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计算机组成原理

实验教程

山西大学计算机与信息技术学院

2015 年 8 月

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计算机组成原理实验教程 山西大学计算机与信息技术学院

实验系统硬件布局图

实验注意事项

1、根据实验要求接线。由于实验箱中配备的排线只有 2 口、4 口、6 口和 8 口四种&＃xff0c;当需要用 1 口、3 口线时&＃xff0c;可用 2 口、4 口替代&＃xff0c;但要注意连线两端的颜色一定要对应。

2、接好线路并检查无误后&＃xff0c;再打开实验箱的电源。

3、插线、拔线前一定要关闭电源&＃xff0c;不要带电操作。

4、电源关闭后&＃xff0c;不能立即重启&＃xff0c;至少间隔 30 秒。

5、使用前后仔细检查主机板&＃xff0c;防止导线、元件等物品落入导致线路短路、元件损坏。

6、实验分组第一次确定后&＃xff0c;即固定不变。

7、实验结束后收好线&＃xff0c;关闭电源&＃xff0c;清理桌面&＃xff0c;将椅子摆放整齐。

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实验一 基本运算器实验

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&＃xff0c; 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&＃xff0c;分别为算术、逻辑和移位

运算部件&＃xff0c;要处理的数据存于暂存器 A 和暂存器 B&＃xff0c;三个部件同时接受来自 A 和 B 的数据 &＃xff0c;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&＃xff0c;任何时候&＃xff0c;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&＃xff0c;还将臵进位标志 FC&＃xff0c;在运算结

果输出前&＃xff0c;臵 ALU 零标志。 ALU 中所有模块集成在一片 CPLD 中。

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&＃xff0c;另外还有指示灯标明进位标志 FC 和零标志 FZ。请注意&＃xff1a;实验箱上凡丝印标注有马蹄形标 记

‘ ’&＃xff0c;表示这两根排针之间是连通的。图中除T4 和 CLR &＃xff0c;其余信号均来自于 ALU 单元 的

排线座&＃xff0c;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&＃xff0c;CLR

都连接至 CON 单元的 CLR 按钮。T4 由时序单元的 TS4 提供 &＃xff0c;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&＃xff0c;其余均为电平信号&＃xff0c;其中 ALU_B 为低有

效&＃xff0c;其余为高有效。

暂存器 A 和暂存器 B 的数据能在 LED 灯上实时显示&＃xff0c;原理如图 1-2 所示(以 A0 为例&＃xff0c;其它

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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。

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VCC A0

图 1-2 A0 显示原理图

ALU 和外围电路的连接如图 1-3 所示&＃xff0c;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&＃xff0c;其中 S3 S2 S1 S0 CN 为控制信号&＃xff0c; FC 为进位标志&＃xff0c; FZ 为

运算器零标志&＃xff0c;表中功能栏内的 FC、FZ 表示当前运算会影响到该标志。

图 1-3 ALU 和外围电路连接原理图

表 1-1 运算器逻辑功能表( 表中? X?为任意态&＃xff0c;下同 )

运算类型S3 S2 S1 S0 CN 功 能

0000 X F&＃61;A(直通)

0001 X F&＃61;B(直通)

逻辑运算

0010 X F&＃61;AB (FZ)

0011 X F&＃61;A&＃43;B (FZ)0100 X F&＃61; A&＃39; (FZ)

0101 X F&＃61;A 不带进位循环右移 B(取低 3 位)位 (FZ) 0 F&＃61;A 逻辑右移一位 (FZ)

0110

移位运算

1 F&＃61;A 带进位循环右移一位 (FC&＃xff0c;FZ)

0 F&＃61;A 逻辑左移一位 (FZ) 0111

1 F&＃61;A 带进位循环左移一位 (FC&＃xff0c;FZ)

1000 X 臵 FC&＃61;CN ( FC)

1001 X F&＃61;A 加 B (FC&＃xff0c;FZ)

1010 X F&＃61;A 加 B 加 FC ( FC&＃xff0c; FZ)

算术运算

1011 X F&＃61;A 减 B ( FC&＃xff0c; FZ)

1100 X F&＃61;A 减 1 ( FC&＃xff0c; FZ)

1101 X F&＃61;A 加 1 ( FC&＃xff0c; FZ)

1110 X (保留)

1111 X (保留)

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1.4 实验步骤

(1) 按图 1-4 连接实验电路&＃xff0c;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 1-4 实验接线图

(2) 将时序与操作台单元的开关 KK2 臵为‘单拍’档 &＃xff0c;开关 KK1 、KK3 臵为‘运行’档。

(3) 打开电源开关&＃xff0c;如果听到有‘嘀’报警声&＃xff0c;说明有总线竞争现象&＃xff0c;应立即关闭电源&＃xff0c;重

新检查接线&＃xff0c;直到错误排除。然后按动 CON 单元