计算机组成原理实验报告word.doc
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学生学号
实验课成绩
学生实验报告书
实验课程名称
计算机组成原理
开课学院
计算机科学与技术学院
指导教师姓名
田小华
学生姓名
学生专业班级
2014
--
2015
学年
第
2
学期
实验课程名称:
_计算机组成原理
实验项目名称
运算器
实验成绩
实验者
专业班级
组别
同组者
实验日期
2015年6月2日
第一部分:
实验预习报告(包括实验目的、意义,实验基本原理与方法,主要仪器设备及耗材,实验方案与技术路线等)
1.实验目的
(1)了解运算器的组成结构。
(2)掌握运算器的工作原理。
2.实验设备
PC机一台,TD-CMA实验系统一套。
3.实验原理
本实验的原理如图1-1-1所示。
运算器内部含有三个独立运算部件,分别为算术、逻辑和移位运算部件,要处理的数据存
于暂存器A和暂存器B,三个部件同时接受来自A和B的数据(有些处理器体系结构把移位运
算器放于算术和逻辑运算部件之前,ARM)各部件对操作数进行何种运算由控制信号S3…S0如,
和CN来决定,任何时候,多路选择开关只选择三部件中一个部件的结果作为ALU的输出。
如
果是影响进位的运算,还将置进位标志FC,在运算结果输出前,置ALU零标志。
ALU中所有
模块集成在一片CPLD中。
逻辑运算部件由逻辑门构成,较为简单,而后面又有专门的算术运算部件设计实验,在此
对这两个部件不再赘述。
移位运算采用的是桶形移位器,一般采用交叉开关矩阵来实现,交叉
开关的原理如图1-1-2所示。
图中显示的是一个4X4的矩阵(系统中是一个8X8的矩阵)。
每一
个输入都通过开关与一个输出相连,把沿对角线的开关导通,就可实现移位功能,即:
(1)对于逻辑左移或逻辑右移功能,将一条对角线的开关导通,这将所有的输入位与所使用
的输出分别相连,而没有同任何输入相连的则输出连接0。
(2)对于循环右移功能,右移对角线同互补的左移对角线一起激活。
例如,在4位矩阵中使
用‘右1’和‘左3’对角线来实现右循环1位。
(3)对于未连接的输出位,移位时使用符号扩展或是0填充,具体由相应的指令控制。
使用
另外的逻辑进行移位总量译码和符号判别。
1-1-1运算器原理图
运算器部件由一片CPLD实现。
ALU的输入和输出通过三态门74LS245连到CPU内总线
上,另外还有指示灯标明进位标志FC和零标志FZ。
请注意:
实验箱上凡丝印标注有马蹄形标记,表示这两根排针之间是连通的。
图中除T4和CLR,其余信号均来自于ALU单元的排线座,实验箱中所有单元的T1、T2、T3、T4都连接至控制总线单元的T1、T2、T3、T4,CLR都连接至CON单元的CLR按钮。
由时序单元的TS4提供T4(时序单元的介绍见附录二),其余控制信号均由CON单元的二进制数据开关模拟给出。
控制信号中除T4为脉冲信号外,其余均为电平信号,其中ALU_B为低有效,其余为高有效。
图1-1-2交叉开关桶形移位器原理图
暂存器A和暂存器B的数据能在LED灯上实时显示,原理如图1-1-3所示(以A0为例,
其它相同)。
进位标志FC、零标志FZ和数据总线D7…D0的显示原理也是如此。
图1-1-3A0显示原理图
ALU和外围电路的连接如图1-1-4所示,图中的小方框代表排针座。
运算器的逻辑功能表如表1-1-1所示,其中S3S2S1S0CN为控制信号,FC为进位标志,
FZ为运算器零标志,表中功能栏内的FC、FZ表示当前运算会影响到该标志。
图1-1-4ALU和外围电路连接原理图
表1-1-1运算器逻辑功能表
运算类型
S3S2S1S0
CN
功能
逻辑运算
0000
X
F=A(直通)
0001
X
F=B(直通)
0010
X
F=AB(FZ)
0011
X
F=A+B(FZ)
0100
X
F=/A(FZ)
移位运算
0101
X
F=A不带进位循环右移B(取低3位)位(FZ)
0110
0
F=A逻辑右移一位(FZ)
1
F=A带进位循环右移一位(FC,FZ)
