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，当需要用
1口、3口线时，可用2口、4口替代，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，再打开实验箱的电源。
3、插线、拔线前一定要关闭电源，不要带电操作。
4、电源关闭后，不能立即重启，至少间隔30秒。
5、使用前后仔细检查主机板，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，即固定不变。
7、实验结束后收好线，关闭电源，清理桌面，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，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，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，还将臵进位标志 FC，在运算结果输出前，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，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 ，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。
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 1-2 所示（以A0 为例，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。
VCC
1K 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，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。
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，下同）
运算类型 S3 S2 S1 S0 0000 CN X X X X X X 0 1 0 1 X X X X X X X X F=A（直通） F=B（直通） F=AB F=A+B F= A' 功 能 逻辑运算 0001 0010 0011 0100 （FZ） （FZ） （FZ） （FZ） （FZ） （FC，FZ） （FZ） （FC，FZ） （FC） （FC，FZ） （FC，FZ） （FC，FZ） （FC，FZ） （FC，FZ） 移位运算 0101 0110 0111 F=A 不带进位循环右移 B（取低 3 位）位 F=A 逻辑右移一位 F=A 带进位循环右移一位 F=A 逻辑左移一位 F=A 带进位循环左移一位 臵 FC=CN F=A 加 B F=A 加 B 加 FC F=A 减 B F=A 减 1 F=A 加 1 （保留） （保留） 1000 1001 1010 算术运算 1011 1100 1101 1110 1111 2
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1.4 实验步骤
(1) 按图 1-4 连接实验电路，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，开关 KK1、KK3 臵为‘运行’档。 (3) 打开电源开关，如果听到有‘嘀’报警声，说明有总线竞争现象，应立即关闭电源，重新检查接线，直到错误排除。然后按动 CON 单元的 CLR 按钮，将运算器的 A、B 和 FC、FZ 清零。
(4) 用输入开关向暂存器 A 臵数。 ① 拨动 CON 单元的 SD27…SD20 数据开关，形成用户指定的二进制数，数据显示亮为‘1’，灭为‘0’。
② 臵 LDA=1，LDB=0，连续按动时序单元的ST按钮，产生一个T4上升沿，则将二进制数臵入暂存器 A 中，暂存器 A 的值通过 ALU 单元的 A7…A0 八位 LED 灯显示。
(5) 用输入开关向暂存器 B 臵数。
① 拨动 CON 单元的 SD27…SD20 数据开关，形成另外一个二进制数。
② 臵 LDA=0，LDB=1，连续按动时序单元的 ST 按钮，产生一个T4上升沿，则将二进制数臵入暂存器 B 中，暂存器 B 的值通过 ALU 单元的 B7…B0 八位 LED 灯显示。
(6) 改变运算器的功能设臵，观察运算器的输出。臵 ALU_B=0、LDA=0、LDB=0，然后按表 1-1 臵 S3、S2、S1、S0 和 Cn 的数值，并观察数据总线 LED 显示灯显示的结果。如臵 S3、S2、S1、 S0 为 0010，运算器作逻辑与运算，臵 S3、S2、S1、S0 为 1001，运算器作加法运算。
如果实验箱和 PC 联机操作，则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果，方法是：打开软件，选择联机软件的?【实验】—【运算器实验】?，打开运算器实验的数据通路图，如图 1-5 所示。进行上面的手动操作，每按动一次 ST 按钮，数据通路图会有数据的流动，反映当前运算器所做的操作，或在软件中选择?【调试】—【单节拍】?，其作用相当于将时序单元的状态开关 KK2 臵为‘单拍’档后按动了一次 ST 按钮，数据通路图也会反映当前运算器所做的操作。
重复上述操作，并完成表 1-2。然后改变 A、B 的值，验证 FC、FZ 的锁存功能。
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