計算機(jī)組成原理實驗

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1、成績：　　 計算機(jī)原理實驗室實驗報告 課 程 ： 計算機(jī)組成原理 姓 名 ： 姜香玉 專 業(yè) ： 網(wǎng)絡(luò)工程 學(xué) 號 ： 132055215 日 期 ： 2015年12月 太原工業(yè)學(xué)院 計算機(jī)工程系 實驗一：運算器實驗 實驗環(huán)境 PC機(jī)＋Win 2003＋emu8086＋proteus仿真器 實驗日期 2015年.10 一．實驗內(nèi)容 1. 熟悉proteus仿真系統(tǒng) 2

2、. 設(shè)計并驗證4位算數(shù)邏輯單元的功能 3. 實現(xiàn)輸入輸出鎖存 4. 實現(xiàn)8位算數(shù)邏輯單元 2． 理論分析或算法分析 實驗原理： 算術(shù)邏輯運算單元的核心是由 74LS181 構(gòu)成，它可以進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)邏輯運算，74LS181 的各種工作方式可通過設(shè)置其控制信號來實現(xiàn)。當(dāng)正確設(shè)置74LS181的各個控制信號，74LS181 會運算數(shù)據(jù)鎖存器內(nèi)的數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)鎖存器已經(jīng)把數(shù)據(jù)鎖存，只要 74LS181的控制信號不變，那么 74LS181 的輸出數(shù)據(jù)也不會發(fā)生改變。輸出緩沖器采用 74LS245，當(dāng)控制信號為低電平時，74LS245導(dǎo)通，把74LS181 的運算結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)總線，高電

3、平時，74LS245 的輸出為高阻。 實驗中所用的運算器數(shù)據(jù)通路如圖所示。 其中運算器由兩片74LS181以并/串形式構(gòu)成8位字長的ALU。 運算器的輸出經(jīng)過一個三態(tài)門(74LS245)以8芯扁平線方式和數(shù)據(jù)總線相連，運算器的2個數(shù)據(jù)輸入端分別由二個鎖存器(74LS273)鎖存，鎖存器的輸入亦以8芯扁平線方式與數(shù)據(jù)總線相連，數(shù)據(jù)開關(guān)(INPUT DEVICE)用來給出參與運算的數(shù)據(jù)，經(jīng)一三態(tài)門(74LS245)以8芯扁平線方式和數(shù)據(jù)總線相連，數(shù)據(jù)顯示燈(BUS UNIT)已和數(shù)據(jù)總線相連，用來顯示數(shù)據(jù)總線內(nèi)容。 三．實現(xiàn)方法（含實現(xiàn)思路、程序流程圖、實驗電路圖和源程序列表等）

4、 實現(xiàn)電路圖： 1.設(shè)計并驗證4位算數(shù)邏輯單元的功能 2. 實現(xiàn)8位算數(shù)邏輯單元 四．實驗結(jié)果分析（含執(zhí)行結(jié)果驗證、輸出顯示信息、圖形、調(diào)試過程中所遇的問題及處理方法等） （一）驗證了基本要求,實現(xiàn)了設(shè)計并驗證4位算數(shù)邏輯單元、實現(xiàn)輸入輸出鎖存、實現(xiàn)8位算數(shù)邏輯單元的功能. 運行結(jié)果：圖一 圖二： （2） 思考問題：單總線，雙總線和三總線結(jié)構(gòu)在設(shè)計上的異同 答：單總線結(jié)構(gòu)：對這種結(jié)構(gòu)的運算器來說，在同一時間內(nèi)，只能有一個操作數(shù)放在單總線上。為了把兩個操作數(shù)輸入到ALU，需要分兩次來做，而且還需要A，B兩個緩沖寄存器。這種結(jié)構(gòu)的主要缺點是操作速度較慢。雖然在這

