组成原理实验指导书new1.docx
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组成原理实验指导书new1
实验一运算器实验
一、实验目的
1.掌握运算器的组成及工作原理;
2.了解4位函数发生器74LS181的组合功能,熟悉运算器执行算术操作和逻辑操作的具体实现过程;
3.验证带进位控制的74LS181的功能。
二、实验设备
EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套,排线若干。
三、预习要求
1复习本次实验所用的各种数字集成电路的性能及工作原理;
2预习实验步骤,了解实验中要求的注意之处。
四、实验原理
运算器的结构框图如图1-1示。
图1-1运算器的结构框图
算术逻辑单元ALU是运算器的核心。
此处由四片74LS181(U7、U8、U9、U10)以并/串形式构成16位运算器。
它可以对两个16位二进制数进行多种算术或逻辑运算,74LS181有高电平和低电平两种工作方式,高电平方式采用原码输入输出,低电平方式采用反码输入输出,这里采用高电平方式。
算术逻辑单元ALU是74LS181的功能控制条件由S3、S2、S1、S0、M、Cn决定。
高电平方式的74LS181的功能、管脚分配和引出端功能符号详见表1-1及图1-2。
四片74LS273(U3、U4、U5、U6)构成两个16位数据暂存器,其控制信号分别为LDR1和LDR2,当LDR1和LDR2为高电平有效时,在T4脉冲的前沿,总线上的数据被送入暂存器保存。
74LS273的管脚分配和引出端功能符号详见图1-3
两个三态门74LS244(U11、U12)作为运算器的输出缓冲器由ALU-G信号控制,ALU-G为“0”时,三态门开通,此时其输出等于其输入;ALU-G为“1”时,三态门关闭,此时其输出呈高阻。
其管脚分配和引出端功能符号详见图1-4。
74LS181功能表见表1-1,其中符号“+”表示逻辑“或”运算,符号“*”表示逻辑“与”运算,符号“/”表示逻辑“非”运算,符号“加”表示算术加运算,符号“减”表示算术减运算。
表1-174LS181功能表
选择
M=1
逻辑操作
M=0算术操作
S3S2S1S0
Cn=1(无进位)
Cn=0(有进位)
0000
F=/A
F=A
F=A加1
0001
F=/(A+B)
F=A+B
F=(A+B)加1
0010
F=/A*B
F=A+/B
F=(A+/B)加1
0011
F=0
F=-1
F=0
0100
F=/(A*B)
F=A加A*/B
F=A加A*/B加1
0101
F=/B
F=(A+B)加A*/B
F=(A+B)加A*/B加1
0110
F=(/A*B+A*/B)
F=A减B减1
F=A减B
0111
F=A*/B
F=A*/B减1
F=A*/B
1000
F=/A+B
F=A加A*B
F=A加A*B加1
1001
F=/(/A*B+A*/B)
F=A加B
F=A加B加1
1010
F=B
F=(A+/B)加A*B
F=(A+/B)加A*B加1
1011
F=A*B
F=A*B减1
F=A*B
1100
F=1
F=A加A
F=A加A加1
1101
F=A+/B
F=(A+B)加A
F=(A+B)加A加1
1110
F=A+B
F=(A+/B)加A
F=(A+/B)加A加1
1111
F=A
F=A减1
F=A
图1-274LS181管脚分配及说明
图1-3(a)74LS273管脚分配图1-3(b)74LS273功能表
图1-4(a)74LS244管脚分配图1-4(b)74LS244功能
五、实验内容
验证74181的算术逻辑运算功能(采用正逻辑),在指定LDR1、LDR2的取值情况下,改变运算器的功能设置,观察运算器的输出,并和理论分析进行比较、验证。
六、实验步骤
说明:
本次实验采用开关控制操作方式,为了避免总线冲突,首先将控制开关电路的ALU-G和C-G拨到输出高电平“1”状态(所对应的指示灯亮。
)本实验中所有控制开关拨动,相应指示灯亮代表高电平“1”,指示灯灭代表低电平“0”。
1、按图1-5接线图接线:
连线时应注意:
为了使连线统一,对于横排座,应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上;对于竖排座,应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。
运算器接口
S3S2S1S0MCnALU-GARLDR1LDR2
BD15…….BD8
数据总线
BD7…….BD0
DIJ1DIJ-G
DIJ2
数据输入电路
C-GS3S2S1S0MCnALU-GARLDR1LDR2
控制总线T4
控制开关电路
T+finf/8
脉冲源及时序电路
图1-5实验接线图
2、通过数据输入电路的拨开关开关向两个数据暂存器中置数:
注意:
本实验中ALU-G和C-G不能同时为0,否则造成总线冲突,损坏芯片!
