合肥工业大学计算机组成原理实验报告

实验一存储器实验

一、实验目的

了解静态随机存取存贮器的工作原理；掌握读写存贮器的方法。

二、实验原理

实验仪的存贮器MEM单元选用一片静态存贮器6116（2K×8bit）存放程序和数据。

CE：片选信号线，低电平有效，实验仪已将该管脚接地。

OE：读信号线，低电平有效。

WE：写信号线，低电平有效。

A0..A10: 地址信号线。

I/O0..I/O7:数据信号线。

SRAM6116功能表

存贮器挂在CPU的总线上，CPU通过读写控制逻辑，控制MEM的读写。实验中的读写控制逻辑如下图：

读写控制逻辑

M_nI/O用来选择对MEM还是I/O读写，M_nI/O = 1，选择存贮器MEM；M_nI/O = 0，选择I/O设备。nRD = 0为读操作；nWR = 0为写操作。对MEM、I/O的写脉冲宽度与T2一致；读脉冲宽度与T2+T3一致，T2、T3由CON单元提供。

存贮器实验原理图

存贮器数据信号线与数据总线DBus相连；地址信号线与地址总线ABus相连，6116的高三位地址A10..A8接地，所以其实际容量为256字节。

数据总线DBus、地址总线ABus、控制总线CBus与扩展区单元相连，扩展区单元的数码管、发光二极管上显示对应的数据。

IN单元通过一片74HC245(三态门)，连接到内部数据总线iDBus上，分时提供地址、数据。MAR由锁存器（74HC574，锁存写入的地址数据）、三态门（74HC245、控制锁存器中的地址数据是否输出到地址总线上）、8个发光二极管（显示锁存器中的地址数据）组成。

T2、T3由CON单元提供，按一次CON单元的uSTEP键，时序单元发出T1信号；按一次

uSTEP键，时序单元发出T2信号；按一次uSTEP键，时序单元发出T3信号；再按一次uSTEP 键，时序单元又发出T1信号，……

按一次STEP键，相当于按了三次uSTEP键，依次发出T1、T2、T3信号。

其余信号由开关区单元的拨动开关模拟给出，其中M_nI/O应为高（即对MEM读写操作）电平有效，nRD、nWR、wMAR、nMAROE、IN单元的nCS、nRD都是低电平有效。

三、实验结果及分析

四、思考题

1．本实验系统中所使用的存储芯片６１１６的容量有多大？系统中实际可访问的空间是多大?

2K*8位、256*8位

２．本实验系统中存储器的读写控制信号如何得到的？它们各自在什么时候有效？

通过手拨动开关来获得控制信号，OE：读信号线，低电平有效。WE：写信号线，低电平有效。

实验二系统总线和具有基本输入输出功能的总线接口实验

一、实验目的

理解总线的概念及其特性；掌握控制总线的功能和应用。

二、实验内容

由于存储器和输入、输出设备最终是要挂接到外部总线上，所以需要外部总线提供数据信号、地址信号以及控制信号。在该实验平台中，外部总线分为数据总线、地址总线、和控制总线，分别为外设提供上述信号。外部总线和CPU内总线之间通过三态门连接，同时实现了内外总线的分离和对于数据流向的控制。地址总线可以为外部设备提供地址信号和片选信号。由地址总线的高位进行译码，系统的I/O地址译码原理见下图（在地址总线单元）。

由于使用A6、A7进行译码，I/O地址空间被分为四个区，如表所示：

I/O地址译码原理图

I/O地址空间分配

CPU通过读写控制逻辑，控制MEM和I/O设备的读写。实验中的读写控制逻辑如下图：

读写控制逻辑

M_nIO用来选择对MEM还是I/O读写，M_nIO = 1，选择存贮器MEM；M_nIO = 0，选择I/O设备。nRD = 0为读操作；nWR = 0为写操作。对MEM、I/O的写脉冲宽度与T2一致；读脉冲宽度与T2+T3一致，T2、T3由CON单元提供。

