计算机组成原理各部件实验

（ 2011 —2012 学年 第 二 学期 ）

课程名称：计算机组成原理 （含数字逻辑）

开课实验室：呈贡校区信自楼504 2012 年 4月 12 日 年级、专业、101计科 学号 姓名 成绩 班 实验项目名 称 教 师 评 语 计算机组成原理各部件实验 指导教师 欧阳鑫

目 录

实验一：输入输出实验…………………………………………………….. 2 页 实验二：运算器数据通路实验…………………….………………………. 4 页 实验三：存储器实验……………………………………………………… ..9 页 实验四：总线传输实验…………………….….……………………………13页

实验一：输入输出实验

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一、实验目的 1.了解数据输出输入

2.理解数码显示译码器的作用 3.掌握七段数码显示译码器的设计 4了解可编程外围接口芯片8255 5.学会使用8255芯片

二、实验原理及基本技术路线图（方框原理图）

三、所用仪器、材料（设备名称、型号、规格等） TDN-CM+或TDN-CM++教学实验系统一台。 四、实验方法、步骤

（1）按实验原理电路图连接好电路，确认无误后打开电源。

（2）打开数据开关三态门（SW-B=0），在输入部分单元中输入对应的二进制数据，打开LED片选（LED-B=0），拨动LED的W/R控制信号做1→0→1动作，产

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生一个上升沿将总线上的数据打入到LED中，这时在output device单元中数码管上显示的数据即为相应的十六进制形式。

五、实验过程原始记录(数据、图表、计算等)

在输入单元输入二进制数据11110111，然后打开数据开关三态门（SW-B=0），打开LED片选（LED-B=0），拨动LED的W/R控制信号做1→0→1动作，产生一个上升沿，这时数码管上会显示对应的十进制数，即F7。 六、实验结果、分析和结论

这个实验我们使用了两种方式感受8255这款芯片的输入输出效果，通过这个实验，我对工作方式选择控制字的有了进一步的了解，知道怎么选择控制字，也知道了他们之间的通讯过程了。本次试验用我还遇到一些问题如果开始我不会根据图里面连线但是通过问老师以后，我就会跟着图片连线。本次试验让我了解输入/输出设备挂在总线上，能提高信息的交换量及CPU的运行速度，输入设备发出指令，得到总线使用权，输出设备发出读的请求，控制总线发出控制信号，将控制权交给输出设备，这样输出设备就能读取到总线上的数据，数码显示管就能显示输入的数据。

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实验二： 运算器数据通路实验

一、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。 （3）学习运算器的设计方法。 （4）掌握简单运算器的数据传输通路。

（5）验证运算功能发生器74LS181的组合功能。 二、实验原理及基本技术路线图（方框原理图）

实验中所用到的运算器数据通路图如图，图中所示的是由两片74LS181新片以并串形式构成的8位字长的运算器。右方为低四位运算芯片，左方为高4位运算芯片。低位芯片的进位输出端C（n+4)与高位芯片的进位输入端Cn相连，高位芯片的进位输出引至外部。两个芯片的控制端SO—S3和M各自相连。

为进行双操作数运算，运算器的两个数据输入端分别由两个数据暂存器DR1，DR2来所存数据。要将内总线上的数据所存到DR1或DR2中，则锁存器74LS273的控制端LDDR1或LDDR2需为高电平。当T4脉冲到来时，总线上的数据就被锁存进DR1或DR2中了。

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为控制运算器向内总线上输出运算结果，在其输出端连接了一个三态门。若要将运算结果输出到总线上，则要将三态门74LS245的控制端ALU—B置低电平。否则输出高阻态。

数据输入单元用以给出参与运算的数据，其中，输入开关经过一个三态门和内总线相连，该三态门的控制信号SW-B取低电平时，开关上的数据就通过三态门而送入总线上。

总线数据显示灯与美总线相连，用来显示内总线上的数据。控制信号中除T4为脉冲信号外，其他均为电平信号。

由于实验电路中的时序信号均已连至W/R NUIT单元中的相对应时序信号引出端，因此，需要将单元中的T4接至START NUIT 单元中的微动开关KK2的输出端。在进行实验时，按动微动开关，即可获得实验所需的单脉冲。