0111
0
F=A逻辑左移一位(FZ)
1
F=A带进位循环左移一位(FC,FZ)
算术运算
1000
X
置FC=CN(FC)
1001
X
F=A加B(FC,FZ)
1010
X
F=A加B加FC(FC,FZ)
1011
X
F=A减B(FC,FZ)
1100
X
F=A减1(FC,FZ)
1101
X
F=A加1(FC,FZ)
1110
X
(保留)
1111
X
(保留)
*表中“X”为任意态,下同
第二部分:
实验过程记录(可加页)(包括实验原始数据记录,实验现象记录,实验过程发现的问题等)
1.实验步骤:
(1)按图1-1-5连接实验电路,并检查无误。
图中将用户需要连接的信号用圆圈标明(其它实验相同)。
图1-1-5实验接线图
(2)将时序与操作台单元的开关KK2置为‘单拍’档,开关KK1、KK3置为‘运行’档。
(3)打开电源开关,如果听到有‘嘀’报警声,说明有总线竞争现象,应立即关闭电源,重新检查接线,直到错误排除。
然后按动CON单元的CLR按钮,将运算器的A、B和FC、FZ清零。
(4)用输入开关向暂存器A置数。
①拨动CON单元的SD27…SD20数据开关,形成二进制数01100101(或其它数值),数据显
示亮为‘1’,灭为‘0’。
②置LDA=1,LDB=0,连续按动时序单元的ST按钮,产生一个T4上沿,则将二进制数
01100101置入暂存器A中,暂存器A的值通过ALU单元的A7…A0八位LED灯显示。
(5)用输入开关向暂存器B置数。
①拨动CON单元的SD27…SD20数据开关,形成二进制数10100111(或其它数值)。
②置LDA=0,LDB=1,连续按动时序单元的ST按钮,产生一个T4上沿,则将二进制数10100111置入暂存器B中,暂存器B的值通过ALU单元的B7…B0八位LED灯显示。
(6)改变运算器的功能设置,观察运算器的输出。
ALU_B=0、置LDA=0、LDB=0,然后按表1-1-1
置S3、S2、S1、S0和Cn的数值,并观察数据总线LED显示灯显示的结果。
如置S3、S2、S1、S0为0010,运算器作逻辑与运算,置S3、S2、S1、S0为1001,运算器作加法运算。
如果实验箱和PC联机操作,则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果(软件使用说明请看附录一),方法是:
打开软件,选择联机软件的“【实验】—【运算器实验】,打开运算器”实验的数据通路图,如图1-1-6所示。
进行上面的手动操作,每按动一次ST按钮,数据通路图会有数据的流动,反映当前运算器所做的操作,或在软件中选择“【调试】—【单节拍】”,其作用相当于将时序单元的状态开关KK2置为‘单拍’档后按动了一次ST按钮,数据通路图也会反映当前运算器所做的操作。
重复上述操作,并完成表1-1-2。
然后改变A、B的值,验证FC、FZ的锁存功能。
图1-1-6数据通路图
2.实验结果
运算类型
A
B
S3S2S1S0
CN
理论结果
实验结果
逻辑运算
65
A7
0000
X
F=(65)FC=(0)FZ=(0)
F=(65)FC=(0)FZ=(0)
65
A7
0001
X
F=(A7)FC=(0)FZ=(0)
F=(A7)FC=(0)FZ=(0)
65
A7
0010
X
F=(25)FC=(0)FZ=(0)
F=(25)FC=(0)FZ=(0)
65
A7
0011
X
F=(D7)FC=(0)FZ=(0)
F=(D7)FC=(0)FZ=(0)
65
A7
0100
X
F=(9A)FC=(0)FZ=(0)
F=(9A)FC=(0)FZ=(0)
移位运算
65
A7
0101
X
F=(CA)FC=(0)FZ=(0)
F=(CA)FC=(0)FZ=(0)
65
A7
0110
0
F=(32)FC=(0)FZ=(0)
F=(32)FC=(0)FZ=(0)
1
F=(B2)FC=
(1)FZ=(0)
F=(B2)FC=
(1)FZ=(0)
65
A7
0111
0
F=(CA)FC=(0)FZ=(0)
F=(CA)FC=(0)FZ=(0)