在理解读写控制逻辑的基础上我们设计一个总线传输的实验。实验所用总线传输实验框图如下图所示，它将几种不同的设备挂至总线上，有存贮器、输入设备、输出设备、寄存器。这些设备都需要有三态输出控制，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。

总线传输实验框图

一、读写控制逻辑实验

1、连线说明：

注意：nINTA(K12)置“1”，使中断响应信号不干扰读写存贮器。

2、打开实验仪电源，按CON单元的nRST按键，复位实验仪

3、如果EXEC键上方指示灯点亮，表示实验仪在运行状态；否则，按一次EXEC键，使EXEC键上方指示灯点亮

4、对MEM进行读操作（M_nIO = 1、nRD = 0、nWR = 1），按CON单元的uSTEP键，在T2、T3时刻，扩展区单元JP67对应的DS159指示灯熄灭，DS160-DS162指示灯点亮，表示nM_RD读信号在T2、T3时刻有效

5、对MEM进行写操作（M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 0），按CON单元的uSTEP键，在T2时刻，扩展区单元JP67对应的DS160指示灯熄灭，DS159、DS161、DS162指示灯点亮，表示nM_WR写信号在T2时刻有效

6、对I/O进行读操作（M_nIO = 0、nRD = 0、nWR = 1），按CON单元的uSTEP键，在T2、T3时刻，扩展区单元JP67对应的DS161指示灯熄灭，DS159、DS160、DS162指示灯点亮，表示nIO_RD读信号在T2、T3时刻有效

7、对I/O进行写操作（M_nIO = 0、nRD = 1、nWR = 0），按CON单元的uSTEP键，在T2时刻，扩展区单元JP67对应的DS162指示灯熄灭，DS159-DS161指示灯点亮，表示nIO_WR 写信号在T2时刻有效

二、基本输入输出功能的总线接口实验。

1、根据挂在总线上的几个基本部件，设计一个简单的流程：

①输入设备将一个数打入R0寄存器。

②输入设备将另一个数打入地址寄存器。

③将R0寄存器中的数写入到当前地址的存储器中。

④将当前地址的存储器中的数通过OUT单元用LED数码管显示。

注意：nINTA(K12)置“1”，使中断响应信号不干扰读写存贮器。

3、具体操作步骤图示如下：

在星研软件的工具条中选择“简单模型机实验”，打开简单模型机实验的数据通路图。

(1)拨动开关区单元开关：M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1、nINTA = 1、rR0 = 1、wR0 =

1、wMAR = 1；nMAROE = 0(允许地址寄存器MAR输出到地址总线)

(2) 打开实验仪电源

(3)通过输入设备（IN单元）将数据55H写入R0寄存器

将IN单元置01010101，wR0 = 0,允许写寄存器R0，M_nIO = 0、nRD = 0、nWR = 1，点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，T2、T3时刻IN单元输出数据，在T3的下降沿IN单元输出的数据写入R0。

wR0 = 1，结束写R0操作

(4)读R0中数据写入存贮器MEM的15H单元

将IN单元置00010101，wMAR = 0，允许写MAR，M_nIO = 0、nRD = 0、nWR = 1，点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T3的下降沿IN单元输出的数据写入地址寄存器MAR。wMAR = 1,结束写MAR操作。

rR0 = 0,允许读寄存器R0；M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 0，允许写存贮器；点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T2的时刻完成对存贮器的写入操作。

rR0 = 1， M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1，结束写MEM操作。

(5)将当前地址的存贮器中数据读出，写入R0寄存器中。

将IN单元置00010101，wMAR = 0，允许写MAR，M_nIO = 0、nRD = 0、nWR = 1，点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T3的下降沿IN单元输出的数据写入地址寄存器MAR。wMAR = 1,结束写MAR操作。

wR0 = 0,允许写寄存器R0；M_nIO = 1、nRD = 0、nWR = 1，允许读存贮器；点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，T2、T3时刻MEM单元输出数据，在T3的下降沿MEM单元输出的数据写入R0。

wR0 = 1，M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1，结束写R0操作。

(6)读R0寄存器，数据写入OUT单元，用数码管显示数据。

rR0 = 0, 允许读寄存器R0；M_nIO = 0、nRD = 1、nWR = 0，允许写I/O设备；点击星研软件“单节拍运行”按扭（运行一个机器周期），观察通路图，在T2的下降沿，R0寄存器输出的数据写入OUT单元。rR0 = 1、M_nIO = 1、nRD = 1、nWR = 1，结束本次操作。