对于单总线数据通路，做实验时就要分时控制总线，即当向DR1、DR2工作暂存器打入数据时，数据开关三态门打开，这时应保证运算器输出三态门关闭，同样，当运算器输出结果至总线时也应保证数据输入三态门是关闭状态。

三、所用仪器、材料（设备名称、型号、规格等） TDN-CM+或TDN-CM++教学实验系统一套

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四、实验方法、步骤

（1）按图所示连接实验电路并检查无误。

（2）打开电源开关。

（3）用输入开关项暂存器DR1置数。

1）拨动输入开关形成二进制数01100101。（数据显示：灯亮为0，灭为1） 2）使SWITCH NUIT 单元中的开关SW-B=0、ALU-B=1、LDDR1=1、LDDR2=0。 3）按动微动开关KK2，则将二进制数01100101置入DR1中。 （4）用输入开关向暂存器DR2置数。 1）拨动数输入开关形成二进制数10100111

2）SW-B=0、ALU-B=1保持不变，改变LDDR1、LDDR2、使LDDR1=0、LDDR2=1。 3）拨动微动开关KK2，则将二进制数10100111置入DR2中。 （5）检验DR1和DR2中的数是否正确。

1）关闭数据输入三态门，打开ALU 输出三态门，并使LDDR1=0、LDDR2=0，关闭寄存器。

2）置S3、S2、S1、S0、M为1、1、1、1、1，总线显示灯显示DR1 中的数。

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3）置S3、S2、S1、S0、M 为1、0、1、0、1，总线显示灯显示DR2中的数。 （6）改变运算器的功能设置，观察运算器的输出。 1）SW-B=1、ALU-B=0保持不变。

2）按表置S3、S2、S1、S0、M、CN的数，并观察总线显示灯显示的结果。 例如：

置S3、S2、S1、S0、M、CN为1、0、0、1、0、1，运算器进行加法运算。

置S3、S2、S1、S0、M、CN为0、1、1、0、0、0，运算器进行减法运算。

（7）验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能。 五、实验过程原始记录(数据、图表、计算等)

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六、实验结果、分析和结论

初次接触计算机组成原理实验，在接入线路的时候速度比较慢，对着计算机组成原理实验书都能够根据其中的电路图连线成功，实验结果也都一一得到了验证，但并不理解实验的原理和为什么会得出这样的结果。在以后的计算机组成原理实验学习过程当中我还要不断的查阅更多的相关资料，并向理解这门课程的同学请教。通过本次实验，我发现了自身在计算机组成原理实验方面还有很多的不足之处，需要学习更多的有关知识来更好的充实自己。

在本次实验中，为了确保输入数据不会是丢，在每一次置数完成后，都需要关闭控制端LDD1,LDDR2;输入三态门控制端SW-B和输出三态门控制端ALU-B不能同时为“0”状态，否则存在寄存器中的数据无法准确输出。在置数过程中，一定要确保输入三态门SW-B和输出三态门控制端ALU-B保持在指定状态，否则会出差。

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实验三： 存储器实验

一、 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。 二、实验原理及基本技术路线图（方框原理图） （1）TND-CM+或TND-CM++教学实验系统一台。 （2）PC机（或示波器）一台。

三、所用仪器、材料（设备名称、型号、规格等）

实验所用的半导体静态存储电路原理如图3.6-1所示，实验中的静态存储器由一片6116（2k×8）芯片构成，其数据线接之数据总线，地址线由地质锁存器（74LS273）给出。地址灯AD0~AD7与地址线相接，显示地址线状况。数据开关经一个三态门（74LS273）连至数据总线，分时给出地址和数据。

