计算机组成与结构实验

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一、十四章课时习题

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1.某机有五个中断源L0、L1、L2、L3、L4，按中断响应的优先次序由高向低排序为L0→L1→L2→L3→L4，现要求中断处理次序改为L1→L4→L2→L0→L3，写出各中断源的屏蔽字
正确答案:

       0    1    2    3    4

L0    1    0    0    1    0

L1    1    1    1    1    1

L2    1    0    1    1    0

L3    0    0    0    1    0

L4    1    0    1    1    1

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2.在中断系统中INTR、INT、EINT三个触发器各有何作用？

正确答案:

INTR——中断请求触发器，用来登记中断源发出的随机性中断请求信号，以便为CPU查询中断及中断排队判优线路提供稳定的中断请求信号；    

 EINT——中断允许触发器，CPU中的中断总开关。当EINT=1时，表示允许中断（开中断），当EINT=0时，表示禁止中断（关中断）。其状态可由开、关中断等指令设置；    

 INT——中断标记触发器，控制器时序系统中周期状态分配电路的一部分，表示中断周期标记。当INT=1时，进入中断周期，执行中断隐指令的操作。

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3.什么是指令周期、机器周期和时钟周期？三者有何关系？ 正确答案:

指令周期是CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间，也即CPU完成一条指令的时间。

      机器周期是所有指令执行过程中的一个基准时间，通常以存取周期作为机器周期。

      时钟周期是机器主频的倒数，也可称为节拍，它是控制计算机操作的最小单位时间。

      一个指令周期包含若干个机器周期，一个机器周期又包含若干个时钟周期，每个指令周期内的机器周期数可以不等，每个机器周期的时钟周期数也可以不等。

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4.能不能说CPU的主频越快，计算机的运行速度就越快？为什么？

正确答案:

    答：不能说CPU的主频越快，计算机的运行速度就越快。

        因为机器的速度不仅与主频有关，还与机器周期中所含的时钟周期数以及指令周期中所含的机器周期数有关。同样主频的机器，由于机器周期所含时钟周期数不同，机器的速度也不同。机器周期中所含时钟周期数少的机器，速度更快。

        此外，机器的速度还和其他很多因素有关，如主存的速度、机器是否配有Cache、总线的数据传输率、硬盘的速度以及机器是否采用流水技术等。

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二、实验

实验一被自己误删了，问题不大~

实验二：带进位控制8位算术逻辑运算实验

一、实验目的
1、验证带进位控制的算术逻辑运算发生器的功能。
2、按指定数据完成几种指定的算术运算。

二、实验设备
两片74LS181以并/串形成8位字长的ALU构成，三态门74LS245(U33)，模型机运算器等。

三、实验原理
在实验1的基础上增加进位控制部分，其中高位74LS181的进位CN4通过们UN4E、UN2C、UN3B进入UN5B的输入端D，其写入脉冲由T4和AR信号控制，T4是脉冲信号，在手动方式下进行实验时，只需将跳线器J23上T4与手动脉冲发生开关的输出端SD相连，按动手动脉冲开关，即可获得实验所需要的单脉冲。AR是电平控制信号（低电平有效），可用于实现带进位控制的实验。AR必须为“0”电平，D型触发器74LS74的时钟器端CLK才有脉冲信号输入。才可以将本次运算的进位结果CY锁存到进位锁存器74LS74中。

四、实验接线
本实验用到4个主要模块：（1）低8位运算器模块，（2）数据输入并显示模块，（3）数据总线显示模块，（4）功能开关模块（借用微地址输入模块），（5）带进位控制部分。
1、J20,J21,J22接上短路片；
2、J24,J25,J26接左边；
3、J27,J28右边；
4、J23置右边T4选“SD”；
5、JA5置“接通”；
6、JA6置“手动”；
7、JA3置“接通”；
8、JA1,JA2,JA4置“高阻”；
9、JA8置上面“微地址”；
10、EXJ1接BUS3；
11、CE、299B置“1”，AR置“0”

五、实验数据

六、结果分析
在实验一的基础上完成进位实验的操作，实验结果与理论值一致，实验操作正确。

七、实验心得
在进位运算操作前将总清开关置零可以对进位标志清零，AR必须为“0”电平，D型触发器74LS74的时钟端CLK才有脉冲信号输入，才可以将本次运算的进位结果CY锁存到进位锁存器74LS74（UN5B）中。这个实验比较简单还是做做拿来练手后面的几次实验滴