故每次实验时应时刻保持只有一路与总线相通。
1)拨动清零开关CLR,使其指示灯灭。
再拨动CLR,使其指示灯亮。
置ALU-G=1:
关闭ALU的三态门;再置C-G=0:
打开数据输入电路的三态门;
2)向数据暂存器LT1中置数A=3:
(1)设置数据输入电路的数据开关“D15……D0”为要输入的数值;
(2)置LDR1=1:
使数据暂存器LT1的控制信号有效,置LDR2=0:
使数据暂存器LT2的控制信号无效;
(3)按一下脉冲源及时序电路的【单脉冲】按钮,给暂存器LT1送时钟,上升沿有效,把数据存在LT1中。
3)向数据暂存器LT2中置数B=4:
(1)设置数据输入电路的数据开关“D15……D0”为想要输入的数值;
(2)置LDR1=0:
数据暂存器LT1的控制信号无效;置LDR2=1:
使数据暂存器LT2的控制信号有效。
(3)按一下脉冲源及时序电路的“单脉冲”按钮,给暂存器LT2送时钟,上升沿有效,把数据存在LT2中。
(4)置LDR1=0、LDR2=0,使数据暂存器LT1、LT2的控制信号无效。
4)根据功能表选择功能,观察运算结果。
(1)置C-G=1,关闭数据输入电路的三态门,然后再置ALU-G=0,打开ALU的三态门;
(2)置“S3S2S1S0MCn”为“XXXXXX”,观察数据总线显示灯显示数据并记录结果。
3、验证74LS181的算术和逻辑功能:
根据上述实现步骤,参考表1-1的功能表,选择合适“S3S2S1S0MCn”填入下表,并将通过数据总线指示灯显示来读出运算器的输出值F,填入上表中,参考表1-1的功能表,分析输出F值是否正确。
LT1(A)
LT2(B)
实现功能
功能选择(S3S2S1S0MCn)
实验结果
3
4
F=A
F=B
F=A*B
F=0
F=-1
F=1
F=A减B
F=A加B
F=A减B减1
F=A加B加1
七、思考题
1、如何利用4位并行算术逻辑运算单元74LS181实现16位二进制数运算?
有哪些解决方案?
八、实验报告要求
实验后及时完成实验报告,要求用专用的实验报告纸书写,具体应包括以下几方面内容:
实验题目、实验目的、实验仪器、实验原理图、实验记录(所有的运算结果,故障现象及排除经过)、思考题、本次实验的收获及想法。
实验二存储器实验
一、实验目的
1、掌握半导体静态随机存储器RAM的特性和使用方法。
2、掌握地址和数据在计算机总线的传送关系。
3、了解运算器和存储器如何协同工作。
二、预习要求
预习半导体静态随机存储器6116的功能。
三、实验设备
EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套,排线若干。
四、实验原理
实验中的静态存储器由2片6116(2K×8)构成,其数据线D0~D15接到数据总线,地址线A0~A7由地址锁存器74LS273(集成于EP1K10内)给出。
黄色地址显示灯A7-A0与地址总线相连,显示地址总线的内容。
绿色数据显示灯与数据总线相连,显示数据总线的内容。
存储器电路图及6116管脚分布功能图如图2-1,2-1示。
图2-1存储器原理图
图2-2(a)6116管脚分配图2-2(b)6116功能
6116有三个控制线,/CE(片选)、/R(读)、/W(写)。
其写时间与T3脉冲宽度一致。
当LARI为高时,T3的上升沿将数据总线的低八位打入地址寄存器。
当WEI为高时,T3的上升沿使6116进入写状态。
其读写控制及地址寄存器电路如图2-3所示。
图2-3读写控制及地址寄存器电路
6116有三个控制线,/CE(片选)、/R(读)、/W(写)。
其写时间与T3脉冲宽度一致。
当LARI为高时,T3的上升沿将数据总线的低八位打入地址寄存器。
当WEI为高时,T3的上升沿使6116进入写状态。
五、实验内容
掌握静态RAM的的读写方式,往RAM的任意地址里存放数据,然后读出并检查结果是否正确。
六、实验步骤
说明:
为了避免总线冲突,首先将控制开关电路的所有开关拨到输出高电平“1”状态,所有对应的指示灯亮。
1、按图2-4接线图接线:
图2-4实验接线图
2、拨动清零开关CLR,使其指示灯显示状态为亮--灭--亮。
3、往存储器写数据:
以往存储器的(FF)地址单元写入数据“AABB”为例,操作过程如下:
(操作)(显示)(操作)(显示)(操作)
1.C–G=1
2.置数据输入电路
D15—D0=“0000000011111111”
3.CE=1
4.C-G=0
绿色数据总线显示灯显示
“0000000011111111”
1.LAR=1
2.T3=1
(按【单步】)
地址寄存器电路黄色地址显示灯显示“11111111”