5、種結(jié)構(gòu)中輸入數(shù)據(jù)和操作結(jié)果需要三次串行的選通操作，但它并不會對每種指令都增加很多執(zhí)行時間。只有在對全都是CPU寄存器中的兩個操作數(shù)進(jìn)行操作時，單總線結(jié)構(gòu)的運算器才會造成一定的時間損失。但是由于它只控制一條總線，故控制電路比較簡單。 雙總線結(jié)構(gòu)：在這種結(jié)構(gòu)中，兩個操作數(shù)同時加到ALU進(jìn)行運算，只需一次操作控制，而且馬上就可以得到運算結(jié)果。兩條總線各自把其數(shù)據(jù)送至ALU的輸入端因而 必須在ALU輸出端設(shè)置緩沖寄存器。為此，操作的控制要分兩步完成：（1）在ALU的兩個輸入端輸入操作數(shù)，形成結(jié)果并送入緩沖寄存器；（2）把結(jié)果送入目的寄存器。 三總線結(jié)構(gòu)：在三總線結(jié)構(gòu)中，ALU的兩個輸入端分別由兩

6、條總線供給，而ALU的輸出則與第三條總線相連。這樣，算術(shù)邏輯操作就可以在一步的控制之內(nèi)完成。另外，設(shè)置了一個總線旁路器。如果一個操作數(shù)不需要修改，而直接從總線2傳送到總線3，那么可以通過控制總線旁路器把數(shù)據(jù)傳出；如需要修改，那么就借助于ALU。 五．結(jié)論 完成了本次實驗要求的設(shè)計并驗證4位算數(shù)邏輯單元、實現(xiàn)輸入輸出鎖存、實現(xiàn)8位算數(shù)邏輯單元的實驗內(nèi)容。學(xué)會了如何使用proteus仿真系統(tǒng)，掌握了運算器工作原理，熟悉了算術(shù)運算的運算過程以及控制這種運算的方法。 實驗二：寄存器實驗 實驗環(huán)境 PC機(jī)＋Win 2003＋emu8086＋proteus仿真器

7、實驗日期 2015.10 一．實驗內(nèi)容 1. 理解CPU運算器中寄存器的作用 2. 設(shè)計并驗證寄存器組（至少四個寄存器） 3. 實現(xiàn)更多的寄存器（至少8個） 2． 理論分析或算法分析 單元電路： 實驗中所用的寄存器數(shù)據(jù)通路如圖所示。由74LS373組成寄存器組成。寄存器的輸入接口用一8芯扁平線連至BUS總線接口，而寄存器的輸出接口用一8芯扁平線連至BUS總線接口。經(jīng)CBA二進(jìn)制控制開關(guān)譯碼產(chǎn)生數(shù)據(jù)輸出選通信號，LDR0、LDR1、LDR2為數(shù)據(jù)寫入允許信號，由二進(jìn)制控制開關(guān)模擬，均為高電平有效。 三．實現(xiàn)方法（含實現(xiàn)思路、程序流程圖、實驗電路圖和源程序列表等）

8、 實驗電路： 1. 設(shè)計并驗證寄存器組 2. 擴(kuò)展成四組（由于空間有限，只能實現(xiàn)兩組） 四．實驗結(jié)果分析（含執(zhí)行結(jié)果驗證、輸出顯示信息、圖形、調(diào)試過程中所遇的問題及處理方法等） （一）驗證了基本要求,實現(xiàn)了設(shè)計并驗證寄存器組（至少四個寄存器）、實現(xiàn)更多的寄存器（至少8個）的功能. 運行結(jié)果：圖一 （二）思考問題：隨著寄存器的增多，電路設(shè)計的復(fù)雜度是什么比例增大 答：在電路設(shè)計中，隨著寄存器的增多，電路設(shè)計的復(fù)