因为地址寄存器为8位，所以接入6116芯片的地址为A7~A0，而高3位A8~A10接地，所以其实际容量只有256字节。6116芯片有三个控制线：CE(片选线)、OE(读线)、WE(写线)。当片选有效（CE=0）、OE=0时进行读写操作，WE=0时进行写操作，CE=0、WE=1时进行写操作，其写时间与T3脉冲的宽度一致。

实验时将T3脉冲接至实验板上时序电路模块的TS3相应插孔中，其脉冲宽度可调，其他电平控制信号由“SWITCH UNIT”单元的二进制开关模拟，其中SW-B为低电平有效，LDAR为高电平有效。

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四、实验方法、步骤

（1）形成时钟脉冲信号T3。具体接线方法和操作步骤如下：

接通电源，用示波器接到方波信号源的输出插孔H23调节电位器W1及W2，使H23端输出实验所期望的频率和占空比的方波。

将时序电路模块（STATE UNIT）单元中的和信号单元（SIGNAL UNIT）中的H23排针相连。

在时序电路模块中有两个二进制开关“STOP”和“STEP”,将“STOP”开关置为“RUN”状态，“STEP”开关置为“EXEC”状态时，按动微开关START,则TS3端输出连续的方波信号，此时调节电位器W1，用示波器观察，使T3输出实验要求的脉冲信号。当“STOP”开关置为“RUN”状态时，每按动一次微开关START,则T3输出一个单脉冲，其脉冲宽度与连续方式相同。用PC联机软件中的示波器功能也能看到波形。这样可以代替真实示波器。

（2）按图3.6-2连接实验线路，仔细查线无误后接通电源。

（3）写存储器。给存储器的00、01、02、03、04地址单元中分别写入数据11H、12H、13H、14H、15H。

由上面的存储实验原理图（图3.6-2）看出，由于数据和地址全由一个数据开关给出，因此要分时的给出。下面的写存储器要分两个步骤：第一步写入地址，

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先关掉存储器的片选（CE=1）,打开地址锁存器门控信号（LDAR=0）,打开数据开关三态门（SW-B=0）,由开关给出要写入的存储单元地址，按动START产生T3脉冲将地址打入到地址锁存器；第二步写数据，关掉地址锁存器门控信号（LDAR=0）,打开存储器片选，使之处于写状态（CE=0,WE=1）,由开关给出此单元要写入的数据，按动START产生T3脉冲将数据写入到当前的地址单元中，写其他单元依次循环上述步骤。

写存储器流程如图3.6-3所示（以向00号单元写入11H为例）。

（4）读存储器。

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，读每个单元也需要两步：第一步写地址，先关掉存储器的片选（CE=1）,打开地址锁存器门控制信号（LDAR=1）,打开数据开关三态门（SW-B=0）,由开关给出要写存储单元的地址，按动START产生T3脉冲将地址打入到地址锁存器；第二步读存储器，关掉地址锁存器门控信号（LDAR=0）,关掉数据开关三态门（SW-B=1）,片选存储器，使它处于读状态（CE=0、WE=0）,此时数据总线上显示的数据即为从存储器当前地址中读出的数据内容。读其他单元依次循环上述步骤。

读存储器操作流程如下图3.6-4所示（以从00号单元读出11H数据为例）。

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五、实验过程原始记录(数据、图表、计算等)

写入第一个地址时，在输入单元给出二进制地址00000000，打开地址锁存器，便可把地址打入地址锁存器，地址灯显示为00000000，然后输入该单元存入的数据00010001（11H），总线数据显示灯应显示为00010001，打开存储器片选，使之处于写操作，这样11H便存入00号单元，依此类推，可将12H、13H、14H、15H分别存入01、02、03、04地址单元，地址灯和总线数据显示灯都分别显示出结果。读存储器时，当用开关给出存储单元地址时，地址灯会显示，这时，打开存储器片选，使之处于读状态，此时数据总线上显示的数据即为从存储器当前地址中读出的数据内容。