1
F=(CA)FC=(0)FZ=(0)
F=(CA)FC=(0)FZ=(0)
算术运算
65
A7
1000
X
F=(65)FC=(0)FZ=(0)
F=(65)FC=(0)FZ=(0)
65
A7
1001
X
F=(0C)FC=
(1)FZ=(0)
F=(0C)FC=
(1)FZ=(0)
65
A7
1010
X
F=(0C)FC=
(1)FZ=(0)
F=(0C)FC=
(1)FZ=(0)
1010
X
F=(0D)FC=
(1)FZ=(0)
F=(0D)FC=
(1)FZ=(0)
65
A7
1011
X
F=(BE)FC=
(1)FZ=(0)
F=(BE)FC=
(1)FZ=(0)
65
A7
1100
X
F=(64)FC=(0)FZ=(0)
F=(64)FC=(0)FZ=(0)
65
A7
1101
X
F=(66)FC=(0)FZ=(0)
F=(66)FC=(0)FZ=(0)
第三部分结果与讨论(可加页)
一、实验结果分析(包括数据处理、实验现象分析、影响因素讨论、综合分析和结论等)
本实验应该注意cn的取值,才能够得出正确的结果。
运算器内部含有三个独立运算部件,分别为算术、逻辑和移位运算部件,要处理的数据存于暂存器A和暂存器B,三个部件同时接受来自A和B的数据,功能选择控制端S3…S0和CN决定各操作数的加、减、逻辑与、逻辑或以及移位等运算。
实验过程并没有出现总线竞争的现象,说明连线没有错误。
ALU单元的指示灯产生相应的亮灭信息,通过判断亮灭读取二进制数。
本次实验也涉及到了数据总线,总线有三个性质:
公共性、驱动性和三态性,在数据输入时利用控制开关来控制三态,有效时输出数据,无效时数据输入缓冲器呈高阻(相当断开)与数据总线隔离;公共性是总线的最根本的属性,所有传输的数据都通过共享数据线分时完成的,何时完成靠控制信号来区分,如输入的两个16位数据就是通过数据总线分两次(分时)传送的。
二、小结、建议及体会
实验过程中涉及到的线路比较复杂,接线较多,不过只要认真些,该试验很容易做完做好。
实验课程名称:
_计算机组成原理
实验项目名称
静态随机存储器实验
实验成绩
实验者
专业班级
组别
同组者
实验日期
2015年6月2日
第一部分:
实验预习报告(包括实验目的、意义,实验基本原理与方法,主要仪器设备及耗材,实验方案与技术路线等)
1.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。
2.实验设备
PC机一台,TD-CMA实验系统一套。
3.实验原理
实验所用的静态存储器由一片6116(2K×8bit)构成(位于MEM单元),如图2-1-1所示。
6116有三个控制线:
CS(片选线)、OE(读线)、WE(写线),其功能如表2-1-1所示,当片选
有效(CS=0)时,OE=0时进行读操作,WE=0时进行写操作,本实验将CS常接地。
由于存储器(MEM)最终是要挂接到CPU上,所以其还需要一个读写控制逻辑,使得CPU
能控制MEM的读写,实验中的读写控制逻辑如图2-1-2所示,由于T3的参与,可以保证MEM
的写脉宽与T3一致,T3由时序单元的TS3给出(时序单元的介绍见附录2)。
IOM用来选择是对I/O还是对MEM进行读写操作,RD=1时为读,WR=1时为写。
实验原理图如图2-1-3所示,存储器数据线接至数据总线,数据总线上接有8个LED灯显示D7…D0的内容。
地址线接至地址总线,地址总线上接有8个LED灯显示A7…A0的内容,地址由地址锁存器(74LS273,位于PC&AR单元)给出。
数据开关(位于IN单元)经一个三态门(74LS245)连至数据总线,分时给出地址和数据。
地址寄存器为8位,接入6116的地址A7…A0,6116的高三位地址A10…A8接地,所以其实际容量为256字节。
实验箱中所有单元的时序都连接至时序与操作台单元,CLR都连接至CON单元的CLR按
钮。
实验时T3由时序单元给出,其余信号由CON单元的二进制开关模拟给出,其中IOM应为低(即MEM操作),RD、WR高有效,MR和MW低有效,LDAR高有效。