三、实验结果及分析

本次实验由于是2人完成，由我的学号作为地址，将另一个人的学号输出。四、思考题

１．本实验系统中外设的读写控制信号如何得到的？对外设的读、写控制信号能不能同时发出？对存储器呢？

本实验系统中外设的读写控制信号是拨开关得到的，对外设的读、写控制信号不能同时发出，对存储器的读、写控制信号也不能同时发出。

２．总线上的部件输出数据时为什么要加三态门？

三态门是一种扩展逻辑功能的输出级，也是一种控制开关。主要是用于总线的连接，因为总线只允许同时只有一个使用者。通常在数据总线上接有多个器件，每个器件通过OE/CE之类的信号选通。如器件没有选通的话它就处于高阻态，相当于没有接在总线上，不影响其它器件的工作。

实验三具有中断控制功能的总线接口实验

具有DMA控制功能的总线接口实验

一、实验目的

DMA控制信号线的功能和应用；掌握在系统总线上设计 DMA控制信号线的方法。

二、实验内容

直接存贮器传送DMA是指将外设的数据不经过CPU直接送入存贮器，或者，从存贮器不经过CPU直接送往外围设备。一次DMA传送只需要执行一个DMA周期，能够满足一些高速外设数据传输的需要。现在流行的ARM类CPU，内部集成有多个DMA控制器，允许SD卡、USB、CAN、串口、AD、DA等与存贮器之间通过DMA方式传输数据，可以大大减少占用CPU的时间。

DMA控制器（简称DMAC）传输数据时，需要占用总线，总线的控制权需要在CPU和DMAC 之间切换，这就需要控制总线提供相应的信号，实现这种切换，避免总线竞争。

外设需要DMA传输时，向DMAC提出请求，DMAC通过控制总线HOLD信号向CPU提出DMA 请求；CPU在当前总线周期结束时，响应DMA请求：释放总线控制权，发出有效HLDA信号给DMAC；DMAC接受总线控制权，开始DMA传输，传送完毕后，撤销HOLD信号，释放总线控制权；CPU收回总线控制权，同时使HLDA信号失效。

实验原理图

如上图所示，CPU在每个机器周期的T3时刻结束时锁存DMA请求HOLD，如果有DMA请求，生成有效的HLDA信号，（1）锁住CPU时钟信号，使T1、T2、T3均无效，冻住CPU（2）释放控制总线、数据总线、地址总线，外部总线都处于高阻状态；DMAC接受总线控制权，等DMA传输完毕，撤消HOLD信号；CPU在每个时钟周期，检查HOLD信号，监测到无效的HOLD 的信号后，（1）CPU输出时钟信号，使CPU可以继续工作（2）收回控制总线、数据总线、地址总线控制权。

在本实验中，检查U36（74HC245，CPU内外数据总线缓冲器）、U37（74HC245，CPU内外地址总线缓冲器）的OE脚，判断CPU是否失去数据总线、地址总线的控制权；通过检查CBus单元的nIO_RD、nIO_WR、nM_RD、nM_WR信号，检查CPU对控制总线的控制权。

