1112L1008《计算机组成原理》实验指导书学生.docx
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1112L1008《计算机组成原理》实验指导书学生
计算机组成原理实验指导书
(北京交通大学海滨学院计算机科学系)
编写教师:
李济生刘音陈端君田春子
实验一、寄存器实验
一、实验目的
了解模型机中各种寄存器的结构、工作原理及其控制方法,掌握运算器中寄存器的数据传输方法和基本控制原理,为后续学习CPU中数据在各寄存器之间的传输做必要的知识储备。
二、实验要求
使用CP226实验平台,将要求的数据写入相关的寄存器,并能得到准确的实验结果。
三、实验内容
利用CP226实验平台上的K23-K16开关作为DBUS的数据,K7..K0中的某些开关作为控制信号(控制方式见六),将K23-K16上的数据写入累加器A、工作寄存器W、数据寄存器组R0、R1、R2、R3中。
其具体内容如下(本实验为脱机实验):
1.将二位学生学号的最后2位以BCD码的方式分别写入累加器A和工作寄存器W中,并将实验结果的局部贴图粘贴在实验报告上;
2.将二位学生学号的最后2位以BCD码的方式分别写入R0和R1、R2和R3工作寄存器中,并将实验结果的局部贴图粘贴在实验报告上。
说明:
假设某学生的学号是10112025,则最后两位是25,它的BCD码是25H,此时开关K23-K16提供的数据见表1-1所示。
表1-1:
学号后两位为25时,K23..K16的开关数据(开关拨到上方为1,拨到下方为0)
开关名称
K23
K22
K21
K20
K19
K18
K17
K16
开关信号值
0
0
1
0
0
1
0
1
四、模型机概况
CP226模型机中包括了一个标准CPU所具备所有部件,这些部件包括:
运算器ALU、累加器A、工作寄存器W、左移门L、直通门D、右移门R、寄存器组R0-R3、程序计数器PC、地址寄存器MAR、堆栈寄存器ST、中断向量寄存器IA、输入端口IN、输出端口寄存器OUT、程序存储器EM、指令寄存器IR、微程序计数器uPC、微程序存储器uM,以及中断控制电路、跳转控制电路。
其中运算器和中断控制电路以及跳转控制电路用CPLD实现,其它电路都是由离散的数字电路组成。
模型机为8位机,数据总线、地址总线都为8位,但其工作原理与16位机相同。
相比而言8位机的实验减少了烦琐的连线,但其原理却更容易被学生理解、吸收(模型机的结构见附件1)。
五、实验电路
1.实验平台中累加器A和工作寄存器W的电路图
图1-1累加器A的电路图
图1-2工作寄存器W的电路图
2.工作寄存器R0-R3的电路图
图1-3工作寄存器R0-R3的电路图
六、实验接线与控制信号设置
1.实验内容1
从图1-1和1-2可见,要使K23-K16上的数据写入到累加器A和工作寄存器W,必须要使DBUS数据线与开关K23-K16相连,使AEN和WEN分别为低电平,并在CK信号产生上升沿(74HC574是上升沿触发)。
由于CK内部已连接到STEP按键上,所以要用STEP按键提供写入累加器A和工作寄存器W的控制信号。
写入寄存器A和W的实验连线如表1-2所示。
表1-2:
将学号的最后2位写入累加器A和工作寄存器W的连线与电平设置表
连接
信号孔
接入孔
作用
状态说明
1
J1座
J3座
将K23-K16接入DBUS[7:
0]
实验模式:
手动
2
AEN
K3
选通A
低电平有效
3
WEN
K4
选通W
低电平有效
4
CK
已连
ALU工作脉冲
上升沿打入
表1-2-1:
写入累加器A的控制信号
K4(WEN)
K3(AEN)
1
0
表1-2-2:
写入工作寄存器W的控制信号
K4(WEN)
K3(AEN)
0
1
2.实验内容2
按着对实验内容1的分析方法,写入寄存器R0..R3的实验连线如表1-3所示。
表1-3:
将学号的最后4位写入工作寄存器R0..R3的连线与电平设置表
连接
信号孔
接入孔
作用
状态说明
1
J1座
J3座
将K23-K16接入DBUS[7:
0]
实验模式:
手动
2
RRD
K11
寄存器组读使能
高电平有效(不读)
3
RWR
K10
寄存器组写使能