六、实验结果、分析和结论

在本次实验操作之前，通过课堂老师的讲授，我基本了解静态随机存储器的基本原理，再上机内容的实验原理，我能大致了解本实验的操作流程。 在预习的过程中，我对脉冲号的作用不明确。只是知道，脉冲信号是一种离散信号，形状多种多样，与普通模拟信号相比，波形之间在时间轴不连续但具有一定的周期性是他的特点。但对于其的作用与本次试验的连续不是的明确的。 后经老师和同学的点题，对脉冲有了认识。并与书本上的信号与读信号相结合，本次试验写信号为CE=0，WE=1；其读信号为CE=0，WE=0. 在做实验操作时，同样要像与操作一样，先写地址（因为先找到地址在找到其内存放数据）。

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实验四：总线传输实验

一、 实验目的

（1）理解总线的概念及其特性 （2）掌握总线传输控制特性

二、实验原理及基本技术路线图（方框原理图）

总线传输框如图5.4-1所示，他将几种不同的设备挂至总线上，有存储器、输入设备、输出设备、寄存器。这些设备都需要三态输出控制，按照传输要求恰当有序的控制它们，就可实现总线信息传输。

基本实验要求如下：

根据挂起在总线上的几个基本条件，设计一个简单的流程； 1） 2） 3） 4）

输入设备将一个数打入R0寄存器。 输入设备将另一个数打入地址寄存器。

将R0寄存器中的数写入带当前的地址的寄存器中。 将当前地址的寄存器中的数用LE数码管显示。

三、所用仪器、材料（设备名称、型号、规格等） TDN-CM+或TDN-CM++教学实验系统一台

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四、实验方法、步骤

1) 按照图5.4-2试验接线图进行连线。

（2）实验的具体操作步骤图如图5.4-3所示。

首先应关闭所有三态门（SW-B=1，R0-B=1，LED-B=1）,并将关联的信号置为LDAR=0，LDR0=0，W/R(LED)=1，W/R(LED)=1.然后参照如下操作流程，先将数据开关打入到R0中；然后继续给开关置数，拨动LDR0控制信号做0→1→0动作，产生一个上升沿将数据打入到R0中；然后继续给数据开关置数，拨动LDAR控制信号做0→1→0动作产生一个上升沿将数据打入到AR中；关闭数据开关三态门，打开R0寄存器输出控制，使寄存器输出，使寄存器处于写状态（W/R=0，CS=0），

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将R0中的数写到存储器中；关闭存储器片选，关闭R0寄存器输出，使存储器处于读状态（W/R=1，CS=0），打开LED片选，拨动LED的W/R控制信号1→0→1动作，产生一个上升沿将数据打入到LED中。

五、实验过程原始记录(数据、图表、计算等)

打开输出三态门，在输入单元由开关给出要保存的数据00110111（37H），拨动控制信号LDR0，可将数据打入到寄存器R0中，继续给数据开关置数，这时给出地址00000010（02H），拨动LDAR控制信号，变将数据打入了地址寄存器AR中，之后打开R0的输出开关，将寄存器中的数据写入到02单元的存储器中，使存储器处于读状态，已读出该存储器中的数据，打开LED片选，拨动W/R信号，这时数码显示管上会显示出37，即输入到存储器02单元保持的数据，

六、实验结果、分析和结论 本次实验所要的内容不是很多，学得相比之前的实验来说，还较为容易理解。 在实验之前，老师给我们讲解了总线基本实验流程，这让我们在实验的过程能够了解实验的总体思想；也让我们更好的完成实验任务。

实验所用的个部件都挂接在总线上，但，同一时刻只能有一个部件占用总线发送信息，却可以有多个部件通过总线接收信息。

传输数据信息，是双向三态；传输地址信息，是单向三态；采用时钟周期作为同步定时信号，收，发双严格地接统一的基准时钟信号执行相应的动作；总先控制逻辑分布在连接总线的个部件或设备中。

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