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实验三：移位运算器实验

一、实验目的

验证移位控制器的组合功能

二、实验设备
一片74LS299（U34），三态门74LS245(U33)，计算机系统实验仪DYCC-C9JH。

三、实验原理
使用一片74LS299（U34）作为一位发生器，其八位输入/输出端通过74LS245引到总线。JA4接通时输出到总线，299B信号由开关到299B提供，控制其使能端，T4为其时钟脉冲，手动方式实验时将T4与手动脉发生器输出端SD相连，即J23跳线器上T4连SD。由信号S0、S1、M控制其功能状态，详细见下表1。

74LS299

表1
299B S1 S0 M 功能
0 0 0 任意 保持
0 1 0 0 循环右移
0 1 0 1 带进位循环右移
0 0 1 0 循环左移
0 0 1 1 带进位循环左移
任意 1 1 任意 装数

74LS299芯片逻辑功能表
工作模式 控制信号状态 数据传送方式
M S1 S0 OE1 OE2 CP
清除 0 X X 0 X Q7 IO7 IO6 IO5 IO4 IO3 IO2 IO1 IO0 Q0
↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
对应输出 1 0 0 0 X Q7 IO7 IO6 IO5 IO4 IO3 IO2 IO1 IO0 Q0
↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
SL D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 SR
左移输出 1 0 1 0 Q7 IO7 IO6 IO5 IO4 IO3 IO2 IO1 IO0 Q0
↖ ↖ ↖ ↖ ↖ ↖ ↖ ↖ ↖
SL D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 SR
右移输出 1 1 0 0 Q7 IO7 IO6 IO5 IO4 IO3 IO2 IO1 IO0 Q0
↗ ↗ ↗ ↗ ↗ ↗ ↗ ↗ ↗
SL D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 SR
置数 1 1 1 X SL IO7 IO6 IO5 IO4 IO3 IO2 IO1 IO0 SR
↖↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑↗
Q7 IO7 IO6 IO5 IO4 IO3 IO2 IO1 IO0 Q0
说明 I07,IO6,UI5,IO4,IO3,IO2,IO1,IO0:数据输出/输入端
D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0:芯片内寄存器
Q7:高位左移输出端 Q0:低位右移输出段
SL:高位右移输入端 SR:低位右移输入端
:脉冲上升沿 ↖↑↗:数据移动方向
1:高电平 0:低电平
X:为任意状态

四、实验接线

1、J20,J21,J22接上短路片；
2、J24,J25,J26接左边；
3、J27,J28右边；
4、J23置右边T4选“SD”；
5、JA5置“接通”；
6、JA6置“手动”；
7、JA3,JA4置“接通”；
8、JA1，JA2置“高阻”；
9、JA8置上面“微地址”；
10、EXJ1接BUS3；
11、开关CE、ALU_B置“1”；
12、299B置“0”。

五、实验数据
输入数据 299B S1 S0 M 输出结果 理论功能 CY
00110101 0 0 0 1 00110101 保持 0
0 0 0 0 00110101 保持 0
0 1 0 0 10011010 循环右移 0
0 1 0 1 01001101 带进位循环右移 1
0 0 1 0 10011010 循环左移 0
0 0 1 1 00110100 带进位循环左移 1
任意 1 1 任意 11111111 装数 0

35的运算
用移位和算数加实现算数乘操作时，分析35二进制为0000001100000101，因为5的二进制只有第一位和第三位为1，所以只需要运算000000112^0+00000011*22即可。那么在DR1存入3的二进制，将左移两位的结果存入DR2，再进行加法运算，得到00001111，如图。

六、结果分析
实验结果与理论值一致，说明实验操作正确，实验结果准确。

七、实验心得
CY起到了寄存的作用，每次进位其实就是将数寄存到了CY中；在进行算数乘的时候，移位相加是核心思想。

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实验四：存储器实验

一、实验目的
掌握静态随机存取存储器RAM工作特性及数据的读写办法。

二、实验设备
地址寄存器74LS273（U37），三态门74LS245(U33)，计算机系统实验仪DYCC-C9JH等。

三、实验原理
主存储器单元电器主要用于存放实验机的机器指令，它的数据总线挂在外部数据总线EXD0_{EXD7上；它的地址总线由地址寄存器单元电路中的地址寄存器74LS273（U37）给出，地址值由8个LED灯LAD0}LAD7显示，高电平亮，低电平灭；在手动方式先，输入数据总线EXD0_{EXD7，实验时将外部数据总线EXD0}EXD7用8芯排线连到内部数据总线BUSD0~BUSD7，分时给出地址和数据。它的读信号直接接地；它的写信号和片选信号由写入方式确定。该存储器中机器指令的读写分手动和自动两种方式。手动方式下，写信号由W/R提供，片选信号由CE提供；自动方式下，写信号由控制CPU的P1.2提供，片选信号由控制CPU的P1.1提供。
由于地址寄存器为8位，故接入6264的地址为A0_{A7，而高4位A8}A12接地，所以其实际使用容量为256字节。6264有四个控制线：CS1第一片选线、CS2第二片选线、OE读线、WE写线。CS1片选线由CE控制、OE读线直接接地、WE写线由W/R控制、CS2直接接+5V。
手动方式实验时，跳线器LDAR拨在左边，脉冲信号T3由实验机上时序电路模块TS3提供，实验时只需将J22跳线器连上即可，T3的脉冲宽度可调。