低电平有效
4
SB
K1
寄存器选择B
5
SA
K0
寄存器选择A
6
CK
已连
寄存器工作脉冲
上升沿打入
表1-3-1写入工作寄存器R0..R3的控制信号
寄存器
K1(SB)
K0(SA)
写入寄存器R0
0
0
写入寄存器R1
0
1
写入寄存器R2
1
0
写入寄存器R3
1
1
六、实验步骤
请按下述步骤操作:
●关闭实验箱的电源,分别按实验连线表(表1-2或表1-3)连接线路;
●将K23-K16开关置零(全部拨到下方),然后打开实验箱的电源,按[RST]钮,再按[TV/ME]键三次(不要过快),即进入“Hand......”手动状态;
●按输入数据要求改变波动开关K23..K16位置(表1-1),形成不同学生学号的BCD码;
●分别按控制信号设置的要求(表1-2-1和表1-2-2或表1-3-1)改变控制值,然后按动STEP按键,此时数据被写入相应的寄存器中。
实验二、运算器实验
一、实验目的
了解模型机中运算器的结构、工作原理及其控制方法,掌握运算器的数据源、算法选择和数据运算的控制方法,以便掌握运算器的算术运算和逻辑运算的功能。
二、实验要求
使用CP226实验平台中的运算器完成加、减、与、或、非等运算,并得到准确的实验结果。
三、实验内容
利用CP226实验平台上的K23-K16开关作为DBUS的数据,K7..K0中的某些开关作为控制信号(控制方式见五),将数据写累加器A和工作寄存器W,并用S0、S1、S2信号控制ALU的运算算法,实现运算器的加、减、与、或、非等运算功能。
其具体内容如下(本实验为脱机实验):
将二位学生学号的最后2位以BCD码的方式分别写入累加器A和工作寄存器W中,实现A+W、A-W、A或W、A与W、A+W+C、A-W-C、~A等运算,并将运算结果(选择直通门D)填写在表2-1中。
表2-1实验结果表
K5(CyIN)
K2(S2)
K1(S1)
K0(S0)
结果(直通门D)
注释
X(任意)
0
0
0
加运算
X
0
0
1
减运算
X
0
1
0
或运算
X
0
1
1
与运算
0
1
0
0
带进位加运算
1
1
0
0
带进位加运算
0
1
0
1
带进位减运算
1
1
0
1
带进位减运算
X
1
1
0
取反运算
X
1
1
1
输出A
说明:
假设某个学生的学号是10128025,则最后两位是25,它的BCD码是25H,此时开关K23-K16提供的数据表2-2示。
开关名称
K23
K22
K21
K20
K19
K18
K17
K16
开关信号值
0
0
1
0
0
1
0
1
四、实验电路
CP226中的运算器由一片CPLD实现,能完成8种运算,通过S0,S1,S2来选择,运算数据由寄存器A和寄存器W提供,运算结果输出到直通门D,运算器的基本电路如图2-1所示。
图2-1运算器的电路图
五、实验接线与控制信号设置
实验连线要考虑下面两方面的内容:
1.要使K23-K16上的数据写入到累加器A和工作寄存器W,必须要使DBUS数据线与开关K23-K16相连,使AEN和WEN分别为低电平,并在CK信号产生上升沿。
由于CK内部已连接到STEP按键上,所以用STEP按键提供写入累加器A和工作寄存器W的控制信号。
2.要控制运算器完成指定的运算,就必须选择运算算法,运算器的算法控制由信号S0、S1、S2产生,若再考虑到进位信号等,运算器的实验连线如表2-3所示。
表2-3:
运算器实验的连线与电平设置表
连接
信号孔
接入孔
作用
状态说明
1
J1座
J3
将K23-K16接入DBUS[7:
0]
实验模式:
手动
2
S0
K0
运算器功能选择
3
S1
K1
运算器功能选择
4
S2
K2
运算器功能选择
5
AEN
K3
选通A
低电平有效
6
WEN
K4
选通W
低电平有效
7
CyIN
K5
运算器进位输入
8
CK
已连
ALU工作脉冲
上升沿打入
表2-4:
运算方法选择的控制信号
S2S1S0
功能
000
A+W加
001
A-W减
010
A|W或
011
A&W与
100
A+W+C带进位加
101
A-W-C带进位减
110
~AA取反
111
A输出A
六、实验步骤
请按下述步骤操作:
1.关闭实验箱的电源,按实验连线表(表2-3)连接线路;
2.将K23-K16开关置零(全部拨到下方),然后打开实验箱的电源,按[RST]钮,再按[TV/ME]键三次(不要过快),即进入“Hand......”手动状态;
3.按输入数据要求改变波动开关K23..K16位置(表2-2),形成不同学生学号的BCD码;
4.按运算方法选择的控制信号的要求(表2-4)改变控制值,然后按动STEP按键,此时就得到了某种运算的结果;
5.重复4的过程,直到表2-1的运算结果全部得到为止。
实验三、运算器输出的移位门控制实验
一、实验目的
了解模型机中运算器的结构、工作原理及其控制方法,掌握运算器中算术运算和逻辑运算的数据源、算法和输出控制的选择,以便掌握运算器运算结果的传送方法。
二、实验要求
使用CP226实验平台,利用运算器数据选通功能,将运算器的输出数据做直通、左移和右移操作,或将累加器A的内容传送到工作寄存器W中,并能得到准确的实验结果。
三、实验内容
利用CP226实验平台上的K23-K16开关作为DBUS的数据,K7..K0中的某些开关作为控制信号,首先将数据写入累加器A中,然后利用运算器的选通功能(S0=1、S1=1、S2=1)直接输出,观测累加器A直通、左移和右移的输出结果;再将累加器A的内容传送到工作寄存器W中。
其具体内容如下(本实验为脱机实验):
1.将两位学生学号的最后2位以BCD码的方式写入累加器A中,经过运算器的直通或移位操作后,将实验结果填写在表3-1和表3-2中。
表3-1第一位学生学号的实验结果表
CN
Cy_IN
L(左移后的结果)
D(直通后的结果)
R(右移后的结果)
0
X(任意)
1
0
1
1
表3-2第二位学生学号的实验结果表
CN
Cy_IN
L(左移后的结果)
D(直通后的结果)
R(右移后的结果)
0
X(任意)
1
0
1
1
注:
CN控制信号表示移位是否带进位,当CN=1时,表示移位要带进位;CN=0时,表示移位不带进位。
2.将累加器A的内容经运算器传送到工作寄存器W中,提示如下:
●在X2=X1=X0=1(运算器没有输出)和S2=S1=S0=1(运算器选择累加器A直通)的情况下初始化实验平台;
●将K23..K16的数据输入到累加器A中(选择AEN=0,WEN=1后,按STEP键);
●X2=1、X1=X0=0(运算器选择直通门输出)和S2=S1=S0=1(运算器选择累加器A直通),且AEN=1、WEN=0,压STEP键。
四、实验电路
CP226中的运算器由一片CPLD实现,共有8种运算,通过S0,S1,S2来选择,运算数据由寄存器A和寄存器W提供,运算结果输出可以是直通、左移或右移。
当S0=1、S1=1、S2=1时,累加器A的内容直接从运算器输出。
运算器的基本电路如图3-1所示。
图3-1运算器的电路图
图3-2运算器数据输出选择电路图
五、实验接线与控制信号设置
请同学们结合前面的实验来考虑本实验的连线,并结合表3-4运算方法选择控制信号完成本实验的连线。
表3-4:
运算方法选择的控制信号
X2X1X0
输出寄存存器
000
IN_OE外部输入门
001
IA_OE中断向量
010
ST_OE堆栈寄存器
011
PC_OEPC寄存器
100
D_OE直通门
101
R_OE右移门
110
L_OE左移门
111
没有输出
六、实验步骤
请同学按下述步骤操作:
1.关闭实验箱的电源,连线实验连接线路;
2.将K23-K16开关置零(全部拨到下方),然后打开实验箱的电源,按[RST]钮,再按[TV/ME]键三次(不要过快),即进入“Hand......”手动状态;
3.按输入数据要求改变波动开关K23..K16位置,形成不同的学号BCD码;
4.设定控制信号,按动STEP按键,此时A的内容就通过运算器做移位或直通操作;
5.按着设定的控制方式完成累加器A的内容传送到工作寄存器W中。
实验四、存储器EM读写实验
一、实验目的
了解模型机中存储器的结构、工作原理及其控制方法,掌握存储器的写地址、写数据和读数据的过程及信号控制方法。
二、实验要求
使用CP226实验平台,完成向存储器的地址寄存器MAR写地址、向存储器单元写数据和从存储器单元中读数据,并能得到准确的实验结果。