三、实验结果及分析

四、思考题

１．ＣＰＵ响应中断的条件是什么？ 答：1、有中断源发出的中断请求；

2、中断总允许位EA=1，即CPU 开中断；

3、申请中断的中断源的中断允许位为1，即中断没有被屏蔽；

4、无同级或更高级中断正在被服务；

5、当前的指令周期已经结束

２．中断源的中断向量地址是通过数据线还是地址线送给ＣＰＵ？

答：数据线

３．ＣＰＵ响应ＤＭＡ请求后，其地址线、数据线和控制线引脚出现什么状态？答：高阻态

实验四基本运算器实验

一、实验目的

了解运算器的组成结构；掌握运算器的工作原理。

二、实验内容

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（有些处理器体系结构把移位运算器放于算术和逻辑运算部件之前，如ARM），控制信号S3..S0、CN_I决定哪个部件工作、对操作数进行何种运算，S3..S0通过多路选择开关选择这个部件的结果作为ALU的输出；如果运算影响进位标志FC、零标志FZ、正负标志位FS，在T3状态的下降沿，结果分别锁存到FC、FZ、FS ；I是中断允许标志位。ALU中所有模块集成在一片 CPLD中。

逻辑运算部件由逻辑门构成，较为简单，后一节有专门的算术运算部件设计实验，在此对这两个部件不再赘述。移位运算采用的是8×8位桶形移位器，这样，可以使所有的移位操作都可以一次完成。下图是一个4×4位桶形移位器

所有的输入通过交叉开关与所有的输出端相连。

如右移2位，第2条对角线(右移2)上的2个交叉开关接通，即第3位(in[3])右移至第1位(out[1]),第2位(in[2])移至第0位(out[0])。

又如右环移1位，第3条对角线(右移1)和第7条对角线(左3，3=4-1)同时有效，即可方便地实现右环移。

逻辑左移/右移只须把没连接的输出位同时充以“0”即可实现；算术右移也只须把没连接的输出位用符号位填充即可。

运算器部件由一片CPLD实现。ALU的输出通过三态门连到CPU内部数据总线（iDBus）上，另外还有指示灯标明进位标志FC、零标志FZ、正负标志FS。请注意：图中T1、T2、T3、nRST已与CON单元相连，其它信号都来自于ALU单元的排针上。

实验仪所有单元的T1、T2、T3、nRST已与控制台（CON）单元的T1、T2、T3、nRst连接，nRst提供复位信号；T1、T2、T3是一个微指令周期的三个节拍，高电平有效，瞬间只有一个信号有效，初始状态T1、T2、T3都是低电平。wA（允许写暂存器A）、wB(允许写暂存器B）、rALU(允许ALU结果输出到内部数据总线（iDBus）上)，都是低电平有效。

暂存器A和暂存器B的数据能在 LED灯上实时显示，原理如下图：

进位标志FC 、零标志FZ 、正负标志FS 、内部数据总线 i D7…iD0的显示原理与此类似；B 、寄存器R0-3、堆栈寄存器SP 、标志寄存器PSW （含FC 、FZ 、FS 、I ）共用R_0..R_7八个发光二极管，通过Select 按键选择，按键上方的发光二极管指示R_0..R_7显示那个寄存器的值。

ALU 功能表

允许标志；表中功能栏内的FC 、FZ 、FS 表示当前运算会影响到该标志。

*表中‘X ’表示任意值，下同 1、连线说明：

2、打开实验仪电源，按CON单元的nRST按键，将ALU的A、B、FC、FZ、FS、I清零；如果EXEC键上方指示灯不亮，请按一次EXEC键，点亮指示灯，表示实验仪在运行状态。

3、给暂存器A赋初值

（1）拨动开关区单元的K7..K0开关，形成二进制数01011000（或其它值）；指示灯亮，表示该位是‘1’，灭为‘0’。

（2）拨动开关区单元K15(wA)、K14(wB)、K13(rALU)、K12(CN_I)开关，赋wA=0（允许写A）、wB=1（禁止写B）、rALU=1(不允许ALU输出)、CN_I=0，按CON单元的STEP按键一次,产生一个T1的下降沿，将二进制数01011000写入暂存器A中，ALU单元的A_7…A_0LED上显示A中的值

