Laboratory Manual

        与DS-VLAB1.1V配套的实验教程已经出版，此教程可作为高等院校计算机及相关专业本科生的实验教材或参考书，也可用于教师案例教学。相关信息如下：

        书名：计算机组成原理实验教程

        主编：张雯雰    副主编：朱卫平，肖娟    参编：陆武魁，刘华艳，廖隽婷

        书号：ISBN 978-7-302-58456-8

        出版社：清华大学出版社

        任课教师若需要全书实验电路和问题答案可联系编者（3541992325@qq.com），联系时请注明单位等信息。

        此教程共包含9个实验和1个课程设计，内容节选如下：

实验1  全加器实验

1.1 实验目的
1） 熟悉多思计算机组成原理网络虚拟实验系统的使用方法。
2） 掌握全加器的逻辑结构和电路实现方法。
1.2 实验要求
1） 做好实验预习，复习全加器的原理，掌握实验元器件的功能特性。
2） 按照实验内容与步骤的要求，独立思考，认真仔细地完成实验。
3） 写出实验报告。
1.3 实验电路
        本实验使用的主要元器件有：与非门、异或门、开关、指示灯。

图1.1 一位全加器实验电路

        一位全加器的逻辑结构如图1.1所示，图中涉及的控制信号和数据信号如下：
        1） Ai、Bi：两个二进制数字输入。
        2） Ci：进位输入。
        3） Si：和输出。
        4） Ci+1：进位输出。
1.4 实验原理
        1位二进制加法器有三个输入量：两个二进制数字Ai、Bi和一个低位的进位信号Ci，这三个值相加产生一个和输出Si以及一个向高位的进位输出Ci+1，这种加法单元称为全加器，其逻辑方程如下：

Si=Ai⊕Bi⊕Ci     (1.1)

Ci+1=AiBi+BiCi+CiAi

1.5 实验内容与步骤
1.  运行虚拟实验系统，从左边的实验设备列表选取所需组件拖到工作区中，按照图1.1所示搭建实验电路，得到如图1.2所示的实验电路。

图1.2 一位全加器虚拟实验电路

2.  打开电源开关，按表1-1中的输入信号设置数据开关，根据显示在指示灯上的运算结果填写表1-1中的输出值。

表1-1 一位全加器真值表

3.  关闭电源开关，增加元器件，实现一个2位串行进位并行加法器。用此加法器进行运算，根据运算结果填写好表1-2。

表1-2 2位串行进位并行加法器真值表

1.6 思考与分析
1.  串行进位并行加法器的主要缺点是什么？有改进的方法吗？试画出改进后的电路图。
2.  能使用全加器构造出补码加法/减法器吗？试画出其电路图。

 

 

实验2  运算器实验

2.1 实验目的
1） 掌握算术逻辑运算单元的工作原理。
2） 熟悉简单运算器的电路组成。
3） 熟悉4位运算功能发生器（74LS181）的算术、逻辑运算功能。
2.2 实验要求
1） 做好实验预习，看懂电路图，熟悉实验中所用芯片各引脚的功能和连接方法。
2） 按照实验内容与步骤的要求，认真仔细地完成实验。
3） 写出实验报告。
2.3 实验电路
        本实验用到的主要数字功能器件有：4位算术逻辑运算单元74LS181，8位数据锁存器74LS273，三态输出的8组总线收发器74LS245，单脉冲、开关、数据显示灯等。芯片详细说明请见芯片数据手册。
        图2.1为本实验所用的运算器电路图，图中尾巴上带加粗标记的线条为控制信号线，其余为数据线。实验电路中涉及的控制信号如下：
        1） M：选择ALU的运算模式（M=0，算术运算；M=1，逻辑运算）。
        2） S3，S2，S1，S0：选择ALU的运算类型，如在M=0时设为1001则ALU做加法运算。
        3） ：向ALU最低位输入的进位信号，=0时有进位输入，=1时无进位输入。
        4） Cn+4：ALU最高位向外输出的进位信号，为0时有进位输出，为1时无进位输出。
        5） P1：脉冲信号，在上升沿将数据打入DR1。74LS273触发器在时钟输入为高电平或低电平时，输入端的信号不影响输出，仅仅在时钟脉冲的上升沿，输入端数据才会发送到输出端，并将数据锁存。
        6） P2：脉冲信号，在上升沿将数据打入DR2。
        7） ：芯片74LS273的清零信号，低电平有效。当为低电平时，74LS273的数据输出引脚被置零。
        8） ：ALU输出三态门使能信号，为0时将74LS245输入引脚的值从输出引脚输出，从而将ALU运算结果输出到数据总线。
        9） ：开关输出三态门使能信号，为0时将SW7~SW0数据送到数据总线。