四、实验接线
1、J20,J21,J22接上短路片；
2、J23,J24,J25,J26接左边；
3、J27,J28右边；
4、JA5置“接通”；
5、JA6置“手动”；
6、JA1,JA2,JA3,JA4置“高阻”；
7、JA8置上面“微地址”；
8、EXJ1接BUS3。

五、实验数据

存储地址	写入数据	读数据
00010001	00000000	00000000
00100010	00001000	00001000
00110011	00010000	00010000

六、结果分析

对应地址读出数据与存入数据一致，说明实验操作正确，实验结果准确。

七、实验心得
实验仪要仔细核对接线和开关状态，每个实验的接线有所不同。

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实验六：微控制器实验

一、实验目的
1.掌握时序信号发生电路组成原理。
2.掌握微程序控制器的设计思路和组成原理。
3.掌握微程序的编制、写入、观察微程序的运行。
二、实验原理
实验所用的时序电路可产生4个等间隔的时序信号TS1～TS4，其中SP为时钟信号，由实验机上时钟源提供，可产生频率及脉宽可调的方波信号。学生可根据实验要求自行选择方波信号的频率及脉宽。为了便于控制程序的运行，时序电路发生器设计了一个启停控制触发器UN1B，使TS1～TS4信号输出可控。“运行方式”、“运行控制”、“启动运行”三个信号分别是来自实验机上三个开关。当“运行控制”开关置为“运行”，“运行方式”开关置为“连续”时，一旦按下“启动运行”开关，运行触发器UN1B的输出QT一直处于“1”状态，因此时序信号TS1～TS4将周而复始地发送出去；当“运行控制”开关置为“运行”，“运行方式”开关置为“单步”时，一旦按下“启动运行”开关，机器便处于单步运行状态，即此时只发送一个CPU周期的时序信号就停机。利用单步方式，每次只运行一条微指令，停机后可以观察微指令的代码和当前微指令的执行结果。另外，当实验机连续运行时，如果“运行方式”开关置“单步”位置，也会使实验机停机。

微程序控制电路：
微程序控制器，其中控制存储器采用3片E2PROM 2816芯片，具有掉电保护功能，微命令寄存器18位，用两片8D触发器74LS273（U23、U24）和一片4D触发器74LS175（U27）组成。微地址寄存器6位，用三片正沿触发的双D触发器74LS74（U14～U16）组成，它们带有清“0”端和预置端。在不进行判别测试的情况下，T2时刻打入微地址寄存器的内容即为下一条微指令地址。当T4时刻进行测试判别时，转移逻辑满足条件后输出的负脉冲通过强置端将某一触发器置为“1”状态，完成地址修改。
在本实验电路中设有一个编程开关，它具有三种状态：写入、读出、运行。当处于“写”状态时，学生可根据微地址和微指令格式将微指令二进制代码写入到控制存储器2816中。当处于“读”时，可以对写入控制存储器中的二进制代码进行验证，从而可判断写入的二进制代码是否正确。当处于“运行”状态时，只要给出微程序的入口微地址，则可根据微程序流程图自动执行微程序。图中微地址寄存器输出端增加了一组三态门（U12），目的是隔离触发器的输出，增加抗干扰能力，并用来驱动微地址显示灯。
微指令格式：

机器指令的微程序设计，设计如下五条机器指令：
外设输入指令：IN
二进制加法指令：ADD [ADDR]
存数指令： STA [ADDR]
输出到外设指令：OUT [ADDR]
无条件转移指令：JMP [ADDR]

三、实验接线
1.J20，J21，J22，ZI2接上短路片；
2.JJ23，J24，J25，J26接左边；
3.J27,J28 右边；
4.J29不接；
5.JA1，JA2，JA3，JA4置“高阻”；
6.JA5置“接通”；
7.JA8置“微程序”；
8.JA6 置“微控”。

六、实验心得
本实验较为复杂，实验过程中要求掌握微程序的编制、写入，观察微程序的运行，学习基本指令的执行流程。实验前期学习时序信号发生电路组成原理会花费较多时间。