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
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。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。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。