计算机组成原理
实验指导书
目 录
实验 8位算术逻辑运算实验 1
实验二 带进位控制8位算术逻辑运算实验 5
实验三 16位算术逻辑运算实验 8
实验四 移位运算器实验 12
实验五 存储器实验 14
实验六 微控制器实验 17
实验七 基模型机设计实现 25
实验前说明
章详细介绍实验实验目实验原理软硬件设计方法等实验前实验者必须重温计算机组成原理前序课程数字逻辑完成章实验基础通章实验实验者加深学课程理知识理解力图实验者实验动手力综合力进步提高时完成学生阅读计算机硬件逻辑图综合培训
DVCC系列实验计算机进行实验时部分实验线路需实验者连接连接时单信号线相连时选单股实验导线根实验中连线求应信号线相连信号线相连时选排线（4芯5芯6芯8芯）根实验中连线求应信号插座连接起芯信号插座白色圆点作第脚标志行
做实验前跳线设置：
（1）J20J21J22ZI2CN4 CN0接短路片
（2）JJ23J24J25J26接左边
（3）J27J28 右边
（4）J29接
（5）JA1JA2JA3JA4置高阻
（6）JA5置接通
（7）JA6置手动
（8）JA8置微程序
实验 8位算术逻辑运算实验
实验目
1 掌握简单运算器数传送通路组成原理
2 验证算术逻辑运算功发生器 74LS181组合功
二实验容
1 实验原理
实验中运算器数通路图3－1示中运算器两片74LS181串形成8位字长ALU构成运算器输出三态门74LS245(U33)部数总线BUSD0～D7插座BUS1～2中（跳线器JA3高阻时接通）部数总线通LZD0～LZD7显示灯显示运算器两数输入端分二锁存器74LS273（U29U30）锁存两锁存器输入联连部总线BUS实验时通8芯排线连外部数总线EXD0～D7插座EXJ1～EXJ3中参运算数8位数开KD0～KD7三态门74LS245（U51）直接连外部数总线EXD0～EXD7通数开关输入数LD0～LD7显示
图中算术逻辑运算功发生器 74LS181（U31U32）功控制信号S3S2S1S0CNM行相连连6位功开关手动方式二进制开关S3S2S1S0CNM模拟74LS181（U31U32）功控制信号S3S2S1S0CNM电控制信号LDDR1LDDR2ALUB`SWB`手动方式二进制开关LDDR1LDDR2ALUBSWB模拟信号动手动两种方式产生通跳线器切换中ALUB`SWB`低电效LDDR1LDDR2高电效
信号T4脉信号手动方式进行实验时需跳线器J23T4手动脉发生开关输出端SD相连动手动脉开关获实验需单脉
2实验接线
实验4模块：⑴低8位运算器模块⑵数输入显示模块⑶数总线显示模块⑷功开关模块（微址输入模块）
根实验原理详细接线：
1J20J21J22接短路片
2J24J25J26接左边
3J27J28 右边
4J23 置右边T4选 SD
5JA5 置接通
6JA6 置手动
7JA3 置接通
8JA1JA2JA4置高阻
9JA8 置面微址
10EXJ1接BUS3
11开关CE AR 置1
3实验步骤
⑴ 连接线路仔细查线误接通电源
⑵ 二进制数码开关KD0～KD7DR1DR2寄存器置数方法：关闭ALU输出三态门（ALUB`1）开启输入三态门（SWB`0）输入脉T4手动脉发生钮产生设置数开关具体操作步骤图示：
说明：LDDR1LDDR2ALUB`SWB`四信号电应开关LDDR1LDDR2ALUBSWB出拨面1拨面0电值应显示灯显示T4手动脉开关出
⑶ 检验DR1DR2中存入数否正确利算术逻辑运算功发生器 74LS181逻辑功M1具体操作：关闭数输入三态门SWB`＝1开ALU输出三态门ALUB`＝0置S3S2S1S0M1 1 1 1 1时总线指示灯显示DR1中数置成1 0 1 0 1时总线指示灯显示DR2中数
⑷ 验证74LS181算术运算逻辑运算功（采正逻辑）
定DR135DR248情况改变算术逻辑运算功发生器功设置观察运算器输出填入表3—1中理分析进行较验证
实验二 带进位控制8位算术逻辑运算实验
实验目
1 验证带进位控制算术逻辑运算发生器功
2 指定数完成种指定算术运算
二实验容
1实验原理
带进位控制运算器实验原理图3－2示实验⑴基础增加进位控制部分中高位74LS181（U31）进位CN4通门UN4EUN2CUN3B进入UN5B输入端D写入脉T4AR信号控制T4脉信号手动方式进行实验时需跳线器J23T4手动脉发生开关输出端SD相连动手动脉开关获实验需单脉AR电控制信号（低电效）实现带进位控制实验图中出AR必须0电D型触发器74LS74（UN5B）时钟端CLK脉信号输入次运算进位结果CY锁存进位锁存器74LS74（UN5B）中
2实验接线
1J20J21J22接短路片
2J24J25J26接左边
3J27J28 右边
4J23 置右边T4选 SD
5JA5 置接通
6JA6 置手动
7JA3 置接通
8JA1JA2JA4置高阻
9JA8 置面微址
10EXJ1接BUS3
11CE299B 置1AR置0
3实验步骤
⑴ 仔细查线误接通电源
⑵ 二进制数码开关KD0～KD7DR1DR2寄存器置数方法：关闭ALU输出三态门ALUB1开启输入三态门SWB0输入脉T4手动脉发生钮产生果选择参操作两数分55HAAH两数存入DR1DR2具体操作步骤：
⑶ 开关ALUB0开启输出三态门开关SWB1关闭输入三态门时LDDR10LDDR20
⑷ 果原进位CY1进位灯亮需清零进位标志时具体操作方法：
·S3 S2 S 1S0 M 状态置0 0 0 0 0AR信号置0电（清零操作时DR1寄存 器中数应等FF）
·动手动脉发生开关CY0清进位标志
注：进位标志指示灯CY亮时表示进位标志1进位进位标志指示灯CY灭时表示进位位0进位
⑷ 验证带进位运算进位锁存功
里两种情况：
·进位标志已清零CY0进位灯灭时开关CN0进行带进位算术运算例步骤⑵参运算两数55HAAHS3 S2 S1 S0 M 状态1 0 0 1 0 时输出数总线显示灯显示数DR1加DR2加初始进位位1（CN0）相加结果应ALU00产生进位时动手动脉开关进位标志灯亮表示进位果开关CN1相加结果ALUFFH产生进位