第二部分:
实验过程记录(可加页)(包括实验原始数据记录,实验现象记录,实验过程发现的问题等)
1.实验步骤:
(1)关闭实验系统电源,按图2-1-4连接实验电路,并检查无误,图中将用户需要连接的信
号用圆圈标明。
(2)将时序与操作台单元的开关KK1、KK3置为运行档、开关KK2置为‘单步’档(时序
单元的介绍见附录二)。
(3)将CON单元的IOR开关置为1(使IN单元无输出),打开电源开关,如果听到有‘嘀’
报警声,说明有总线竞争现象,应立即关闭电源,重新检查接线,直到错误排除。
图2-1-4实验接线图
(4)给存储器的00H、01H、02H、03H、04H地址单元中分别写入数据11H、12H、13H、
14H、15H。
由前面的存储器实验原理图(图2-1-3)可以看出,由于数据和地址由同一个数据
开关给出,因此数据和地址要分时写入,先写地址,具体操作步骤为:
先关掉存储器的读写
(WR=0,RD=0),数据开关输出地址(IOR=0),然后打开地址寄存器门控信号(LDAR=1),
按动ST产生T3脉冲,即将地址打入到AR中。
再写数据,具体操作步骤为:
先关掉存储器的读写(WR=0,RD=0)和地址寄存器门控信号(LDAR=0),数据开关输出要写入的数据,打开输入三态门(IOR=0),然后使存储器处于写状态(WR=1,RD=0,IOM=0),按动ST产生T3脉冲,即将数据打入到存储器中。
写存储器的流程如图2-1-5所示(以向00地址单元写入11H为例):
(5)依次读出第00、01、02、03、04号单元中的内容,观察上述各单元中的内容是否与前
面写入的一致。
同写操作类似,也要先给出地址,然后进行读,地址的给出和前面一样,而在
进行读操作时,应先关闭IN单元的输出(IOR=1),然后使存储器处于读状态(WR=0,RD=1,
IOM=0),此时数据总线上的数即为从存储器当前地址中读出的数据内容。
读存储器的流程如图2-1-6所示(以从00地址单元读出11H为例):
如果实验箱和PC联机操作,则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果(软件使用说明
请看附录1),方法是:
打开软件,选择联机软件的“【实验】—【存储器实验】,打开存储器实验的数据通路图,如图2-1-7所示。
进行上面的手动操作,每按动一次ST按钮,数据通路图会有数据的流动,反映当前存储器
所做的操作(即使是对存储器进行读,也应按动一次ST按钮,数据通路图才会有数据流动),
或在软件中选择“【调试】—【单周期】,其作用相当于将时序单元的状态开关置为‘单步’档”后按动了一次ST按钮,数据通路图也会反映当前存储器所做的操作,借助于数据通路图,仔细分析SRAM的读写过程。
2.实验结果
存入的数据为学号最后两位(12)起始的5个连续自然数对应的反码
所得实验结果为:
11101101
11101100
11101011
11101010
11101001
第三部分结果与讨论(可加页)
一、实验结果分析(包括数据处理、实验现象分析、影响因素讨论、综合分析和结论等)
将12,13,14,15,16五个数据输入,结果则显示每一个相应的反码作为输出,一定要正确的调控wr,rd,iom,ior和ldar开关实现选择,读写和输出的操作。
二、小结、建议及体会
实验线路中存在并联电路,要注意并联线路的接法。
操作过程中要注意开关的控制以及电路的刷新。
实验课程名称:
_计算机组成原理
实验项目名称
微程序控制器实验
实验成绩
实验者
专业班级
组别
同组者
实验日期
2015年6月9日
第一部分:
实验预习报告(包括实验目的、意义,实验基本原理与方法,主要仪器设备及耗材,实验方案与技术路线等)
1.实验目的
(1)掌握微程序控制器的组成原理。
(2)掌握微程序的编制、写入,观察微程序的运行过程。
2.实验设备
PC机一台,TD-CMA实验系统一套。
3.实验原理
微程序控制器的基本任务是完成当前指令的翻译和执行,即将当前指令的功能转换成可以