9、雜程度是成倍增大的。 五．結(jié)論 完成了本次實驗要求的設(shè)計并驗證寄存器組（至少四個寄存器）、實現(xiàn)更多的寄存器（至少8個）的功能的實驗內(nèi)容。學(xué)會了如何擴(kuò)展多組寄存器以及寄存器的工作原理.明白了CPU運算器中計算器的作用： （1） 可將寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)執(zhí)行算術(shù)及邏輯運算。 （2） 存于寄存器內(nèi)的地址可用來指向內(nèi)存的某個位置，即尋址。 （3） 可以用來讀寫數(shù)據(jù)到電腦的周邊設(shè)備。 實驗三：輸入輸出實驗 實驗環(huán)境 ISIS仿真軟件 實驗日期 2015.11 實現(xiàn)方法： 實驗（1） 實驗（2）

10、 實驗結(jié)果分析 實驗四：微程序控制器實驗 實驗環(huán)境 PC機(jī)＋Win7＋proteus仿真器 實驗日期 2015.12 一．實驗內(nèi)容 基本要求： 1. 掌握微程序控制器工作原理 2設(shè)計并實現(xiàn)指令的微程序片段 二．理論分析或算法分析 程序查詢方式是最簡單、經(jīng)濟(jì)的I/O方式，通常接口中至少有兩個寄存器，一個是數(shù)據(jù)緩沖寄存器，即數(shù)據(jù)端口，用來存放與方式，通常接口中至少有兩個寄存器，一個是數(shù)據(jù)緩沖寄存器，即數(shù)據(jù)端口，用來存放與CPU進(jìn)行傳送的數(shù)據(jù)信息；另一個是供進(jìn)行傳送的數(shù)據(jù)信息；另一個是供CPU查詢的設(shè)備狀態(tài)寄存器，這個寄存器由多個標(biāo)志位組成，其中最重要的是“外設(shè)準(zhǔn)備就

11、緒”標(biāo)志（輸入或輸出設(shè)備的準(zhǔn)備就緒標(biāo)志可以不是同一位）。當(dāng)要的是“外設(shè)準(zhǔn)備就緒”標(biāo)志（輸入或輸出設(shè)備的準(zhǔn)備就緒標(biāo)志可以不是同一位）。當(dāng)CPU得到這位標(biāo)志后就進(jìn)行判斷，以決定下一步是繼續(xù)循環(huán)等待還是進(jìn)行得到這位標(biāo)志后就進(jìn)行判斷，以決定下一步是繼續(xù)循環(huán)等待還是進(jìn)行I/O傳送。 三．實現(xiàn)方法（含實現(xiàn)思路、程序流程圖、實驗電路圖和源程序列表等） 實驗電路圖 將數(shù)據(jù)送入鎖存器: CPU從鎖存器中讀取數(shù)據(jù)：

12、 準(zhǔn)備讀取下一個數(shù)據(jù)： 4． 實驗結(jié)果分析（含執(zhí)行結(jié)果驗證、輸出顯示信息、圖形、調(diào)試過程中所遇的問題及處理方法等） 過程分析： 在輸入設(shè)備準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)時，發(fā)出一個選通信號KEY-BUS，將數(shù)據(jù)通過總線接收器74LS245送入總線，然后通過總線把數(shù)據(jù)傳送到鎖存器74LS373（圖中的U2），同時將D觸發(fā)器U3:B的Q輸出端置為1（即燈READ_NEXT亮），表示接口中已經(jīng)有數(shù)據(jù)（即準(zhǔn)備就緒）。CPU要從外設(shè)輸入數(shù)據(jù)時，先執(zhí)行輸入指令讀取狀態(tài)字，如READ_NEXT=1，再執(zhí)行輸入指令從鎖存器中讀取

13、數(shù)據(jù)，同時把DE_C2D置為1，表示可以準(zhǔn)備從外設(shè)接收下一個數(shù)據(jù)；如果READ_NEXT=0；則踏步等待，直至READ_NEXT=1為止。 五．結(jié)論 通過本次實驗，我掌握了程序查詢的基本思想以及工作流程。通過仿真電路，雖然實驗中遇到問題，但在老師和同學(xué)的幫助下，最終還是實現(xiàn)了程序查詢方式的輸入接口和輸出接口的工作流程仿真，完成了本次實驗。 實驗五：微程序設(shè)計實驗 實驗環(huán)境 PC機(jī)＋Win 2003＋proteus仿真器 實驗日期 2015.12 一．實驗內(nèi)容 1. 了解微程序執(zhí)行過程 2. 設(shè)計并實現(xiàn)指令的微程序執(zhí)行過程 3. 分析取指過程與微地址的關(guān)系

