组成原理实验指导书12年版本(结果)

《计算机组成原理》实验指导书 计算机学院

《计算机组成原理》

实验指导书

院别 专业 班级 姓名

湖北理工学院计算机学院编

2012年3月

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《计算机组成原理》实验指导书 计算机学院

目 录

实验一 运算器组成 ............................... 1

1.1 实验目的 ................................................................................................................. 1

1.2 实验设备 ................................................................................................................. 1 1.3 实验原理 ................................................................................................................. 1 1.4 实验步骤 ................................................................................................................. 4

实验二 半导体存储器 ............................. 7

2.1 实验目的 ................................................................................................................. 7 2.2 实验设备 ................................................................................................................. 7 2.3 实验原理 ................................................................................................................. 7 2.4 实验步骤 ................................................................................................................. 8

实验三 数据通路 ................................ 11

3.1 实验目的 ............................................................................................................... 11 3.2 实验设备 ............................................................................................................... 11 3.3 实验原理 ............................................................................................................... 11 3.4 实验步骤 ............................................................................................................... 12

实验四 微程序控制器 ............................ 16

4.1 实验目的 ............................................................................................................... 16 4.2 实验设备 ............................................................................................................... 16 4.3 实验原理 ................................................................................................................ 16 4.4 实验步骤 ............................................................................................................... 22

实验五 模型机组成及程序运行实验 ................ 25

5.1 实验目的 ............................................................................................................... 25 5.2 实验设备 ............................................................................................................... 25 5.3 实验原理 ............................................................................................................... 25 5.4 实验步骤 ............................................................................................................... 28

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实验一 运算器组成

计算机的一个最主要的功能就是处理各种算术和逻辑运算，这个功能要由CPU中的运算器来完成，运算器也称作算术逻辑部件ALU。

1.1 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。

1.2 实验设备

PC机一台，TD-CMA实验系统一套。

1.3 实验原理

本实验的原理如图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，如ARM），各部件对操作数进行何种运算由控制信号S3?S0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1-2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。

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D[7..0]F7VCCALU_B三态控制(245)PRNDQT4CLRVCCPRNQDCLRCLRCY1CY2ADD_SUBT4SHIFTADD_SUBLOGIC三选一开关SHIFT译码器F0CLRFZFCCNCY2FCCn算术运算部件逻辑运算部件CnFC移位运算部件S[3..0]显示AA(273)LDAT4B(273)LDBT4显示BIN[7..0]

图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。T4由时序单元的TS4提供（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。

右3in[3]右2右1不移位左1in[2]左2in[1]左3in[0]out[0]out[1]out[2]out[3]

图1-2 交叉开关桶形移位器原理图

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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1-3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。

VCC1KA0

图1-3 A0显示原理图

ALU和外围电路的连接如图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所示，其中S3 S2 S1 S0 CN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。

D[7..0]OUT[7..0]ALU_B三态控制(245)R0_BR1_BR2_BR3_BCNS[3..0]ALUFCFZ显示FC显示FZR0LDR0T4LDR1T4R1LDR2T4R2LDR3T4R3显示AA(273)B(273)显示BREG堆LDAT4LDBT4IN[7..0]

图1-4 ALU和外围电路连接原理图

表1-1 运算器逻辑功能表

运算类型 S3 S2 S1 S0 CN 0000 0001 逻辑运算 0010 0011 0100 0101 移位运算 0110 0111 1000 1001 1010 算术运算 1011 1100 1101 1110 1111 X X X X X X 0 1 0 1 X X X X X X X X 功 能 F=A（直通） F=B（直通） F=AB （FZ） F=A+B （FZ） F=/A （FZ） F=A不带进位循环右移B（取低3位）位 （FZ） F=A逻辑右移一位 （FZ） F=A带进位循环右移一位 （FC，FZ） F=A逻辑左移一位 （FZ） F=A带进位循环左移一位 （FC，FZ） 置FC=CN （FC） F=A加B （FC，FZ） F=A加B加FC （FC，FZ） F=A减B （FC，FZ） F=A减1 （FC，FZ） F=A加1 （FC，FZ） （保留） （保留） *表中“X”为任意态，下同

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