·原进位CY1进位灯亮时考虑CN状态进行带进位算术运算样步骤⑵参运算两数55HAAHS3 S2 S1 S0 M 状态1 0 0 1 0 时输出数总线显示灯显示数DR1加DR2加前进位标志CY相加结果样ALU00产生进位时动手动脉开关进位标志灯亮表示进位
实验三 16位算术逻辑运算实验
实验目
1掌握16位算术逻辑运算数传送通路组成原理
2进步验证算术逻辑运算功发生器 74LS181组合功
二实验容
1实验原理
实验中16位运算器数通路图3－3示中运算器四片74LS181串形成16位字长ALU构成低8位运算器输出三态门74LS245（U33）部总线低8位数总线通LZD0～LZD7显示灯显示高8位运算器输出三态门74LS245（U33`）ALUO1`插座实验时8芯排线高8位数总线BUSD8～D15插座KBUS1KBUS2相连高8位数总线通LZD8～LZD15显示灯显示参运算四数输入端分四锁存器74LS273（U29U30U29`U30）锁存实验时四锁存器输入联连部数总线8芯线连接外部数总线EXD0～D7插座EXJ1～EXJ3中参运算数源8位数开KD0～KD7三态门74LS245（U51）直接连外部数总线EXD0～EXD7输入数通LD0～LD7显示
2实验接线
实验6模块：⑴低8位运算器模块⑵数输入显示模块⑶数总线显示模块⑷功开关模块（微址输入模块）⑸高8位运算器模块⑹高8位（扩展）数总线显示模块
根实验原理详细接线：
1J20J21J22接短路片
2J24J25J26接左边
3J27J28 左边
4J23 置右边T4选 SD
5JA5 置接通
6JA6 置手动
7JA3 置接通
8JA1JA2JA4置高阻
9JA8 置面微址
10EXJ1接BUS3
11ALO1'接KBUS1
12开关CE AR 置1
13ZI2CN4CN0接短路片
3实验步骤
⑴ 连接线路仔细查线误接通电源
⑵ 二进制数码开关KD0～KD7DR1DR2DR3DR4寄存器置数方法：关闭ALU输出三态门应ALUB`1（开关ALUB1）开启输入三态门
应SWB`0（开关SWB0）选通寄存器应开关LDDR1～LDDR4（高电效）中LDDR3LDDR4开关高8位运算器部输入脉T4手动脉发生钮设置数开关具体操作步骤图示：
说明：LDDR1LDDR2ALUB`SWB`LDDR3LDDR4六信号电应开关LDDR1LDDR2ALUBSWBLDDR3LDDR4出拨面1拨面0电值应显示灯显示T4手动脉开关出
⑶ 进步验证74LS181算术运算逻辑运算功（采正逻辑）
·开关SWB1关闭输入三态门
·开关ALUB0开输出三态门
·LDDR1～LDDR4四开关全拨0电
·根表3—2置功开关S3S2S1S0MCN验证74LS181算术运算逻辑运算功
说明：果实现16位带进位控制算术逻辑运算需实验三基础开关AR1变成AR0
实验四 移位运算器实验
实验目
验证移位控制器组合功
二实验容
1实验原理
移位运算实验原理图3－4示片74LS299（U34）作移位发生器八位输入输出端通74LS245引总线总线控制方式见图1—6JA4接通时输出总线299B`信号开关299B提供控制端T4时钟脉手动方式实验时T4手动脉发生器输出端SD相连J23跳线器T4连SD信号S0 S1 M控制功状态详细见表3—3
2实验接线
1J20J21J22接短路片
2J24J25J26接左边
3J27J28 右边
4J23 置右边T4选 SD
5JA5 置接通
6JA6 置手动
7JA3JA4 置接通
8JA1JA2置高阻
9JA8 置面微址
10EXJ1接BUS3
11CEALU_B 置1
12299B 置0
3实验步骤
⑴ 连接实验线
路仔细查线误接通电源
⑵ 置数具体步骤：
⑶ 移位参表改变S0 S1 M 299B 状态动手动脉开关产生时钟脉T4观察移位结果
实验五 存储器实验
实验目
掌握静态机存取存储器RAM工作特性数读写方法
二 实验容
1实验原理
存储器单元电路存放实验机机器指令图3—5示数总线挂外部数总线EXD0～EXD7址总线址寄存器单元电路中址寄存器74LS273（U37）出址值8LED灯LAD0～LAD7显示高电亮低电灭手动方式输入数8位数开关KD0～KD7提供三态门74LS245（U51）连外部数总线EXD0～EXD7实验时外部数总线EXD0～EXD78芯排线连部数总线BUSD0～BUSD7分时出址数读信号直接接写信号片选信号写入方式确定该存储器中机器指令读写分手动动两种方式手动方式 写信号WR` 提供片选信号CE`提供动方式写信号控制CPUP12提供片选信号控制CPUP11提供
址寄存器8位接入6264址A0～A7高4位A8～A12接实际容量256字节6264四控制线：CS1 第片选线CS2第二片选线OE读线WE写线功表3—4示CS1片选线CE`控制（应开关CE）OE读线直接接WE写线WR`控制（应开关WE）CS2直接接+5V
图中信号线LDAR开关LDAR提供手动方式实验时跳线器LDAR拨左边脉信号T3实验机时序电路模块TS3提供实验时需J22跳线器连T3脉宽度调
2实验接线
1J20J21J22接短路片
2J23J24J25J26接左边
3J27J28 右边
4JA5 置接通
5JA6 置手动
6JA1JA2JA3JA4置高阻
7JA8 置面微址
8EXJ1接BUS3
3实验步骤
⑴ 连接实验线路仔细查线误接通电源
⑵ 形成时钟脉信号T3方法：总清开关置1时序电路模块中两二进制开关运行控制运行方式运行控制开关置运行状态运行方式开关置连续状态时动运行启动开关T3连续方波信号输出时调节电位器W1示波器观察T3输出实验求脉信号实验中总清开关置1运行方式开关置单步状态动次启动运行开关T3输出正单脉脉宽度连续方式相
⑷存储器00址单元中写入数11具体操作步骤：
果址单元写入容方法输入址容
⑸ 读出刚写入00址单元容观察容否写入致具体操作步骤：
实验六 微控制器实验
实验目
1掌握时序信号发生电路组成原理
2掌握微程序控制器设计思想组成原理
3掌握微程序编制写入观察微程序运行
二 实验容
1实验原理
