目 录
第1篇 概 述 ............................................................................................................................... ２ 第2篇 实验项目 ............................................................................................................................. 4
实验1 运算器算术逻辑运算 ................................................................................................ 4 实验2 运算器进位控制实验 ................................................................................................ 7 实验3 运算器移位控制实验 ................................................................................................ 8 实验4 存储器读/写实验 ....................................................................................................... 10 实验5 总线数据传送控制实验 ............................................................................................ 12 实验六 控制器实验一（微码装入与执行） ...................................................................... 14 实验7 控制器实验二（简单模型机设计与实现） ........................................................... 18 实验8 带移位功能的模型机设计与实现........................................................................... 24 实验9 具有中断功能的模型机设计与实现 ....................................................................... 29 实验10 复杂模型机的设计与实现..................................................................................... 35 第3篇 附 录 ............................................................................................................................. 45
附录1 指 令 系 统 ............................................................................................................ 45 附录2 系统硬件构成 .......................................................................................................... 52 附录3 上位机软件操作 ...................................................................................................... 78 附录4 芯片资料 .................................................................................................................. 88
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第1篇 概 述 1 系统的功能特点
该实验系统主要是为配合《计算机组成原理》、《计算机组成与系统结构》课程的教学而研制的，具有如下特点：
? 实验仪硬件主要由微过程控制器、存储器、运算器、寄存器、中断向量、地址、指令译码、
输入输出及总线各单元电路组成；实验时只需将各单元之间有关的信号线进行连接即可；具有接线错误诊断功能。
? 实验仪具有8位指令系统，24位微指令格式，提供了Windows软件支持，通过采集实验仪
各单元的控制信号和数据，使上位机（PC机）实时监测实验仪的指令运行过程、数据流向、信号状态和时序波形等，并可在界面上设置、修改、下装指令码和微指令码，从而对下位机（实验仪）的工作进行单步、连续及快慢执行的控制。还可以在仿真方式下，实现实验仪的操作过程和实验结果状态分析。
? 实验指导书提供了循序渐进的实验项目。首先是在脱机方式下用手动开关给出控制信号，
控制运算器、寄存器、存储器、输入/输出各单元的运行，通过观察数据灯、地址灯和状态灯了解运行情况，使学生分别理解各单元的工作原理。然后在联机方式下，由少至多地进行指令类型设置，最终掌握整机部件的工作原理。