14、二、理論分析或算法分析 1、微程序的設(shè)計 理論分析或算法分析 ⑴ 微地址顯示燈顯示的是后續(xù)微地址，而26位顯示燈顯示的是當(dāng)前微單元的二進(jìn)制控制位。 ⑵ 微控制代碼輸出鎖存器273(0-2)、175及后續(xù)微地址輸出鎖存器M7~M2(74LS74)。 ⑶ CK0、CK1、CK2、CK3為微控制器微代碼鎖存輸出控制位。 ⑷ T2為后續(xù)微地址輸出鎖存控制位，在模型機(jī)運行狀態(tài)有效。 ⑸ 微控制程序存貯器(6116)片選端CS0、CS1、CS2、CS3受控于管理CPU(89C52)。 ⑹ 微控制程序存貯器(6116)讀、寫端OE、WE均受控于管理CPU(89C52)。 ⑺ SE5~SE0

15、是指令譯碼的輸入端，通過譯碼器確定相應(yīng)機(jī)器指令的微代碼入口地址。 ⑻ 4片245在CPU管理下產(chǎn)生裝載微代碼程序所需的四路8位數(shù)據(jù)總線及低5位地址線。 ⑼ 管理CPU(89C52)及大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨧ACH128N是系統(tǒng)的指揮與控制中心。 這種方式的特點是微程序控制部件中的微地址中的微地址產(chǎn)生線路主要是微地址計數(shù)器MPC，MPC的初值由微程序首址形成線路根據(jù)指令操作碼編碼形成，在微程序執(zhí)行過程中該計數(shù)器增量計數(shù)，產(chǎn)生下一條微指令地址。這使得微指令格式中可以不設(shè)置“下地址場”，縮短了微指令長度，也使微程序控制部件結(jié)構(gòu)較簡單。但微程序必須存放在控存若干連續(xù)單元中。 2） 斷定方

16、式微程序控制部件示意圖 微指令中設(shè)有“下地址場”，他指出下條微指令的地址，這使一條指令的微程序中的微指令在控存中不一定要連續(xù)存放。在微程序執(zhí)行過程中。微程序控制部件中的微地址形成電路直接接受微指令下地址場信息來產(chǎn)生下條微指令地址，微程序的首址也由此微地址形成線路根據(jù)指令操作碼產(chǎn)生 3、 實現(xiàn)方法（含實現(xiàn)思路、程序流程圖、實驗電路圖和源程序列表等） 將全部微程序微指令格式變址的二進(jìn)制代碼表 四．實驗結(jié)果分析（含執(zhí)行結(jié)果驗證、輸出顯示信息、圖形、調(diào)試過程中所遇的問題及處理方法等） （一）驗證了基本要求,實現(xiàn)了設(shè)計并實現(xiàn)指令的微程序執(zhí)行過程、分析取指過程與微地址的關(guān)系的功能. 五．結(jié)論 完成了本次實驗要求的設(shè)計并實現(xiàn)指令的微程序執(zhí)行過程、分析取指過程與微地址的關(guān)系的內(nèi)容，并了解微程序執(zhí)行過程，微程序即實現(xiàn)程序的一種手段，具體就是將一條機(jī)器指令編寫成一段微程序。每一個微程序包含若干條微指令，每一條微指令對應(yīng)一條或多條微操作。在有微程序的系統(tǒng)中，CPU內(nèi)部有一個控制存儲器,用于存放各種機(jī)器指令對應(yīng)的微程序段。當(dāng)CPU執(zhí)行機(jī)器指令時，會在控制存儲器里尋找與該機(jī)器指令對應(yīng)的微程序，取出相應(yīng)的微指令來控制執(zhí)行各個微操作，從而完成該程序語句的功能。