实验时序电路原理图3—6示产生4等间隔时序信号TS1～TS4 中SP时钟信号实验机时钟源提供产生频率脉宽调方波信号学生根实验求行选择方波信号频率脉宽便控制程序运行时序电路发生器设计启停控制触发器UN1BTS1～TS4信号输出控图中运行方式运行控制启动运行三信号分实验机三开关运行控制开关置运行运行方式开关置连续时旦启动运行开关运行触发器UN1B输出QT直处1状态时序信号TS1～TS4周复始发送出运行控制开关置运行运行方式开关置单步时旦启动运行开关机器便处单步运行状态时发送CPU周期时序信号停机利单步方式次运行条微指令停机观察微指令代码前微指令执行结果外实验机连续运行时果运行方式开关置单步位置会实验机停机
2 微程序控制电路微指令格式
⑴ 微程序控制电路
微程序控制器组成见图3－7中控制存储器采3片E2PROM 2816芯片具掉电保护功微命令寄存器18位两片8D触发器74LS273（U23U24）片4D触发器74LS175（U27）组成微址寄存器6位三片正触发双D触发器74LS74（U14～U16）组成带清0端预置端判测试情况T2时刻入微址寄存器容条微指令址T4时刻进行测试判时转移逻辑满足条件输出负脉通强置端某触发器置1状态完成址修改
该实验电路中设编程开关具三种状态：写入读出运行处写状态时学生根微址微指令格式微指令二进制代码写入控制存储器2816中处读时写入控制存储器中二进制代码进行验证判断写入二进制代码否正确处运行状态时出微程序入口微址根微程序流程图动执行微程序图中微址寄存器输出端增加组三态门（U12）目隔离触发器输出增加抗干扰力驱动微址显示灯
⑵ 微指令格式
微指令长24位控制位序：
图3—7
中UA5～ UA06位续微址ABC 三译码字段分三组译码控制电路译码产生控制信号C字段中P（1）～P（4）四测试字位功根机器指令相应微代码进行译码微程序转入相应微址入口实现微程序序分支循环运行原理图3－8示图中I7～I2指令寄存器第7～2位输出SE5～SE1微控器单元微址锁存器强置端输出AR算术运算否影响进位判零标志控制位低电效B字段中RSBRDBRIB分源寄存器选通信号目寄存器选通信号变址寄存器选通信号功根机器指令进行三工作寄存器R0R1R2选通译码原理图3－9图中I0－I4指令寄存器第0～4位LDRI 入工作寄存器信号译码器控制位
图3—8
图3—9
3实验步骤
⑴ 根机器指令画出应微程序流程图图3—10示
⑵ 根微程序流程图设计微指令微指令格式转换成二进制代码表3—5示
图3—10 微程序流程图
⑶ 实验接线
1J20J21J22ZI2接短路片
2JJ23J24J25J26接左边
3J27J28 右边
4J29接
5JA1JA2JA3JA4置高阻
6JA5置接通
7JA8置微程序
8JA6 置微控
⑷ 仔细查线误接通电源
⑸ 观测时序信号
双踪示波器（PC示波器功）观察方波信号源输出方法：总清开关置1运行控制开关置运行运行方式开关置连续动启动运行开关示波器观察TS1（J20）TS2（J21）TS3（J22）TS4（J23）点波形较相互关系画出波形标注测量脉宽度图3－11
⑹ 进步解微程序控制器工作原理
① 写微程序
A 编程开关置写入状态
B 运行控制开关置运行运行方式开关置单步状态
C 二进制模拟开关UA0～UA5置6位微址UA0～UA5电LK0～LK5显示高电亮低电灭
D 二进制模拟开关MK1～MK24置24位微代码24位微代码LMD1～LMD24显示灯显示高电亮低电灭
E 动启动运行开关启动时序电路微代码写入E2PROM 2816相应址单元中
F 重复C－E步骤表3－5微代码全部写入E2PROM 2816中
② 读微程序
A 编程开关设置读状态
B 运行控制开关置运行运行方式开关置单步状态
C 二进制模拟开关UA0～UA5置6位微址
D 动启动运行开关启动时序电路读出微代码观察显示灯LMD1～LMD24状态检查读出微代码否写入相果编程开关置写入状态重新执行①
③ 单步运行
A 编程开关置运行状态
B 运行控制开关置运行运行方式开关置单步状态
C 系统总清总清开关拨0→1微址寄存器U14～U16清零明确机运行入口微址000000（二进制）
D 动启动运行开关启动时序电路动次运行条微指令停机时实验机微址显示灯微程序显示灯显示读出条指令
④ 连续运行
A 编程开关置运行状态
B 运行控制开关置运行运行方式开关置连续状态
C 系统总清总清开关拨0→1微址寄存器U14～U16清零明确机运行入口微址000000（二进制）
D 动启动运行开关启动时序电路连续运行
实验七 基模型机设计实现
实验目
1掌握部件单元电路实验基础进步组成系统构造台基模型实验计算机
2设计五条机器指令编写相应微程序具体机调试掌握整机软硬件组成概念
二实验容
1实验原理
部件实验程中部件单元控制信号模拟产生次实验微程序控制动产生部件单元控制信号实现特定指令功里实验计算机数通路控制微程序控制器完成CPU存中取出条机器指令指令执行结束指令周期全部微指令组成序列完成条机器指令应微程序
⑴关微控制器部分前实验中已详细介绍
⑵ 存储器读写运行
存储器RAM中装入程序数检查写入否正确运行存储器中程序必须设计三控制操作微程序
·存储器读操作：拨动总清开关置控制开关SWCSWA0 0时求连线连续启动运行开关存储器RAM连续手动读操作
·存储器写操作：拨动总清开关置控制开关SWCSWA0 1时求连线启动运行开关存储器RAM进行连续手动写入
·运行程序：拨动总清开关置控制开关SWCSWA1 1时求连线启动运行开关转入第01号取址微指令启动程序运行
述三条控制指令两开关SWCSWA状态设置定义：
SWC
SWA
控制台指令
0
0
1
0
1
1
读存
写存
启动程序
⑶ 指令寄存器介绍
指令寄存器保存前正执行条指令执行条指令时先存取缓寄存器中然传送指令寄存器指令划分操作码址码字段二进制构成执行条定指令必须操作码进行测试P(1)通节拍脉T4控制便识求操作指令译码器根指令中操作码进行译码强置微控器单元微址条微指令指相应微程序首址
⑷ 输入输出设备
系统两种外部IO设备种二进制代码开关KD0～KD7作输入设备INPUT种数码显示块作输出设备OUTPUT例：输入时二进制开关数直接三态门送外部数总线开关状态变输入信息变输出时输出数送外部数总线写信号（WR）效时数入输出锁存器驱动数码块显示