? 实验仪具有中断响应、中断允许、中断禁止和中断向量的读入等中断处理控制功能。 ? 实验仪可选择配置CPLD芯片，应用EDA设计环境对硬件电路单元进行设计编程，下载到CPLD
芯片，通过连接线来取代实验仪上的某个单元电路，这样可以培养学生的硬件设计能力。
2 技术指标
? 机器字长为8位。即运算器、存储器、寄存器和数据总线均为8位，地址总线也是8位。 ? 指令条数为28条。指令字长8位，其中基本操作码4位，即当寄存器地址为两个时，这些
指令操作码为4位，源寄存器地址2位，目标寄存器地址2位，而当寄存器地址为单个时，可实现指令操作码的扩展，这些指令操作码为6位，寄存器地址2位。指令寻址方式有直接寻址、间接寻址、变址寻址、相对寻址。指令类型有传送指令、算术逻辑运算指令、条件转移和无条件转移指令、输入/输出指令、调用子程序指令、返回指令、停机指令。还可以根据硬件组成自己设计各种指令。
? 采用6116RAM芯片作为指令主存。使用低8位地址寻址，256个字节单元存放用户程序和数
据，可在RAM中设置堆栈区，由堆栈指针SP指向。
? 由二片74LS181芯片串联形成8位算术和逻辑运算器，再由74LS299组成移位运算器，并
由GAL芯片组成进位控制和判零电路。由4片74LS374组成4个8位的通用寄存器，其中
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R3可做为堆栈指针SP，R2可做为变址寄存器SI。
? 微控制存储器由3片2816EEPROM组成，容量为128?24位，可存放128条指令。控存中的
微指令可根据指令的功能及微指令的格式自行设计。
? 指令的输入可通过下位机上的手动单元拨动输入，也可在上位机的软件界面内输入或修改
并下装到实验仪上。
? 实验仪上的时钟产生电路产生300HZ左右的时钟信号及T1、T2、T3、T4时钟周期，以提供
整个实验仪电路的时序所需。在执行指令和微指令期间，上位机界面可实时显示整机所有的控制信号时序状态。
? 实验仪上提供了指令地址灯（8位）、控制信号开关及灯18个、数据总线灯（8位）、微地
址灯（7位）、微指令灯（24位）。
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第2篇 实验项目
实验1 运算器算术逻辑运算
1.实验目的
（1）掌握运算器的简单数据传送通路；
（2）验证运算器功能发生器（74LS181）的运算功能。
2.实验设备
YY-Z02计算机组成原理教学实验系统一台,排线若干。
3.实验原理
运算器数据通路如图1-1所示。其中运算器单元（ALU UNIT）的两个暂存器DA1和DA2的数据输入端已由暗线连接至总线（BUS UNIT）的D7～D0，两片74LS181的输出通过三态缓冲器74LS245，由排针短路器引出到总线，数据开关输入设备（INPUT DEVICE）经排线短路器接至总线，以拨入或输出数据D7～D0。其它相关的各种控制信号可直接从手动单元（MANUAL UNIT）控制。实验时，进行运算的两个数据从总线上分别打入暂存器DA1和DA2（先下后上拨动一下），在控制信号S0、S1、S2、S3、M、Ci作用下产生不同的运算结果送至总线，由总线指示灯显示输出。 注意：各控制信号的开关顺序和互斥拨入，若同时有两个或两个以上的总线控制信号有效，
CCCNC则报警单元会响铃报警；本实验中，yn和yn信号均有效时，结果不影响标志位。
运算器核心部件74LS181功能表如表1-1所示：
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表1-174LS181功能表
选择 S1 S2 S3 S4 L L L L L L L H L L H L L L H H L H L L L H L H L H H L L H H H H L L L H L L H H L H L H L H H H H L L H H L H H H H L H H H H M＝H逻辑功能 有效的输入输出数据 M＝L算术运算 FFFFFFFFFFFFFFFF?A ?A?B ?AB ?0 ?AB ?B ?A?B ?AB ?A?B ?A?B ?B ?AB ?1 ?A?B ?A?B ?A Ci?1(无进位) F?A F?A?B F?A?B F?减1（2的补码） F?A加AB F?（A?B)加AB F?A减B减1 F?AB减1 F?A加AB F?A加B F?（A＋B)加AB F?AB减1 F?A加A? F?（A?B)加A F?(A?B)加A F?A减1 Ci?0(有进位) F?A加1 F?（A?B）加1 F?（A?B）加1 F?0 F?A加AB加1 F?（A?B)加AB加1 F?A减B F?AB F?A加AB加1 F?A加B加1 F?（A＋B)加AB加1 F?AB F?A加A?加1 F?（A?B)加A加1 F?(A?B)加A加1 F?A
4. 实验步骤
（1）熟悉实验仪的各个单元分布情况。
（2）连接实验线路。本实验需要连接三个单元：INPUT、ALU、MANUAL,在电源断开的情况下，将需要的相同标号的插针用排线连接，注意排线的颜色必须两边一致，输入单元必须有接地线路（Ai=0），仔细检查接线无误后，再接通电源。
（3）通过手动开关向DA1和DA2置数。具体操作步骤如图1-2： ?R?ALU?B?CLR?1 I/0 拨INPUT数据开关 （8位二进制数据） 拨控制信号 I/O?R?0,Ai?0拨控制信号为初始状态 B－DA1＝B－DA2＝1 拨控制信号 B－DA1＝ B－DA2＝1 拨INPUT数据开关 （8位二进制数据） 检查实验结果 拨控制信号 S3~S0、Mi、Ci ALU?B?0 拨控制信号 I/O?R?1 图1-2操作流程图
拨控制信号 B－DA1＝1 B－DA2＝ （4）拨入控制信号S3～S0、M、Ci的值，选择74LS181功能，并置总线控制信号I/O-R?1，
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