三、实验内容
利用CP226实验平台上的K23-K16开关作为DBUS的数据(存储器的地址和写入的数据都要通过K23..K16传送到存储器里),K7..K0中的某些开关作为控制信号(控制方式见五),以完成模拟机中存储器的读写操作过程。
其具体内容如下(本实验为脱机实验):
1.将二位学生学号的最后2位以BCD码的方式写入存储地址为1开始的连续2个单元中;
2.读取从存储地址为1开始的连续2个单元中的数据,并将实验结果的局部贴图粘贴在实验报告上。
说明1:
将学号25写入存储单元的0地址需要的操作如下:
(1)将地址1写入地址寄存器MAR中
●二进制开关K23-K16用于MAR的地址输入,置为01H;
开关名称
K23
K22
K21
K20
K19
K18
K17
K16
开关信号值
0
0
0
0
0
0
0
1
●设置控制信号,MAREN=0,其它为1;
开关名称
K6
(IREN)
K5
(PCOE)
K4
(MAROE)
K3
(MAREN)
K2
(EMEN)
K1
(EMRD)
K0
(EMWR)
开关信号值
1
1
1
0
1
1
1
●按动STEP键,则K23..K16输入的地址就写入到MAR寄存器中。
(2)将学号25以BCD码的方式写入存储器的1地址单元中EM[1]
●二进制开关K23-K16用于学号的输入,置为25H;
开关名称
K23
K22
K21
K20
K19
K18
K17
K16
开关信号值
0
0
1
0
0
1
0
1
●设置控制信号,MAROE=0、EMEN=0、EMWR=0,其它为1;
开关名称
K6
(IREN)
K5
(PCOE)
K4
(MAROE)
K3
(MAREN)
K2
(EMEN)
K1
(EMRD)
K0
(EMWR)
开关信号值
1
1
0
1
0
1
0
●按动STEP键,则有K23..K16输入的学号25H就写入到EM[1]中。
说明2:
从存储单元的1地址读取存储的学号,需要的操作如下:
●将地址1写入MAR寄存器中(同前);
●从存储器的1地址单元中读取数据,需要改变的控制命令是:
MAROE=0、EMRD=0,其它均为1,即。
开关名称
K6
(IREN)
K5
(PCOE)
K4
(MAROE)
K3
(MAREN)
K2
(EMEN)
K1
(EMRD)
K0
(EMWR)
开关信号值
1
1
0
1
1
0
1
●此时存储单元1地址的内容EM[1]被读出。
四、实验电路
模型机CP226的存储器EM是由一片6116RAM构成(见图4-1所示),是用户存放程序和数据的地方。
存储器EM通过一片74HC245与数据总线相连,存储器EM的地址可选择由PC或MAR提供(本实验中选用MAR)。
存储器EM的数据输出直接接到指令总线IBUS,指令总线IBUS的数据还可以来自另一片74HC245。
当ICOE为0时,这片74HC245输出中断指令B8H。
图4-1EM的电路图
五、实验接线与控制信号设置
存储器读写实验的连线见表4-1所示。
表4-1:
存储器读写实验的连线与电平设置表
连接
信号孔
接入孔
作用
状态说明
1
J2座
J3座
将K23-K16接入DBUS[7:
0]
实验模式:
手动
2
IREN
K6
IR,uPC写允许
低电平有效
3
PCOE
K5
PC输出地址
低电平有效
4
MAROE
K4
MAR输出地址
低电平有效
5
MAREN
K3
MAR写允许
低电平有效
6
EMEN
K2
存储器与数据总线相连
低电平有效
7
EMRD
K1
存储器读允许
低电平有效
8
EMWR
K0
存储器写允许
低电平有效
9
CK
已连
PC工作脉冲
上升沿打入
10
CK
已连
MAR工作脉冲
上升沿打入
11
CK
已连
存储器写脉冲
上升沿打入
12
CK
已连
IR,uPC工作脉冲
上升沿打入
六、实验步骤
请同学按下述步骤操作:
1.关闭实验箱的电源,按实验连线表(表4-1)连接线路;
2.将K23-K16开关置零(全部拨到下方),然后打开实验箱的电源,按[RST]钮,再按[TV/ME]键三次(不要过快),即进入“Hand......”手动状态;
3.按“说明1”中描述的过程写入第1个学号;