⑸ 设计指令
根基模型机硬件设计五条机器指令：外设输入指令IN二进制加法指令ADD存数指令STA输出外设指令OUT条件转移指令JMP指令格式：
助记符 机器指令码 说 明
IN 0000 0000 外部开关量输入K70～KD0开关状态→R0
ADD addr 0001 0000 XXXXXXXX R0+[addr]→R0
STA addr 0010 0000 XXXXXXXX R0→[addr]
OUT addr 0011 0000 XXXXXXXX [addr]→BUS
JMP addr 0100 0000 XXXXXXXX [addr]→PC
说明：
指令IN单字节指令余均双字节指令 XXXXXXXXaddr应存储器二进制址码
⑹ 基模型机监控软件设计
模型机监控软件完成输入设备读入数进行简单算术运算结果存入存某单元通输出设备输出结果
监控软件详细：
址 容 助记符 说 明
0000 0000 0000 0000 IN INPUT DEVICE→R0
0000 0001 0001 0000 ADD［0AH］ R0＋［0AH］→R0
0000 0010 0000 1010
0000 0011 0010 0000 STA［0BH］ R0→［0BH］
0000 0100 0000 1011
0000 0101 0011 0000 OUT［0BH］ [0BH］→BUS
0000 0110 0000 1011
0000 0111 0100 0000 JMP［00H］ 00H→PC
0000 1000 0000 0000
0000 1001
0000 1010 0000 0001 定义参加运算数
0000 1011 求结果存放单元
2实验步骤
⑴ 根实验原理设计数通路框图图3－12
⑵ 根机器指令画出应微程序流程图
实验微程序流程见图3－13拟定取指微指令时该微指令判测试字段P（1）测试取指微指令微程序公微指令P（1）测试结果出现路分支机指令寄存器前4位I7～I4作测试条件出现5路分支占5固定微址单元
实验机控制操作P（4）测试控制开关SWCSWA作测试条件出现3路分支占3固定微址单元分支微址单元固定剩方条微指令占控存微址单元意填写
注意：微程序流程图单元址16进制
⑶ 根微程序流程图设计微指令转换成16进制代码文件
全部微程序设计完毕应条微指令代码化微指令格式图3—13微程序流程图转化成二进制微代码表表3—6示转换成16进制代码文件
图3—13微程序流程图
监控程序16进制文件格式（文件名C8JHE1）：
程序： 机器指令格式说明
＄P00 00 PXX XX
＄P01 10 十六进制址 机器指令
＄P02 0A
＄P03 20
＄P04 0B
＄P05 30
＄P06 0B
＄P07 40
＄P08 00
＄P0A 01
微程序：
＄M00 108105 微指令格式说明
＄M01 82ED05 MXX XXXXXXXX
＄M02 48C004 十六进制址 微指令代码
＄M03 04E004
＄M04 05B004
＄M05 06A205
＄M06 019A95
＄M07 0DE004
＄M08 011004
＄M09 83ED05
＄M0A 87ED05
＄M0B 8EED05
＄M0C 96ED05
＄M0D 018206
＄M0E 0FE004
＄M0F 15A004
＄M10 92ED05
＄M11 94ED05
＄M12 17A004
＄M13 018005
＄M14 182004
＄M15 010A07
＄M16 81D104
＄M17 100A07
＄M18 118A06
⑷ 实验接线
1J20J21J22接短路片
2JJ23J24J25J26接左边
3J27J28 右边
4J29接
5JA1JA2JA3置接通
6JA4置高阻
7JA5置接通
8JA8置微程序
9JA6 置微控
10EXJ1接BUS3
⑸ 读写程序
①手动方法写微程序参实验六
手动方法写代码程序（机器指令）步骤：
通步 机器指令应微代码正确写入E2ROM 2816芯片进行机器指令程序装入检查
A 编程开关置运行位置运行控制开关置运行位置运行方式开关置单步位置
B 拨动总清开关（0→1）微址寄存器清零程序计数器清零然控制开关SWCSWA开关置0 1动次启动运行开关微址显示灯LUA0～LUA5显示010001动次启动运行开关微址显示灯LUA0～LUA5显示010100时数开关容置写入机器指令动次启动运行开关完成该条指令写入仔细阅读微程序流程难发现机器指令首址第次出PC会动加1次动启动运行开关微址灯显示010100时设置容直机器指令写完
C 写完程序须进行检验拨动总清开关(0→1)微址清零PC程序计数器清零然控制开关SWCSWA0 0动启动运行开关微址灯显示010000启动运行开关微址灯显示010010第三次启动运行开关微址灯显示010111时总线数显示灯LZD0～LZD7显示该首址容动次启动运行开关微址灯显示0100002位数码显示RAM中程序断动启动运行开关检查续单元容
注意：次仅微址灯显示010000时2位数码显示容相应址中机器指令容
② 联机读写微程序机器指令
联机软件装载功16进制格式文件（文件名C8JHE1）装入实验系统（详细操作见机软件README）微指令代码表3624位微代码左右分成三8位三8位二进制代码化相应十六进制数表36第行转化108105
⑹ 运行程序
① 单步运行程序
A 编程开关置运行状态运行方式开关置单步状态运行控制开关置运行状态
B 拨动总清开关(0→1)微址清零PC计数器清零程序首址00H
C 动启动运行开关单步运行条微指令微程序流程图观察微址显示灯否流程致
② 连续运行程序
A 编程开关置运行状态运行方式开关置连续状态运行控制开关置运行状态
B 拨动总清开关清微址PC计数器动启动运行开关系统连续运行程序果停止程序运行需运行控制开关置停止状态系统停机
C 停机检查数码显示数值存数单元0BH中结果否正确
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计算机组成原理
