有公司如何制作网站,企业管理系统项目源码,自适应网站建设需要注意什么,网上找工程平台有哪些#x1f308;个人主页#xff1a;Sarapines Programmer#x1f525; 系列专栏#xff1a;《机组 | 模块单元实验》⏰诗赋清音#xff1a;云生高巅梦远游#xff0c; 星光点缀碧海愁。 山川深邃情难晤#xff0c; 剑气凌云志自修。 目录
一、实验目的
二、实验要求
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个人主页Sarapines Programmer 系列专栏《机组 | 模块单元实验》⏰诗赋清音云生高巅梦远游 星光点缀碧海愁。 山川深邃情难晤 剑气凌云志自修。 目录
一、实验目的
二、实验要求
三、实验说明
四、实验步骤
实验一 不带进位位逻辑或运算实验
实验二 不带进位位加法运算实验
实验三 带进位的加法运算实验
实验四 数据输入通用寄存器
实验五 寄存器内容无进位位左移实验
实验六 寄存器内容无进位位右移实验
实验七 32位ALU实验
实验八 32位寄存器实验
实验九 32位寄存器组实验
实验十 32位程序计数器 PC实验
实验十一 中断控制实验
总结 一、实验目的
1、掌握运算器的数据传输方式。
2、掌握74LS181的功能和应用。
3、学习并掌握利用FPGA器件通过原理图进行算术逻辑单元的设计。
二、实验要求
1、完成32位不带进位位算术、逻辑运算实验。按照实验步骤完成实验项目了解算术逻辑运算单元的运行过程。
2、通过原理图配置EP2C5的内部电路结构使其替代分离的算术逻辑运算单元的设计。
三、实验说明
1、ALU单元实验构成
(1)运算器由8片74LS181构成32位字长的ALU单元。
(2)8片74LS374作为数据锁存器8片74LS244作为数据驱动器8个8芯插座作为数据输入端可通过长8芯扁平电缆把数据输入端连接到二进制开关上。
运算器的数据输出由4片74LS244输出缓冲器来控制4个8芯插座作为数据输出端由开关控制显示32位输出结果。可通过8芯扁平电缆线把数据输出端连接到微指令LED灯上。
2、ALU单元的工作原理
CLK有上升沿时把来自数据总线的两路32位数据打入输入锁存器。
算术逻辑运算单元的核心是由8片74LS181组成它可以进行2个32位二进制数的算术逻辑运算74LS181的各种工作方式可通过设置其控制信号来实现S0、S1、S2、S3、M、CN。当实验者正确设置了74LS181的各个控制信号74LS181会运算数据锁存器DR1(对应通道1数据)、DR2对应通道2的数据内的数据。由于DR1、DR2已经把数据锁存只要74LS181的控制信号不变那么74LS181的输出数据也不会发生改变。
输出缓冲器采用4片74LS244当控制信号ALU-O为低电平时两片74LS244导通把74LS181的运算低位结果输出到数据总线并在微指令单元LED上显示。
3、控制信号说明 信号名称 作 用 有效电平 CLK 寄存器工作脉冲 上升沿有效 S0~S3 74LS181工作方式选择 见附表 M 选择逻辑或算术运算 高电平为逻辑运算,低电平为算术运算 CN 有无进位输入 高电平有效 CLK 进位寄存器的工作脉冲 上升沿有效 ALU-OUT 74LS181计算结果16位输出至总线 低电平有效
四、实验步骤
实验一 不带进位位逻辑或运算实验
将右板中间的计算机组成原理连线板拔下换成8位/16位/32位计算机组成原理与系统结构 扩展板。 把IO18芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J2插座相连(对应二进制开关S9~S16)把IO28芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J4插座相连(对应二进制开关S17~S24)把IO98芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J5插座相连(对应二进制开关S25~S32)把IO108芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J10插座相连(对应二进制开关S40~S47)。S9~S16S17~S24S25~S32S40~S47为32位数据输入通道1。
把IO58芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J3插座相连(对应二进制开关S1~S8)把IO68芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J13插座相连(对应二进制开关S33~S48)把IO138芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J14插座相连(对应二进制开关S49~S56)把IO148芯的盒型插座FPGA扩展实验区与母板上的二进制开关单元中J01插座相连(对应二进制开关H16~H23)。S1~S8S33~S48S49~S56H16~H23为32位数据输入通道2。
把IO78芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的J3插座相连(对应LED灯L17-L24)把IO88芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上J11插座相连(对应LED灯L42-L57)把IO158芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的J12插座相连(对应LED灯L58-L65)把IO168芯的盒型插座FPGA扩展实验区与母板上微指令单元M04插座相连(对应微指令LED灯L1-L8)扩展板上L17-L24L42-L57L58-L65及母板上L1-L16为32位数据输出。