4、给暂存器B赋初值

（1）拨动开关区单元的K7..K0开关，形成二进制数10101011（或其它值）。

（2）赋wA=1（禁止写A）、wB=0（允许写B）、rALU=1(不允许ALU输出)、CN_I=0，按CON单元的STEP按键一次,产生一个T2的下降沿，将二进制数10101011写入暂存器B中，ALU单元的R_7…R_0LED上显示B中的值

T3节拍，

当rALU(K13)=0，如果S3S2S1S0的值是0000时，T2、T3节拍时，允许ALU结果输出；S3S2S1S0的值是其它数值，T3节拍时，允许ALU结果输出，显示于扩展区的二位数码管、DS94..DS101的LED上。

6、根据后边的“运算结果表”，改变K20（S0）、K21（S1）、K22（S2）、K23（S3）、K12（CN_I）的值，观察并记录运算器的输出。例如：S0=0，S1=0，S2=0，S3=0，ALU的D7_D0 = 58H；FC、FZ、FS、I不变。

注意：只有按CON单元的STEP按键一次，产生一个T3的下降沿，ALU才将标志位FC、FZ、FS、I写入标志寄存器PSW中，才能在ALU单元的FZ、FC、FS、I指示灯上看到结果。

如果实验仪、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，在星研软件的工具条中选择“运算器实验”，打开运算器实验的数据通路图。

进行上面的手动操作，点击工具条上单节拍或单周期命令图标，数据通路图会反映当前运算器所做的操作。

数据通路图

重复上述操作，并完成下表。然后改变A、B、CN_I的值，验证 FC、FZ、FS、EI的锁存功能。

运算结果表

三、实验结果及分析A+B+FC fc=0

A+B+FC fc=1

A-B-FC FC=0

A-B-FC FC=1

A B 循环移位

四、思考题

１．本实验系统中Ａ寄存器的写入在什么时刻进行？Ｂ寄存器的写入在什么时刻进行？

能否在一个机器周期内将Ａ、Ｂ寄存器写入不同的数据？

答：Ａ寄存器的写入在T1的下降沿，B寄存器的写入在T2的下降沿，能在一个机器周期内将Ａ、Ｂ寄存器写入不同的数据。

２．本实验系统中ＡＬＵ的求补功能与８０８６ＣＰＵ的求补指令功能是否相同？

答：不同，只能对最高位为1的值进行求补

实验五微程序控制器实验

一、实验目的

(1) 掌握微程序控制器的组成原理。

(2) 掌握微程序的编制、写入，观察微程序的运行过程。

二、实验内容

微程序设计思想是由剑桥大学的M.V.Wilkes教授首先提出的，为每一条机器指令编写一个微程序，每一个微程序包含一条或几条微指令，每一条微指令对应一个或几个控制各部件动作的微操作指令。然后把这些微程序存到一个控制存贮器中，用寻找用户程序机器指令的方法寻找每个微程序中的微指令。由于这些微指令是以二进制代码形式表示的，每位代表一个控制信号，因此，逐条执行每一条微指令，也就相应地完成了一条机器指令的全部操作；由于控制信号是以二进制代码的形式出现的，因此只要修改微指令的代码，就可改变操作内容，便于调试、修改、甚至增删机器指令，有利于计算机仿真。

微程序控制器原理框图

微程序控制器是严格按照系统时序来工作的，因而时序控制对于控制器的设计是非常重要的，从前面的实验可以很清楚地了解时序电路的工作原理，本实验所用的时序由CON单元来提供，分为三拍T1、T2、T3。

微程序控制器的组成见下图，采用四片6116或2816作为微存贮器，微命令寄存器32位，用四片8D触发器（74HC574）组成。

在取指周期的T2下降沿，读取的8位指令数据锁存到指令寄存器(IR)中；T3时刻，根据IR、状态条件（例如：进位标志位、零标志位等），译码生成该机器指令对应的微地址（该机器指令对应uM的首地址），送入微地址寄存器(uPC)；如果不在取指周期，uPC的微地址来自于微指令寄存器的低8位（该机器指令对应的后续微地址）；在T3的下降沿，将控制存贮器中输出的微指令锁存到微指令寄存器中。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/nagl.html