计算机组成原理实验指导书(JSY4)

计算机组成原理实验指导书

青岛科技大学

数字技术实验中心

目录

实验一运算器实验 (1)

实验二进位运算和移位运算实验 (7)

实验三静态存储器原理实验 (11)

实验四数据通路实验 (13)

实验五微程序控制器实验 (15)

实验六微程序控制器实验 (25)

实验一运算器实验

一、实验目的

1)熟悉实验装置；

2)学习算术逻辑单元电路的构成及其工作原理，掌握运算器实验的数据传

送通路的结构及不同实验状态下的各运算数据的流程；

3)验证运算功能发生器（74LS181）的组合功能；

二、实验设备

JYS-4计算机组成原理实验箱及导线若干。

三、实验内容

1、实验装置简介

JYS-4计算机组成原理实验装置是一种能够通过多种“原理计算机”的设计和构造，来灵活地实现“计算机组成原理”课程的实验教学，以满足不同层次和不同教学环节实验要求的开放式教学实验设备。

使用JYS-4计算机组成原理实验装置可完成运算器实验、进位和移位控制实验、静态存储器原理实验、计算机的数据通路实验、微程序控制器实验、基本模型机的设计与实现实验、带移位运算的模型机的设计与实现等实验。

JYS-4计算机组成原理实验装置采用内、外总线结构，并按开放式结构要求设计了各关联的单元实验电路，除进一步规范了可组成的原理计算机结构外，也为实验教学提供了充足的硬件可设计空间和软件可设计空间，在实验电路构造方面，系统也提供了多种手段，可按部件层次组合方式逐次构造不同结构和复杂程度的部件实验电路及模型计算机。

整个实验仪器是由分散元器件构成，包括计算机中的各组成部件：运算器、存储器、控制器等，这些器件的内部连线已经连好，需要连接的是一些控制信号线。实验板上对各个器件的划分比较清楚，都用白色框线表示，每个器件的名称也用白色注明。

JYS-4计算机组成原理实验装置具有以下特点：

1)系统装置支持三种实验电路构造方式，即实验元件零连线方式（在面包板

上自己搭建实验电路）、单元电路跨接方式（使用装置提供的排线通过跨

接构造出实验电路）和实验“软连线”方式（使用可编程逻辑器件通过编程

设计实验电路）。我们可以根据实验教学的需要，灵活使用。

2)系统装置提供灵活的操作方式。即可以通过拨动微程序控制器单元的数据

开关（以发光二极管为显示器）以二进制数码进行编程、显示来调试实验

程序，也可以通过RS-232C通讯接口与PC微机联机，在PC机上进行编

程、传送、装载程序，动态调试和运行程序。

3)系统装置提供图形方式的联机操作软件，可以显示用户设计的实验模型机

的逻辑示意图。在调试过程中可以动态的显示数据流向及数据、地址和控

制总线的各种信息，使调试过程形象化。

4)系统装置采用E2PROM作为微程序存储器，从而对程序既能修改又具有断

电保护功能

每套实验仪器内部都有电源线、排线若干，电源开关在旁侧。JYS-4硬件系统主要由安装在一块印刷电路大板上的开关、电阻、LED显示器、集成电路等器件构

图1-1 系统布局示意图

JYS-4计算机组成原理实验装置系统配置如表1-1所示。

表1-1 JYS-4系统的主要配置

2、实验原理

1) 算术逻辑运算单元电路的结构

算术逻辑运算单元电路的结构如图1-2所示，使用2片74LS181以并/串连的形式构成8位字长的ALU，ALU的输出经过一个三态门（74LS245）同数据总线相连。运算器的两个输入端的数据分别由两个锁存器（74LS273）锁存，锁存器的输入与数据总线相连，数据开关用来给出参与运算的数据，并通过三态门(74LS245)和数据总线相连，数据显示灯与数据总线相连，用来显示数据总线的内容。在实验过程中，ALU根据不同的运算控制信号对2个锁存器中的二进制数进行相应的算术或逻辑运算。其运算结果可以经三态门（74LS245）送到数据总线上，挂在数据总线上的指示灯便显示其内容。

图1-2 算术逻辑运算单元数据通路

2）算术逻辑运算单元电路的主要控制信号

算术逻辑单元电路中用到的控制信号主要有 T4、S0、S1、S2、S3、Cn 、M 、LDDR1、LDDR2、B SW -、B ALU -。

在实际应用中，只需将“W/R UNIT”的T4接至“STATE UNIT”的微动开关KK2

的输出端，按动微动开关，即可获得实验所需的单脉冲，其中Cn 、

B SW -、B ALU -为低电平有效，它们是分别控制运算器进位、数据开关至数据总线的三态门以及运

算器输出至数据总线三态门的控制信号。

需要说明的是，在实验过程中必须保证任何时刻最多只能有一路数据出现在数据总线上，B SW -和B ALU -这两个信号不能同时有效，否则会引发数据总线上多个方向的数据流同时存在（如数据开关上的数据和ALU 上的数据同时送往数据总线），这种情况会引发数据总线上的“数据冲突”，很容易导致各自的三态门等器件烧毁，这是一定要注意避免的。在今后做其他实验的时候更要注意，因为数据的来源越多，引发这种“数据冲突”的可能性就越大。

LDDR1、LDDR2为高电平有效，它们分别是运算器的“A 寄存器”和“B 寄存器”数据锁存控制信号，有效（高电平状态）时当有T4脉冲来临便接收数据，无效时便锁存数据。S0、S1、S2、S3以及M 和Cn 是运算功能发生器（74LS181）的运算功能控制信号，其状态与功能见74LS181功能表。

四、实验步骤

1、 按要求打开实验装置，把上述原理图中用到的单元电路及控制信号与实验

装置上各单元电路和相关信号控制开关等实物对照，熟悉应用和操作对象。