实验指导书
目 录
实验 8位算术逻辑运算实验 1
实验二 带进位控制8位算术逻辑运算实验 5
实验三 16位算术逻辑运算实验 8
实验四 移位运算器实验 12
实验五 存储器实验 14
实验六 微控制器实验 17
实验七 基模型机设计实现 25
实验前说明
章详细介绍实验实验目实验原理软硬件设计方法等实验前实验者必须重温计算机组成原理前序课程数字逻辑完成章实验基础通章实验实验者加深学课程理知识理解力图实验者实验动手力综合力进步提高时完成学生阅读计算机硬件逻辑图综合培训
DVCC系列实验计算机进行实验时部分实验线路需实验者连接连接时单信号线相连时选单股实验导线根实验中连线求应信号线相连信号线相连时选排线（4芯5芯6芯8芯）根实验中连线求应信号插座连接起芯信号插座白色圆点作第脚标志行
做实验前跳线设置：
（1）J20J21J22ZI2CN4 CN0接短路片
（2）JJ23J24J25J26接左边
（3）J27J28 右边
（4）J29接
（5）JA1JA2JA3JA4置高阻
（6）JA5置接通
（7）JA6置手动
（8）JA8置微程序
实验 8位算术逻辑运算实验
实验目
1 掌握简单运算器数传送通路组成原理
2 验证算术逻辑运算功发生器 74LS181组合功
二实验容
1 实验原理
实验中运算器数通路图3－1示中运算器两片74LS181串形成8位字长ALU构成运算器输出三态门74LS245(U33)部数总线BUSD0～D7插座BUS1～2中（跳线器JA3高阻时接通）部数总线通LZD0～LZD7显示灯显示运算器两数输入端分二锁存器74LS273（U29U30）锁存两锁存器输入联连部总线BUS实验时通8芯排线连外部数总线EXD0～D7插座EXJ1～EXJ3中参运算数8位数开KD0～KD7三态门74LS245（U51）直接连外部数总线EXD0～EXD7通数开关输入数LD0～LD7显示
图中算术逻辑运算功发生器 74LS181（U31U32）功控制信号S3S2S1S0CNM行相连连6位功开关手动方式二进制开关S3S2S1S0CNM模拟74LS181（U31U32）功控制信号S3S2S1S0CNM电控制信号LDDR1LDDR2ALUB`SWB`手动方式二进制开关LDDR1LDDR2ALUBSWB模拟信号动手动两种方式产生通跳线器切换中ALUB`SWB`低电效LDDR1LDDR2高电效
信号T4脉信号手动方式进行实验时需跳线器J23T4手动脉发生开关输出端SD相连动手动脉开关获实验需单脉
2实验接线
实验4模块：⑴低8位运算器模块⑵数输入显示模块⑶数总线显示模块⑷功开关模块（微址输入模块）
根实验原理详细接线：
1J20J21J22接短路片
2J24J25J26接左边
3J27J28 右边
4J23 置右边T4选 SD
5JA5 置接通
6JA6 置手动
7JA3 置接通
8JA1JA2JA4置高阻
9JA8 置面微址
10EXJ1接BUS3
11开关CE AR 置1
3实验步骤
⑴ 连接线路仔细查线误接通电源
⑵ 二进制数码开关KD0～KD7DR1DR2寄存器置数方法：关闭ALU输出三态门（ALUB`1）开启输入三态门（SWB`0）输入脉T4手动脉发生钮产生设置数开关具体操作步骤图示：
说明：LDDR1LDDR2ALUB`SWB`四信号电应开关LDDR1LDDR2ALUBSWB出拨面1拨面0电值应显示灯显示T4手动脉开关出
⑶ 检验DR1DR2中存入数否正确利算术逻辑运算功发生器 74LS181逻辑功M1具体操作：关闭数输入三态门SWB`＝1开ALU输出三态门ALUB`＝0置S3S2S1S0M1 1 1 1 1时总线指示灯显示DR1中数置成1 0 1 0 1时总线指示灯显示DR2中数
⑷ 验证74LS181算术运算逻辑运算功（采正逻辑）
定DR135DR248情况改变算术逻辑运算功发生器功设置观察运算器输出填入表3—1中理分析进行较验证
实验二 带进位控制8位算术逻辑运算实验
实验目
1 验证带进位控制算术逻辑运算发生器功
2 指定数完成种指定算术运算
二实验容
1实验原理
带进位控制运算器实验原理图3－2示实验⑴基础增加进位控制部分中高位74LS181（U31）进位CN4通门UN4EUN2CUN3B进入UN5B输入端D写入脉T4AR信号控制T4脉信号手动方式进行实验时需跳线器J23T4手动脉发生开关输出端SD相连动手动脉开关获实验需单脉AR电控制信号（低电效）实现带进位控制实验图中出AR必须0电D型触发器74LS74（UN5B）时钟端CLK脉信号输入次运算进位结果CY锁存进位锁存器74LS74（UN5B）中
2实验接线
1J20J21J22接短路片
2J24J25J26接左边
3J27J28 右边
4J23 置右边T4选 SD
5JA5 置接通
6JA6 置手动
7JA3 置接通
8JA1JA2JA4置高阻
9JA8 置面微址
10EXJ1接BUS3
11CE299B 置1AR置0
3实验步骤
⑴ 仔细查线误接通电源
⑵ 二进制数码开关KD0～KD7DR1DR2寄存器置数方法：关闭ALU输出三态门ALUB1开启输入三态门SWB0输入脉T4手动脉发生钮产生果选择参操作两数分55HAAH两数存入DR1DR2具体操作步骤：
⑶ 开关ALUB0开启输出三态门开关SWB1关闭输入三态门时LDDR10LDDR20
⑷ 果原进位CY1进位灯亮需清零进位标志时具体操作方法：
·S3 S2 S 1S0 M 状态置0 0 0 0 0AR信号置0电（清零操作时DR1寄存 器中数应等FF）
·动手动脉发生开关CY0清进位标志
注：进位标志指示灯CY亮时表示进位标志1进位进位标志指示灯CY灭时表示进位位0进位
⑷ 验证带进位运算进位锁存功
里两种情况：
·进位标志已清零CY0进位灯灭时开关CN0进行带进位算术运算例步骤⑵参运算两数55HAAHS3 S2 S1 S0 M 状态1 0 0 1 0 时输出数总线显示灯显示数DR1加DR2加初始进位位1（CN0）相加结果应ALU00产生进位时动手动脉开关进位标志灯亮表示进位果开关CN1相加结果ALUFFH产生进位