控制的硬件逻辑部件工作的微命令序列,完成数据传送和各种处理操作。
它的执行方法就是将
控制各部件动作的微命令的集合进行编码,即将微命令的集合仿照机器指令一样,用数字代码
的形式表示,这种表示称为微指令。
这样就可以用一个微指令序列表示一条机器指令,这种微
指令序列称为微程序。
微程序存储在一种专用的存储器中,称为控制存储器。
微程序控制器的组成见图3-2-2,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(273)和一片4D(175)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(74)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。
在实验平台中设有一组编程控制开关KK3、KK4、KK5(位于时序与操作台单元),可实现
对存储器(包括存储器和控制存储器)的三种操作:
编程、校验、运行。
考虑到对于存储器(包
括存储器和控制存储器)的操作大多集中在一个地址连续的存储空间中,实验平台提供了便利
的手动操作方式。
以向00H单元中写入332211为例,对于控制存储器进行编辑的具体操作步骤
如下:
首先将KK1拨至‘停止’档、KK3拨至‘编程’档、KK4拨至‘控存’档、KK5拨至‘置数’档,由CON单元的SD05——SD00开关给出需要编辑的控存单元首(000000),
IN单元开关给出该控存单元数据的低8位(00010001)连续两次按动时序与操作台单元的开关,ST(第一次按动后MC单元低8位显示该单元以前存储的数据,第二次按动后显示当前改动的数据),此时MC单元的指示灯MA5——MA0显示当前地址(000000),M7——M0显示当前数据(00010001)然后将KK5拨至。
‘加1’IN单元开关给出该控存单元数据的中8位档,(00100010),连续两次按动开关ST,完成对该控存单元中8位数据的修改,此时MC单元的指示灯MA5—;再由IN单元开关给—MA0显示当前地址(000000),M15——M8显示当前数据(00100010)出该控存单元数据的高8(00110011),连续两次按动开关ST,完成对该控存单元高8位数据的修改此时MC单元的指示灯MA5——MA0显示当前地址(000000),M23——M16显示当前数据(00110011)。
此时被编辑的控存单元地址会自动加1(01H),由IN单元开关依次给出该控存单元数据的低8位、中8位和高8位配合每次开关ST的两次按动,即可完成对后续单元的编辑。
编辑完成后需进行校验,以确保编辑的正确。
以校验00H单元为例,对于控制存储器进行
校验的具体操作步骤如下:
首先将KK1拨至‘停止’档、KK3拨至‘校验’档、KK4拨至‘控存’档、KK5拨至‘置数’档。
由CON单元的SD05——SD00开关给出需要校验的控存单元地址(000000),连续两次按动开关ST,MC单元指示灯M7——M0显示该单元低8位数据(00010001);KK5拨至‘加1’档,再连续两次按动开关ST,MC单元指示灯M15——M8显示该单元中8位数据(00100010);再连续两次按动开关ST,MC单元指示灯M23——M16显示该单元高8位数据(00110011)。
再连续两次按动开关ST,地址加1,MC单元指示灯M7——M0显示01H单元低8位数据。
如校验的微指令出错,则返回输入操作,修改该单元的数据后再进行校验,直至确认输入的微代码全部准确无误为止,完成对微指令的输入。
位于实验平台MC单元左上角一列三个指示灯MC2、MC1、MC0用来指示当前操作的微
程序字段,分别对应M23——M16、M15——M8、M7——M0。
实验平台提供了比较灵活的手动操作方式,比如在上述操作中在对地址置数后将开关KK4拨至‘减1’档,则每次随着开关ST的两次拨动操作,字节数依次从高8位到低8位递减,减至低8位后,再按动两次开关ST,微地址会自动
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