1.C-G=1
2.置数据输入电路
D15—D0=“1010101010111011”
3.LAR=0
4.C-G=0
(显示)(操作)
绿色数据总线显示灯显示
“1010101010111011”
1.WE=1
2.CE=0
3.T3=1(按【单步】)
4WE=0
4、依据上述步骤按表2-1所列地址写入相应的数据。
表2-1数据存储表
地址(二进制)
数据(二进制)
00000000
0011001100110011
01110001
0011010000110100
01000010
0011010100110101
01011010
010*********
10100011
0110011001100110
11001111
1010101110101011
11111000
0111011101110111
11100110
1001110110011011
5、从存储器里读数据:
以从存储器的(FF)地址单元读出数据“AABB”为例,操作过程如下:
(操作)(显示)(操作)(显示)(操作)(显示)
1.C-G=1
2.置数据输入电路
D15—D0="0000000011111111”
3.CE=1
4.C-G=0
绿色数据总线显示灯显示
“0000000011111111”
1.LAR=1
2.T3=1
(按【单步】)
MAR电路黄色地址显示灯显示
“11111111”
1.C-G=1
2.LAR=0
3.WE=0
4.CE=0
绿色数据总线显示灯显示
“1010101010111011”
6、按上述步骤读出表2-1数据,验证其正确性。
七、思考题
1.存储容量的扩展方法有哪些,本实验中采用了哪种方法?
2.指出本实验中存储器的实际容量有多大,为什么?
八、实验报告要求
实验后及时完成实验报告,要求用专用的实验报告纸书写,具体应包括以下几方面内容:
实验题目、实验目的、实验仪器、实验原理图、实验记录(所有的运算结果,故障现象及排除经过)、思考题、本次实验的收获及想法。
实验三微程序设计实验
一、实验目的
深入掌握微程序控制器的工作原理,学会设计简单的微程序。
二、预习要求
1.复习微程序控制器工作原理;
2.复习计算机微程序的有关知识。
三、实验设备
EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一台,连接线若干。
四、实验内容
编写几条可以连续运行的微代码,熟悉本实验系统的微代码设计方式。
表3-1为几条简单的可以连续运行的二进制微代码表(注意UA5-------UA0的编码规律,观察后续地址。
):
表3-1微代码表
微地址(二进制)
S3S2S1S0MCNWE1A1B
F1
F2
F3
UA5...UA0
000000
000000000
000
000
000
000001
000001
000000000
000
000
000
000010
000010
000000000
000
000
000
000011
000011
000000010
101
111
111
000100
000100
000000010
010
111
111
001000
001000
000000000
000
111
000
001001
001001
000000011
101
101
101
010000
010000
000000011
101
101
101
010101
010101
000001101
111
001
111
011000
011000
111111110
111
001
111
011001
011001
000000010
111
111
000
000000
以下举例说明微代码的含义:
1、微地址“000011”:
读Y1设备上的数据,并将该数据打入地址寄存器。
然后跳转至微地址“000100”。
2、微地址“000100”:
读Y1设备上的数据,并将该数据打入运算暂存器2,然后跳转至微地址“001000”。
3、微地址“011000”:
运算暂存器1数据输出至数据总线,将该数据写入Y1设备,然后跳转至微地址“011001”。
4、微地址“011001”:
读Y1设备上的数据,然后进行P1测试。
由于未对指令寄存器操作,I7—I0均为0,强制置位无效,仍跳转至后续微地址“000000”。
五、实验步骤
在进行单片机键盘控制实验时,必须把K4开关置于“OFF”状态,否则系统处于自锁状态,无法进行实验。
1.实验连线:
实验连线图如图3-1所示。
连线时应按如下方法:
对于横排座,应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上;对于竖排座,应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。
图3-1实验连线图
2.写微代码:
(1)将开关K1K2K3K4拨到写状态即K1off、K2on、K3off、K4off,其中K1、K2、K3在微程序控制电路,K4在24位微代码输入及显示电路上。
在监控指示灯滚动显示【CLASSSELECt】状态下按【实验选择】键,显示【ES--__】输入05或5,按【确认】键,显示为【ES05】,再按下【确认】键。
(2)监控显示为【CtL1=_】,表示对微代码进行操作。
输入1显示【CtL1_1】,表示写微代码,按【确认】。
(3)监控显示【U-Addr】,此时输入【000000】6位二进制数表示的微地址,然后按【确认】键,监控指示灯显示【U_CodE】,这时输入微代码【000001】,该微代码是用6位十六进制数来表示前面的24位二进制数,注意输入微代码的顺序,先右后左,此过程中可按【取消】键来取消上一次输入,重新输入。
按【确认】键则显示【PULSE】,按【单步】完成一条微代码的输入,重新显示【U-Addr】提示输入表5-3第二条微代码地址。
(4)按照上面的方法输入表5-3微代码,观察微代码与微地址显示灯的对应关系(注意输入微代码的顺序是由右至左)。
表3-2微代码表
微地址(二进制)
微代码(十六进制)
000000
000001
000001
000002
000010
000003
000011
015FC4
000100
012FC8
001000
018E09
001001
005B50
010000
005B55
010101
06F3D8
011000
FF73D9
011001
017E00
3.读微代码:
(1)先将开关K1K2K3K4拨到读状态即K1off、K2off、K3on、K4off,按【RESET】按钮对单片机复位,使监控指示灯滚动显示【CLASSSELECt】状态。
按【实验选择】键,显示【ES--__】输入05或5,按【确认】键,显示【ES05】。
按【确认】键。
(2)监控显示【CtL1=_】时,输入2,按【确认】显示【U_Addr】,此时输入6位二进制微地址,进入读微代码状态。
再按【确认】显示【PULSE】,此时按【单步】键,监控显示【U_Addr】,微地址指示灯显示输入的微地址,微代码显示电路上显示该地址对应的微代码,至此完成一条微指令的读过程。
对照表3-2检查微代码是否有错误,如有错误,可按步骤2写微代码重新输入这条微代码。
4.微代码的运行:
(1)先将开关K1K2K3K4拨到运行状态即K1on、K2off、K3on、K4off,按【RESET】按钮对单片机复位,使监控指示灯滚动显示【CLASSSELECt】状态。
(2)按【实验选择】键,显示【ES--__】输入05或5,按【确认】键,显示【ES05】。
按【确认】键。
(3)监控指示灯显示【CtL1=_】,输入3,显示【CtL1_3】,表示进入运行微代码状态,拨动CLR清零开关(在控制开关电路上,注意对应的JUI应短接)对程序计数器清零,清零结果是地址指示灯(A7—A0)和微地址显示灯(uA5—uA0)全灭,清零步骤是使其电平高-低-高即CLR指示灯状态为亮-灭-亮,使程序入口地址为000000。
5.单步运行
在监控指示灯显示【CtL1_3】状态下,确认清零后,按【确认】键,监控指示灯滚动显示【RunCodE】,此时可按【单步】键单步运行微代码,观察微地址显示灯,显示“000001”,再按【单步】,显示为“000010”,连续按【单步】,则可单步运行微代码,注意观察微地址显示灯和微代码的对应关系。
6.全速运行
在监控指示灯滚动显示【RunCodE】状态下,按【全速】键,开始自动运行微代码,微地址显示灯显示从“000000”开始,到“000001”、“000010”、“000011”、“000100”、“001000”、“001001”、“010000”、“010101”、“011000”、“011001”再到“000000”,循环显示。
六、思考题
3.微指令的编码方式有哪些,本实验中采用了哪种方法?
4.简述微地址的确定方法,并说明本实验中采取了哪种方法?
七、实验报告要求
实验后及时完成实验报告,要求用专用的实验报告纸书写,具体应包括以下几方面内容:
实验题目、实验目的、实验仪器、实验原理图、实验记录(所有的运算结果,故障现象及排除经过)、思考题、本次实验的收获及想法。
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