·原进位CY1进位灯亮时考虑CN状态进行带进位算术运算样步骤⑵参运算两数55HAAHS3 S2 S1 S0 M 状态1 0 0 1 0 时输出数总线显示灯显示数DR1加DR2加前进位标志CY相加结果样ALU00产生进位时动手动脉开关进位标志灯亮表示进位
实验三 16位算术逻辑运算实验
实验目
1掌握16位算术逻辑运算数传送通路组成原理
2进步验证算术逻辑运算功发生器 74LS181组合功
二实验容
1实验原理
实验中16位运算器数通路图3－3示中运算器四片74LS181串形成16位字长ALU构成低8位运算器输出三态门74LS245（U33）部总线低8位数总线通LZD0～LZD7显示灯显示高8位运算器输出三态门74LS245（U33`）ALUO1`插座实验时8芯排线高8位数总线BUSD8～D15插座KBUS1KBUS2相连高8位数总线通LZD8～LZD15显示灯显示参运算四数输入端分四锁存器74LS273（U29U30U29`U30）锁存实验时四锁存器输入联连部数总线8芯线连接外部数总线EXD0～D7插座EXJ1～EXJ3中参运算数源8位数开KD0～KD7三态门74LS245（U51）直接连外部数总线EXD0～EXD7输入数通LD0～LD7显示
2实验接线
实验6模块：⑴低8位运算器模块⑵数输入显示模块⑶数总线显示模块⑷功开关模块（微址输入模块）⑸高8位运算器模块⑹高8位（扩展）数总线显示模块
根实验原理详细接线：
1J20J21J22接短路片
2J24J25J26接左边
3J27J28 左边
4J23 置右边T4选 SD
5JA5 置接通
6JA6 置手动
7JA3 置接通
8JA1JA2JA4置高阻
9JA8 置面微址
10EXJ1接BUS3
11ALO1'接KBUS1
12开关CE AR 置1
13ZI2CN4CN0接短路片
3实验步骤
⑴ 连接线路仔细查线误接通电源
⑵ 二进制数码开关KD0～KD7DR1DR2DR3DR4寄存器置数方法：关闭ALU输出三态门应ALUB`1（开关ALUB1）开启输入三态门
应SWB`0（开关SWB0）选通寄存器应开关LDDR1～LDDR4（高电效）中LDDR3LDDR4开关高8位运算器部输入脉T4手动脉发生钮设置数开关具体操作步骤图示：
说明：LDDR1LDDR2ALUB`SWB`LDDR3LDDR4六信号电应开关LDDR1LDDR2ALUBSWBLDDR3LDDR4出拨面1拨面0电值应显示灯显示T4手动脉开关出
⑶ 进步验证74LS181算术运算逻辑运算功（采正逻辑）
·开关SWB1关闭输入三态门
·开关ALUB0开输出三态门
·LDDR1～LDDR4四开关全拨0电
·根表3—2置功开关S3S2S1S0MCN验证74LS181算术运算逻辑运算功
说明：果实现16位带进位控制算术逻辑运算需实验三基础开关AR1变成AR0
实验四 移位运算器实验
实验目
验证移位控制器组合功
二实验容
1实验原理
移位运算实验原理图3－4示片74LS299（U34）作移位发生器八位输入输出端通74LS245引总线总线控制方式见图1—6JA4接通时输出总线299B`信号开关299B提供控制端T4时钟脉手动方式实验时T4手动脉发生器输出端SD相连J23跳线器T4连SD信号S0 S1 M控制功状态详细见表3—3
2实验接线
1J20J21J22接短路片
2J24J25J26接左边
3J27J28 右边
4J23 置右边T4选 SD
5JA5 置接通
6JA6 置手动
7JA3JA4 置接通
8JA1JA2置高阻
9JA8 置面微址
10EXJ1接BUS3
11CEALU_B 置1
12299B 置0
3实验步骤
⑴ 连接实验线
路仔细查线误接通电源
⑵ 置数具体步骤：
⑶ 移位参表改变S0 S1 M 299B 状态动手动脉开关产生时钟脉T4观察移位结果
实验五 存储器实验
实验目
掌握静态机存取存储器RAM工作特性数读写方法
二 实验容
1实验原理
存储器单元电路存放实验机机器指令图3—5示数总线挂外部数总线EXD0～EXD7址总线址寄存器单元电路中址寄存器74LS273（U37）出址值8LED灯LAD0～LAD7显示高电亮低电灭手动方式输入数8位数开关KD0～KD7提供三态门74LS245（U51）连外部数总线EXD0～EXD7实验时外部数总线EXD0～EXD78芯排线连部数总线BUSD0～BUSD7分时出址数读信号直接接写信号片选信号写入方式确定该存储器中机器指令读写分手动动两种方式手动方式 写信号WR` 提供片选信号CE`提供动方式写信号控制CPUP12提供片选信号控制CPUP11提供
址寄存器8位接入6264址A0～A7高4位A8～A12接实际容量256字节6264四控制线：CS1 第片选线CS2第二片选线OE读线WE写线功表3—4示CS1片选线CE`控制（应开关CE）OE读线直接接WE写线WR`控制（应开关WE）CS2直接接+5V
图中信号线LDAR开关LDAR提供手动方式实验时跳线器LDAR拨左边脉信号T3实验机时序电路模块TS3提供实验时需J22跳线器连T3脉宽度调
2实验接线
1J20J21J22接短路片
2J23J24J25J26接左边
3J27J28 右边
4JA5 置接通
5JA6 置手动
6JA1JA2JA3JA4置高阻
7JA8 置面微址
8EXJ1接BUS3
3实验步骤
⑴ 连接实验线路仔细查线误接通电源
⑵ 形成时钟脉信号T3方法：总清开关置1时序电路模块中两二进制开关运行控制运行方式运行控制开关置运行状态运行方式开关置连续状态时动运行启动开关T3连续方波信号输出时调节电位器W1示波器观察T3输出实验求脉信号实验中总清开关置1运行方式开关置单步状态动次启动运行开关T3输出正单脉脉宽度连续方式相
⑷存储器00址单元中写入数11具体操作步骤：
果址单元写入容方法输入址容
⑸ 读出刚写入00址单元容观察容否写入致具体操作步骤：
实验六 微控制器实验
实验目
1掌握时序信号发生电路组成原理
2掌握微程序控制器设计思想组成原理
3掌握微程序编制写入观察微程序运行
二 实验容
1实验原理
