为下一条微指令地址。
当T4时刻进行测试判别时,转移逻辑满足条件后输出的负脉冲通过强置端将某一触发器置为“1”状态,完成地址修改。
在该实验电路中设有一个编程开关(位于实验板右上方),它具有三种状态:
PROM(编程)、READ(校验)、RUN(运行)。
当处于“编程状态”时,实验者可根据微地址和微指令格式将微指令二进制代码写入到控制存储器2816中。
当处于“校验状态”时,可以对写入控制存储器中的二进制代码进行验证,从而可以判断写入的二进制代码是否正确。
当处于“运行状态”时,只要给出微程序的入口微地址,则可根据微程序流程图自动执行微程序。
图中微地址寄存器输出端增加了一组三态门,目的是隔离触发器的输出,增加抗干扰能力,并用来驱动微地址显示灯。
图10微程序控制器原理图
(B)微指令格式
微指令字长共24位,其控制位顺序如图11所示。
图11微指令格式
图12地址转移逻辑电路
Y2
图12地址转移逻辑电路
其中UA5--UA0为6位的后续微地址,A,B,C为三个译码字段,分别由三个控制位译码出多个微命令。
C字段中的P
(1)--P(4)是四个测试字位。
其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码,使微程序转入相应的微地址入口,从而实现微程序的顺序、分支、循环运行,其原理如图12所示。
图中I7一I2为指令寄存器的第7--2位输出,SE5--SE1为微程序控制器单元微地址锁存器的强置端输出。
AR为算术运算是否影响进位及判零标志控制位,其为零有效。
B字段中的RS-B,R0-B,RI-B分别为源寄存器选通信号、目的寄存器选通信号及变址寄存器选通信号,其功能是根据机器指令来进行三个工作寄存器R0,R1及R2的选通译码,其原理如图13所示。
图中,I0--I4为指令寄存器的第0—4为,LDRi为打入工作寄存器信号的译码器使能控制位。
图13寄存器选通译码电路
四实验步骤
(1)图14为几条机器指令对应的参考微程序流程图,将全部微程序按指令格式变成二进制代码,可得到表3所示的二进制代码表。
八进制地址
06
01
表3微程序代码表
微地址
S3S2S1S0MCnWEA9A8
A
B
C
μA5--μA0
00
000000011
000
000
100
010000
01
000000011
110
110
110
000010
02
000000001
100
000
001
001000
03
000000001
110
000
000
000100
04
000000001
011
000
000
000101
05
000000011
010
001
000
000110
06
100101011
001
101
000
000001
07
000000001
110
000
000
001101
10
000000000
001
000
000
000001
11
000000011
110
110
110
000011
12
000000011
110
110
110
000111
13
000000011
110
110
110
001110
14
000000011
110
110
110
010110
15
000000101
000
001
000
000001
16
000000001
110
000
000
001111
17
000000001
010
000
000
010101
20
000000011
110
110
110
010010
21
000000011
110
110
110
010100
22
000000001
010
000
000
010111
23
000000011
000
000
000
000001
24
000000000
010
000
000
011000
25
000001110
000
101
000
000001
26
000000001
101
000
110
000001
27
000001110
000
101
000
010000
30
000001101
000
101
000
010001
(2)按图15连接实验线路,仔细查线无误后,接通电源。
…
Φ
(3)观测时序信号
用双踪示波器(或用PC示波器功能)观察方波信号源的输出,时序电路中的STOP开关置为“RUN”,STEP开关置为"EXEC”。
按动START按键,从方波器上可观察到TS1,TS2,TS3,TS4各点的波形。
比较它们的相互关系,画出其波形,并标注测量所得的脉冲宽度,如见图16所示。
图16时序波形图
(4)观察微程序控制器的工作原理:
(A)编程
①将编程开关置为PROM(编程)状态。
②将实验板上STATEUNIT中的STEP置为“STEP”,STOP置为“RUN”状态。
③用二进制模拟开关置微地址μA5一μA0。
④在MK24--MK1开关上置微代码,24位开关对应24位显示灯,开关量为“0”时灯亮,开关量为“1”时灯灭。
⑤启动时序电路(按动启动按纽START),即将微代码写入到E2PROM281
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