4.按“说明1”中描述的过程写入第2个学号;
5.按“说明2”中描述的过程读出第1个学号;
6.按“说明2”中描述的过程读出第2个学号。
实验五、指令系统实验
一、实验目的
理解模型机指令系统,包括指令类型、寻址方式等,掌握模型机指令集中相关指令的含义,为学习CPU的指令控制奠定基础。
二、实验要求
使用CP226实验平台,完成一段程序的执行,理解不同寻址方式指令和不同指令类型指令的执行过程,并得到准确的实验结果。
三、实验内容
模型机指令系统包括五种寻址方式,分别是立即数寻址、累加器寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址和存储器间接寻址。
本实验针对不同指令类型的寻址方式和类型得到程序中各条指令的执行结果(模型机的指令集见附件2),其内容如下(联机实验):
将一位学生学号的最后2位以BCD码放到累加器A中,另一位的学生学号的最后2位以BCD码放到存储器的01H地址单元中,请将两个学号相减,通过R1寄存器的内容提示两个学号之间的大小关系。
上述描述的内容可以用下面的程序实现(假设第1个学号后两位的BCD码是25H,第二个是08H)。
注意:
学号已经通过代码传送到A或存储器,不必再设定K23..K16后通过按动STEP键传送。
程序如下:
MOVA,#08H;将第二个学号存入累加器A中
MOV01H,A;将第二个学号转存到存储器的1地址单元中
MOVA,#25H;将第一个学号存入累加器A中
MOVR0,#01H;R0指向存储单元的1地址
SUBA,@R0;第一个学号和第二个学号相减
JCL1;如果第一个学号小于第二个学号,则转移到L1
MOVR1,#0FFH;第一个学号大于第二个学号,则完成(R1)=0FFH
JMPL2
L1:
MOVR1,#01H;第一个学号小于第二个学号,则完成(R1)=01H
L2:
NOP;无操作,空指令
END
请执行上述代码,并完成表5-1的内容:
表5-1:
指令执行序列的结果
指令
指令类型
指令的机器码
目的操作数的寻址方式
源操作数的寻址方式
累加器A中的内容
R0中的内容
R1中的内容
PC中的内容
MOVA,#08H
MOV01H,A
MOVA,#25H
MOVR0,#01H
SUBA,@R0
JCL1
MOVR1,#0FFH
JMPL2
MOVR1,#01H
选做:
将两个操作数颠倒,即完成第2个学号减去第1个学号,并填充上述表格。
四、实验接线与控制信号设置
在指令系统实验中,模型机作为一个整体来工作的,所有的控制信号由CPU产生,而不是由开关输出。
做该实验之前,只要用8芯电缆连接J1和J2即可,此时系统处于联机状态(在这种状态下,实验仪的监控系统会自动打开uM的输出允许,微程序的各控制信号就会接到各寄存器、运算器的控制端口,系统自动默认装入缺省指令系统/非流水微指令系统文件:
insfile1.mic)。
硬件连接和设置方式如下:
1.拔掉实验仪上所有的手工连接的接线;
2.用8芯电缆连接J1和J2;
3.将控制方式开关KC拨到“微程序”方向。
五、实验步骤
请按下述步骤操作:
1.关闭实验箱的电源,拔掉实验仪上所有的手工连接的接线,用8芯电缆连接J1和J2,将控制方式开关KC拨到“微程序控制”方向;
2.将实验箱的电源打开,启动实验系统软件,用快捷图标的“连接通信口”功能打开设置窗口,选择实验仪连接的串行口(选择串口1),然后再点击“OK”按钮,此时微机就连接通到实验平台;
3.在CP226的源程序窗口中输入代码、修改程序、汇编成机器码,并将程序的机器码下载到实验平台内;
4.选择单步执行代码,并将执行的结果填写在表5-1中;
5.执行到最后一条NOP指令后,观察R1寄存器的值;
6.可以尝试将两个学号颠倒,执行完程序后,观察R1寄存器的值。
实验六、微程序设计实验
一、实验目的
了解模型机中微程序控制器的结构、工作原理和控制方法,掌握微程序和微指令的概念,掌握微指令周期和T周期的概念。
二、实验要求
使用CP226实验平台,完成若干条指令的执行,理解微命
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