实验时序电路原理图3—6示产生4等间隔时序信号TS1～TS4 中SP时钟信号实验机时钟源提供产生频率脉宽调方波信号学生根实验求行选择方波信号频率脉宽便控制程序运行时序电路发生器设计启停控制触发器UN1BTS1～TS4信号输出控图中运行方式运行控制启动运行三信号分实验机三开关运行控制开关置运行运行方式开关置连续时旦启动运行开关运行触发器UN1B输出QT直处1状态时序信号TS1～TS4周复始发送出运行控制开关置运行运行方式开关置单步时旦启动运行开关机器便处单步运行状态时发送CPU周期时序信号停机利单步方式次运行条微指令停机观察微指令代码前微指令执行结果外实验机连续运行时果运行方式开关置单步位置会实验机停机
2 微程序控制电路微指令格式
⑴ 微程序控制电路
微程序控制器组成见图3－7中控制存储器采3片E2PROM 2816芯片具掉电保护功微命令寄存器18位两片8D触发器74LS273（U23U24）片4D触发器74LS175（U27）组成微址寄存器6位三片正触发双D触发器74LS74（U14～U16）组成带清0端预置端判测试情况T2时刻入微址寄存器容条微指令址T4时刻进行测试判时转移逻辑满足条件输出负脉通强置端某触发器置1状态完成址修改
该实验电路中设编程开关具三种状态：写入读出运行处写状态时学生根微址微指令格式微指令二进制代码写入控制存储器2816中处读时写入控制存储器中二进制代码进行验证判断写入二进制代码否正确处运行状态时出微程序入口微址根微程序流程图动执行微程序图中微址寄存器输出端增加组三态门（U12）目隔离触发器输出增加抗干扰力驱动微址显示灯
⑵ 微指令格式
微指令长24位控制位序：
图3—7
中UA5～ UA06位续微址ABC 三译码字段分三组译码控制电路译码产生控制信号C字段中P（1）～P（4）四测试字位功根机器指令相应微代码进行译码微程序转入相应微址入口实现微程序序分支循环运行原理图3－8示图中I7～I2指令寄存器第7～2位输出SE5～SE1微控器单元微址锁存器强置端输出AR算术运算否影响进位判零标志控制位低电效B字段中RSBRDBRIB分源寄存器选通信号目寄存器选通信号变址寄存器选通信号功根机器指令进行三工作寄存器R0R1R2选通译码原理图3－9图中I0－I4指令寄存器第0～4位LDRI 入工作寄存器信号译码器控制位
图3—8
图3—9
3实验步骤
⑴ 根机器指令画出应微程序流程图图3—10示
⑵ 根微程序流程图设计微指令微指令格式转换成二进制代码表3—5示
图3—10 微程序流程图
⑶ 实验接线
1J20J21J22ZI2接短路片
2JJ23J24J25J26接左边
3J27J28 右边
4J29接
5JA1JA2JA3JA4置高阻
6JA5置接通
7JA8置微程序
8JA6 置微控
⑷ 仔细查线误接通电源
⑸ 观测时序信号
双踪示波器（PC示波器功）观察方波信号源输出方法：总清开关置1运行控制开关置运行运行方式开关置连续动启动运行开关示波器观察TS1（J20）TS2（J21）TS3（J22）TS4（J23）点波形较相互关系画出波形标注测量脉宽度图3－11
⑹ 进步解微程序控制器工作原理
① 写微程序
A 编程开关置写入状态
B 运行控制开关置运行运行方式开关置单步状态
C 二进制模拟开关UA0～UA5置6位微址UA0～UA5电LK0～LK5显示高电亮低电灭
D 二进制模拟开关MK1～MK24置24位微代码24位微代码LMD1～LMD24显示灯显示高电亮低电灭
E 动启动运行开关启动时序电路微代码写入E2PROM 2816相应址单元中
F 重复C－E步骤表3－5微代码全部写入E2PROM 2816中
② 读微程序
A 编程开关设置读状态
B 运行控制开关置运行运行方式开关置单步状态
C 二进制模拟开关UA0～UA5置6位微址
D 动启动运行开关启动时序电路读出微代码观察显示灯LMD1～LMD24状态检查读出微代码否写入相果编程开关置写入状态重新执行①
③ 单步运行
A 编程开关置运行状态
B 运行控制开关置运行运行方式开关置单步状态
C 系统总清总清开关拨0→1微址寄存器U14～U16清零明确机运行入口微址000000（二进制）
D 动启动运行开关启动时序电路动次运行条微指令停机时实验机微址显示灯微程序显示灯显示读出条指令
④ 连续运行
A 编程开关置运行状态
B 运行控制开关置运行运行方式开关置连续状态
C 系统总清总清开关拨0→1微址寄存器U14～U16清零明确机运行入口微址000000（二进制）
D 动启动运行开关启动时序电路连续运行
实验七 基模型机设计实现
实验目
1掌握部件单元电路实验基础进步组成系统构造台基模型实验计算机
2设计五条机器指令编写相应微程序具体机调试掌握整机软硬件组成概念
二实验容
1实验原理
部件实验程中部件单元控制信号模拟产生次实验微程序控制动产生部件单元控制信号实现特定指令功里实验计算机数通路控制微程序控制器完成CPU存中取出条机器指令指令执行结束指令周期全部微指令组成序列完成条机器指令应微程序
⑴关微控制器部分前实验中已详细介绍
⑵ 存储器读写运行
存储器RAM中装入程序数检查写入否正确运行存储器中程序必须设计三控制操作微程序
·存储器读操作：拨动总清开关置控制开关SWCSWA0 0时求连线连续启动运行开关存储器RAM连续手动读操作
·存储器写操作：拨动总清开关置控制开关SWCSWA0 1时求连线启动运行开关存储器RAM进行连续手动写入
·运行程序：拨动总清开关置控制开关SWCSWA1 1时求连线启动运行开关转入第01号取址微指令启动程序运行
述三条控制指令两开关SWCSWA状态设置定义：
SWC
SWA
控制台指令
0
0
1
0
1
1
读存
写存
启动程序
⑶ 指令寄存器介绍
指令寄存器保存前正执行条指令执行条指令时先存取缓寄存器中然传送指令寄存器指令划分操作码址码字段二进制构成执行条定指令必须操作码进行测试P(1)通节拍脉T4控制便识求操作指令译码器根指令中操作码进行译码强置微控器单元微址条微指令指相应微程序首址
⑷ 输入输出设备
系统两种外部IO设备种二进制代码开关KD0～KD7作输入设备INPUT种数码显示块作输出设备OUTPUT例：输入时二进制开关数直接三态门送外部数总线开关状态变输入信息变输出时输出数送外部数总线写信号（WR）效时数入输出锁存器驱动数码块显示
