多思计组实验 实验4总线与微命令实验

电路图

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报告

实验3总线与微命令实验
3.1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。
3.2实验要求
（1）做好实验预习，在实验之前填好表3-3，读懂实验电路图，熟悉实验元器件的功能特性和使用方法。
（2）按照实验内容与步骤的要求进行实验，对预习时填写好的微命令进行验证与调试，遇到问题请冷静、独立思考，认真仔细地完成实验。
（3）写出实验报告。
3.3实验原理
本实验使用的主要元器件有：4位算术逻辑运算单元74LS181，8位数据锁存器74LS273，三态输出的总线收发器74LS245，2K×8静态随机存储器6116，时序发生器，与非门、与门、开关、指示灯等。
时序发生器用于产生四个等间隔时序信号T1、T2、T3和T4。在本虚拟实验系统中，连续发出的一轮T1~T4时序信号对应一个CPU周期。图3.1为时序发生器的简单电路连接图，其中，Ts为时钟源输入信号，Stop为停止信号，Star为开始信号，Step为单步运行信号。在Step=0时，单击 Start连接的单脉冲按钮，时序信号T1~T4会周而复始地发送出去，时序发生器处于连续运行状态，若此时单击Stop按钮，发送完此周期时序信号后就会停机。在Step=1时，处于单步运行状态，即每发送完一个CPU周期时序信号就自动停机。本实验使用单步运行方式。
图3.2为本实验数据通路总框图，其中ALU由2片74LS181构成，DR1、DR2和AR均为一片74LS273，RAM为一片6116芯片，△表示三态门74LS245，时序发生器为虚拟实验系统提供的虚拟组件。数据开关、数据显示灯、运算器、存储器通过总线相连。数据开关(SW7-SW0)用于设置数据或地址，数据和地址经三态门发送至总线。DR1和DR2从总线上接收数据并传送到ALU进行运算，运算结果经三态门送回至总线。地址寄存器AR从总线上获取地址并送至存储器，存储器按地址进行读写，将读出的数据发送至总线，或者从总线输入数据并写入。数据显示灯与总线相连，流经总线的所有数据和地址都将在数据灯上显示。
计算机控制器通过控制线向执行部件发出各种控制命令，这些控制命令被称为微命令，
执行部件接收微命令后所进行的操作，叫作微操作。图3.2中的控制信号线都与控制器相连，
并由控制器的相应微命令控制，例如当控制器中表示的微命令位设置为0时，低电平信号通过控制线传送到数据开关的三态门，三态门即执行“打开”微操作。实验电路中涉及的其他控制信号如下：
（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，SO：选择ALU的运算类型。如M=0时，设为1001表示加法运算。
（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）LDDR1：DR1的数据加载信号，与T4脉冲配合将总线上的数据打入DR1中。LDDR1
和T4通过与门进行与运算之后连接到74LS273芯片的CP引脚，当LDDR1=1时在T4的上升沿将数据锁存到DR1。

图3.1 时序发生器

图3.2 数据通路总框图
（5）LDDR2：DR2的数据加载信号，与T4脉冲配合将总线上的数据打入DR2中。LDDR2
和T4通过与门进行与运算之后连接到74LS273芯片的CP引脚，当LDDR2=1时在T4的上升沿将数据锁存到DR2。
（6）：芯片74LS273的清零信号，低电平有效。本实验恒置为1。
（7）：ALU输出三态门使能信号，为0时将ALU运算结果输出到总线。
（8）：开关输出三态门使能信号，为0时将SW7~SW0数据发送到总线。
（9）：6116片选信号。为0时6116正常工作。
（10）：存储器读信号。=0，=0时为读操作，实验中将其接地，恒置为0。
（11）WE：存储器写信号，与T3脉冲配合实现存储器写操作。WE和T3通过与非门进行与非运算之后连接到6116芯片的引脚，引脚低电平有效。在=0、=0的条件下，当WE=1且T3=1时进行写操作。
（12）LDAR：AR的地址加载信号，与T3脉冲配合将总线上的地址打入AR中。LDAR和T3通过与门进行与运算之后连接到74LS273芯片的CP引脚，当LDAR=1时在T3的上升沿将地址锁存到AR。
为方便进行实验，将图3.2中的所有控制信号归纳在表3-1中。实验的主要任务就是确定这些控制信号在每一个CPU周期的取值。
表3-1 微命令集合

可以设计不同的微命令组合，来实现不同的功能。例如，微命令组合000001 100 10 10
表示DR载入，数据开关三态门打开，存储器、DR2和ALU三态门都关闭，其功能即为：将数据开关上的数据送入DR1。注意，表3-1里的微命令只是实际计算机中的一部分，计算机运行所需要的微命令远不止这些。
在存储逻辑型控制器中，计算机需要用到的所有微命令组合都已预先设计好并存储在控
制存储器中，由控制器根据程序自动找出需要的微命令组合，通过控制线发送给各执行部件执行，其中的每一个微命令组合又叫一条微指令。本实验用人工设置数据开关的方法来代替控制器生成微命令，完成一系列操作和任务。
3.4实验内容与步骤
1.运行虚拟实验系统，绘制实验电路，接好表3-1中列出的控制信号线，将控制信线分别接至电路图上方的数据开关上，并仔细检查一遍，确保连接正确，连接好的电路如图3.3所示。
2.进行电路预设置。将DR1、DR2和AR的置1，时序发生器的Step置1。
3.打开电源开关。
4.求A+B，A从数据开关输入，B是存储器操作数，B的地址也从数据开关输入，运算结果在数据显示灯上显示。具体步骤如下：
（1）准备好要使用的微命令，如表3-2所示。
表3-2 A+B微命令