图2.1运算器实验电路

2.4 实验原理
        运算器实验电路如图2.1所示。两片4位的74LS181构成了8位字长的ALU。两个8位的74LS273作为工作寄存器DR1和DR2，用于暂存参与运算的操作数。操作数由数据开关通过三态门74LS245送入工作寄存器，ALU的运算结果也通过三态门74LS245发送到数据显示灯上。
        操作数由SW7~SW0共8个二进制开关来设置，当=0时，数据通过三态门74LS245输出到DR1和DR2的输入端。DR1接ALU的A输入端口，DR2接ALU的B输入端口。在P1的上升沿将数据打入DR1，送至74LS181的A输入端口；在P2的上升沿将数据打入DR2，送至74LS181的B输入端口。
        ALU由两片74LS181构成，其中74LS181(1)做低4位算术逻辑运算，74LS181(2)做高4位算术逻辑运算，74LS181(1)的进位输出信号Cn+4与74LS181(2)的进位输入信号Cn相连，两片74LS181的S3~S0、M引脚分别与S3~S0、M控制信号线相连。运算结果通过一个三态门74LS245输出到数据显示灯上。另外，74LS181(2)的进位输出信号Cn+4可另接一个指示灯，用于显示运算器进位标志信号状态。
2.5 实验内容与步骤
1.  运行虚拟实验系统，按照图2.1绘制运算器实验电路，生成实验电路如图2.2所示：

图2.2运算器虚拟实验电路

2.  进行电路预设置，具体步骤如下：
        1） 将设为高电平：关闭ALU输出端的三态门；
        2） 将两片74LS273的都设为高电平，否则74LS273会一直处于清零状态。
3.  打开电源开关。
4.  设置SW7~SW0向DR1和DR2置数。以DR1=65H，DR2=A7H为例，具体步骤如下：
        1） 将置0：打开数据输入端的三态门；
        2） 将数据开关的SW7~SW0置为01100101；
        3） 发出P1单脉冲信号：在P1的上升沿，数据打入寄存器DR1；
        4） 将数据开关的SW7~SW0置为10100111；
        5） 发出P2单脉冲信号：在P2的上升沿，数据打入寄存器DR2。
        6） 将置1：关闭数据输入端的三态门；
5.  检验DR1和DR2中存的数是否正确。其具体操作如下：
        1） =0：打开ALU输出端的三态门；
        2） 设置Cn=1：ALU无进位输入；
        3） 将S3、S2、S1、S0、M置为00000，指示灯应显示DR1中数据01100101；
        4） 将S3、S2、S1、S0、M置为10101，指示灯应显示DR2中数据10100111。
6.  验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能（采用正逻辑）。在给定DR1=65H，DR2=A7H的情况下，改变运算器的功能模式，观察运算器的输出，并填入表2-1，并和理论值进行比较、验证。

表2-1 运算器功能验证

2.6 思考与分析
1.  运算器主要由哪些器件组成？这些器件是怎样连接的？
2.  芯片74LS181没有减法A minus B的指令，怎样实现此减法功能？
3.  74LS181有哪两种级联方法？分别要用到哪些引脚？哪一种速度更快？

 

实验3  存储器实验

1 实验目的
1) 掌握静态随机存储器RAM的工作特性。
2) 掌握静态随机存储器RAM的读写方法。
2 实验类型：验证性实验
3 实验详细内容请见配套的实验指导书

 

实验4  总线与微命令实验

1 实验目的
1） 理解总线的概念和作用。
2） 连接运算器与存储器，熟悉计算机的数据通路。
3） 理解微命令与微操作的概念。
2 实验类型：综合性、设计性实验
3 实验详细内容请见配套的实验指导书

 

实验5  累加器实验

1 实验目的
1） 理解累加器的概念和作用。
2） 连接运算器、存储器和累加器，熟悉计算机的数据通路。
3） 掌握使用微命令控制各部件执行微操作的方法。
2 实验类型：综合性、设计性实验
3 实验详细内容请见配套的实验指导书

 

实验6  程序计数器实验

1 实验目的
1） 连接程序计数器、地址寄存器、存储器与指令寄存器，理解程序计数器的作用。
2） 掌握使用微命令通过程序计数器从存储器中读取指令和数据的方法。
2 实验类型：综合性、设计性实验
3 实验详细内容请见配套的实验指导书

 

实验7  微程序控制器实验

1 实验目的
1） 掌握微程序控制器的组成原理和工作过程。
2） 理解微指令和微程序的概念，理解微指令与指令的区别与联系。
3） 掌握指令操作码与控制存储器中微程序的对应方法，熟悉按指令操作码从控制存储器中读出微程序的过程。
2 实验类型：验证性实验
3 实验详细内容请见配套的实验指导书

 

实验8  简单模型机实验

1 实验目的
1） 通过总线将微程序控制器同运算器、存储器等联机，组成一台模型计算机；
2） 用微程序控制器控制模型机数据通路，运行由4条机器指令组成的简单程序；
3） 掌握微指令与机器指令的关系，建立整机概念。
2 实验类型：综合性、验证性实验
3 实验详细内容请见配套的实验指导书

 

实验9  微程序设计实验

1 实验目的
1） 在简单模型机的基础上，综合运用所学知识，设计5条机器指令的微程序；
2） 进一步理解微程序控制器的工作原理，掌握指令与微指令的区别与联系；
3） 通过编写和调试微程序，提高动手能力和设计能力。
2 实验类型：综合性、设计性实验
3 实验详细内容请见配套的实验指导书

 

实验10  模型机课程设计

1 实验目的
1） 融会贯通所学知识，设计和调试一台简单的模型计算机；
2） 进一步掌握计算机组成的基本原理，建立整机概念；
3） 培养工程设计和研究能力。
2 实验类型：综合性、设计性实验
3 实验详细内容请见配套的实验指导书