⑸ 设计指令
根基模型机硬件设计五条机器指令：外设输入指令IN二进制加法指令ADD存数指令STA输出外设指令OUT条件转移指令JMP指令格式：
助记符 机器指令码 说 明
IN 0000 0000 外部开关量输入K70～KD0开关状态→R0
ADD addr 0001 0000 XXXXXXXX R0+[addr]→R0
STA addr 0010 0000 XXXXXXXX R0→[addr]
OUT addr 0011 0000 XXXXXXXX [addr]→BUS
JMP addr 0100 0000 XXXXXXXX [addr]→PC
说明：
指令IN单字节指令余均双字节指令 XXXXXXXXaddr应存储器二进制址码
⑹ 基模型机监控软件设计
模型机监控软件完成输入设备读入数进行简单算术运算结果存入存某单元通输出设备输出结果
监控软件详细：
址 容 助记符 说 明
0000 0000 0000 0000 IN INPUT DEVICE→R0
0000 0001 0001 0000 ADD［0AH］ R0＋［0AH］→R0
0000 0010 0000 1010
0000 0011 0010 0000 STA［0BH］ R0→［0BH］
0000 0100 0000 1011
0000 0101 0011 0000 OUT［0BH］ [0BH］→BUS
0000 0110 0000 1011
0000 0111 0100 0000 JMP［00H］ 00H→PC
0000 1000 0000 0000
0000 1001
0000 1010 0000 0001 定义参加运算数
0000 1011 求结果存放单元
2实验步骤
⑴ 根实验原理设计数通路框图图3－12
⑵ 根机器指令画出应微程序流程图
实验微程序流程见图3－13拟定取指微指令时该微指令判测试字段P（1）测试取指微指令微程序公微指令P（1）测试结果出现路分支机指令寄存器前4位I7～I4作测试条件出现5路分支占5固定微址单元
实验机控制操作P（4）测试控制开关SWCSWA作测试条件出现3路分支占3固定微址单元分支微址单元固定剩方条微指令占控存微址单元意填写
注意：微程序流程图单元址16进制
⑶ 根微程序流程图设计微指令转换成16进制代码文件
全部微程序设计完毕应条微指令代码化微指令格式图3—13微程序流程图转化成二进制微代码表表3—6示转换成16进制代码文件
图3—13微程序流程图
监控程序16进制文件格式（文件名C8JHE1）：
程序： 机器指令格式说明
＄P00 00 PXX XX
＄P01 10 十六进制址 机器指令
＄P02 0A
＄P03 20
＄P04 0B
＄P05 30
＄P06 0B
＄P07 40
＄P08 00
＄P0A 01
微程序：
＄M00 108105 微指令格式说明
＄M01 82ED05 MXX XXXXXXXX
＄M02 48C004 十六进制址 微指令代码
＄M03 04E004
＄M04 05B004
＄M05 06A205
＄M06 019A95
＄M07 0DE004
＄M08 011004
＄M09 83ED05
＄M0A 87ED05
＄M0B 8EED05
＄M0C 96ED05
＄M0D 018206
＄M0E 0FE004
＄M0F 15A004
＄M10 92ED05
＄M11 94ED05
＄M12 17A004
＄M13 018005
＄M14 182004
＄M15 010A07
＄M16 81D104
＄M17 100A07
＄M18 118A06
⑷ 实验接线
1J20J21J22接短路片
2JJ23J24J25J26接左边
3J27J28 右边
4J29接
5JA1JA2JA3置接通
6JA4置高阻
7JA5置接通
8JA8置微程序
9JA6 置微控
10EXJ1接BUS3
⑸ 读写程序
①手动方法写微程序参实验六
手动方法写代码程序（机器指令）步骤：
通步 机器指令应微代码正确写入E2ROM 2816芯片进行机器指令程序装入检查
A 编程开关置运行位置运行控制开关置运行位置运行方式开关置单步位置
B 拨动总清开关（0→1）微址寄存器清零程序计数器清零然控制开关SWCSWA开关置0 1动次启动运行开关微址显示灯LUA0～LUA5显示010001动次启动运行开关微址显示灯LUA0～LUA5显示010100时数开关容置写入机器指令动次启动运行开关完成该条指令写入仔细阅读微程序流程难发现机器指令首址第次出PC会动加1次动启动运行开关微址灯显示010100时设置容直机器指令写完
C 写完程序须进行检验拨动总清开关(0→1)微址清零PC程序计数器清零然控制开关SWCSWA0 0动启动运行开关微址灯显示010000启动运行开关微址灯显示010010第三次启动运行开关微址灯显示010111时总线数显示灯LZD0～LZD7显示该首址容动次启动运行开关微址灯显示0100002位数码显示RAM中程序断动启动运行开关检查续单元容
注意：次仅微址灯显示010000时2位数码显示容相应址中机器指令容
② 联机读写微程序机器指令
联机软件装载功16进制格式文件（文件名C8JHE1）装入实验系统（详细操作见机软件README）微指令代码表3624位微代码左右分成三8位三8位二进制代码化相应十六进制数表36第行转化108105
⑹ 运行程序
① 单步运行程序
A 编程开关置运行状态运行方式开关置单步状态运行控制开关置运行状态
B 拨动总清开关(0→1)微址清零PC计数器清零程序首址00H
C 动启动运行开关单步运行条微指令微程序流程图观察微址显示灯否流程致
② 连续运行程序
A 编程开关置运行状态运行方式开关置连续状态运行控制开关置运行状态
B 拨动总清开关清微址PC计数器动启动运行开关系统连续运行程序果停止程序运行需运行控制开关置停止状态系统停机
C 停机检查数码显示数值存数单元0BH中结果否正确
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