（2）设置控制信号：数据开关→DR1（0000011001010）；将数据开关设置为A(00000011)；
单击时序发生器的start按钮，等待一个CPU周期后，数据开关上的值已存入DR1。
（3）设置控制信号：存储单元地址→AR（0000011010010）；将数据开关设为B的地址（00000010）；单击start按钮，等待一个CPU周期后，地址已存入AR。
（4）设置控制信号：存储器操作数→DR2（0000010000111）；单击start按钮。等待一个CPU周期后，B的值已存入DR2。
（5）设置控制信号：DR1+DR2→BUS（1001011000001），运算结果在数据灯上显示。
5.计算 C-D→存储单元 E，数据 C、D 和地址 E 都从数据开关输入。
（1）设计微命令，填入表3-3中。

表3-3 C-D→存储单元E微命令

（2）设置控制信号：数据开关→DR1（ 0000011001010）；将数据开关设置为C(00010111)；单击时序发生器的start按钮。等待一个CPU周期后，C已存入DR1。
（3）设置控制信号：数据开关→DR2（ 0000011000110）；将数据开关设置为D(00001000)；单击start按钮。等待一个CPU周期后，D已存入DR2。
（4）设置控制信号：存储单元地址→AR（0000011010010）；将数据开关设置为E(00000000)；单击start按钮。等待一个CPU周期后，地址E已存入AR。
（5）设置控制信号：DR1-DR2→存储单元（0110000100001）；单击start按钮。等待一个CPU周期后，运算结果已存入存储单元00H。
（6）单击菜单中的“工具/存储器芯片设置”，查看存储单元00H的值是否正确，如果不正确，找到错误的原因，调试至正确为止，并将结果记录下来（截图）。
6.计算F∧G→存储单元H。F和G都是存储器操作数，F、G的地址以及地址H都从数据开关输入。
（1）设计微命令，填入表3-4中。
表3-4 F∧G→存储单元H微命令

（2）设置控制信号：存储单元地址→AR（0000011010010）；将数据开关设置为F的地址(00000100)；单击start按钮。等待一个CPU周期后，地址已存入AR。
（3）设置控制信号：存储器操作数→DR1（0000010001011）；单击start按钮。等待一个CPU周期后，F已存入DR1。
（4）设置控制信号：存储单元地址→AR（0000011010010）；将数据开关设置为G的地址(00001000)；单击start按钮。等待一个CPU周期后，地址已存入AR。
（5）设置控制信号：存储器操作数→DR2（0000010000111）；单击start按钮。等待一个CPU周期后，G已存入DR2。
（6）设置控制信号：存储单元地址→AR（0000011010010）；将数据开关设置为H(00001100)；单击start按钮。等待一个CPU周期后，地址H已存入AR。
（7）设置控制信号：DR1∧DR2→存储单元（1011110100001）；单击start按钮。等待一个CPU周期后，运算结果已存入存储单元0CH。
（8）单击菜单中的“工具/存储器芯片设置”，查看存储单元0CH的值是否正确，如果不正确，找到错误的原因，调试至正确为止，并将结果记录下来（截图）。
3.5 实验结果
本实验需要记录的实验结果如下：
1.首先，按要求设计微命令并填入表3-3中；然后，将对应实验步骤中的括号内容补充完整；最后，截图记录运算结果。

2.首先，按要求设计微命令并填入表3-4中；然后，将对应实验步骤中的括号内容补充完整；最后，截图记录运算结果。

3.6 思考与分析

1. 总线的功能是什么？按连接部件可以分为几类？此实验中的总线属于哪一类？
   总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束。按连接部件可以分为片内总线、系统总线和通信总线。此实验中的总线属于系统总线。
2. 单总线结构有什么特点？多总线结构相对于单总线结构有什么优势？
   单总线结构的优点是控制简单方便,扩充方便。双总线结构又分为面向CPU的双总线结构和面向存储器的双总线结构。将较低的I/O设备从单总线上分离出来，实现存储总线和I/O总线分离。提高了I/O设备的性能，使其更快地响应命令，提高系统吞吐量。
3. 什么是微命令？ 什么是微操作？它们与各功能芯片如74LS181、6116有什么关系？
   微命令 就是控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令。
   微操作 是相对于指令完成的功能而言的，指的是一个部件能够完成的基本操作，也是最小的具有独立意义的操作。
   微命令与各功能芯片之间是控制与被控制的关系。微操作是各功能芯片能够完成的最基本的操作。