把IO188CLK用连线连到脉冲单元的PLS1上作为输入寄存器控制时钟信号。
把IO191ALU-O用连线连到二进制单元的H6上作为输出允许控制信号。
把IO193S3, IO197S2, IO168S1, IO164S0用连线分别连到二进制单元的H5H4H3H2上用于控制74LS181的工作方式。
把IO162M用连线连到二进制单元的H1上用于控制74LS181的算术运算还是逻辑运算。
把IO160CN用连线连到二进制单元的H0上用于控制74LS181的带进位还是不带进位。 FPGA扩展板接口 左侧板接口 I01输入A[31:24]位 J2扩展板二进制开关S9-S16 I02输入A[23:16]位 J4扩展板二进制开关S17-S24 IO9输入A[15:8]位 J5扩展板二进制开关S25-S32 IO10输入A[7:0]位 J10扩展板二进制开关S40-S47 I05输入B[31:24]位 J1扩展板二进制开关S1-S8 I06输入B[23:16]位 J13扩展板二进制开关S33-S48 IO13输入B[15:8]位 J14扩展板二进制开关S49-S56 IO14输入B[7:0]位 J01母板二进制开关H16-H23 I07输出[31:24]位 J3扩展板L17-L24 I08输出[23:16]位 J11扩展板L42-L57 IO15输出[15:8]位 J12扩展板L58-L65 IO16输出[7:0]位 M04母板L1-L8 IO188输入寄存器时钟CLK 时序单元PLS1 IO191输出使能ALU-O 母板二进制开关H6 IO193S3, IO197S2, IO168S1, IO164S0 母板二进制开关H5H4H3H2 IO162工作模式选择M 母板二进制开关H1 IO160进位模式选择CN 母板二进制开关H0
把ALTERA下载器一端连到微机的并口一端连接到FPGA扩展区的JTAG口打开实验系统电源把计算机组成原理32位\实验1 不带进位位逻辑或运算\alu32文件夹中的alu32.sof程序下载到FPGA。
二进制开关作为数据输入通道1置33333333H对应开关如下表。 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 数据总线值 A31 A30 A29 A28 A27 A26 A25 A24 A[31:24]位数据 0 0 1 1 0 0 1 1 33H S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24 数据总线值 A23 A22 A21 A20 A19 A18 A17 A16 A[23:16]位数据 0 0 1 1 0 0 1 1 33H S25 S26 S27 S28 S29 S30 S31 S32 数据总线值 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A[15:8]位数据 0 0 1 1 0 0 1 1 33H S40 S41 S42 S43 S44 S45 S46 S47 数据总线值 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 A[7:0]位数据 0 0 1 1 0 0 1 1 33H
二进制开关作为数据输入通道2置55555555H对应开关如下表。 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 数据总线值 B31 B30 B29 B28 B27 B26 B25 B24 B[31:24]位数据 0 1 0 1 0 1 0 1 55H S33 S34 S35 S36 S37 S38 S39 S48 数据总线值 B23 B22 B21 B20 B19 B18 B17 B16 B[23:16]位数据 0 1 0 1 0 1 0 1 55H S49 S50 S51 S52 S53 S54 S55 S56 数据总线值 B15 B14 B13 B12 B11 B10 B9 B8 B[15:8]位数据 0 1 0 1 0 1 0 1 55H H23 H22 H21 H20 H19 H18 H17 H16 数据总线值 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 B[7:0]位数据 0 1 0 1 0 1 0 1 55H 置各控制信号如下 H6 H5 H4 H3 H2 H1 H0 ALU-0 S3 S2 S1 S0 M CN 0 1 1 1 0 1 0
按脉冲单元中的PLS1脉冲按键在CLK上产生一个上升沿把33333333H以及55555555H打入输入数据锁存器。
经过74LS181的计算把运算结果FA或B输出到数据总线上数据总线上的LED灯显示灯显示77777777H。
实验二 不带进位位加法运算实验
将右板中间的计算机组成原理连线板拔下换成8位/16位/32位计算机组成原理与系统结构 扩展板。
把IO18芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J2插座相连(对应二进制开关S9~S16)把IO28芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J4插座相连(对应二进制开关S17~S24)把IO98芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J5插座相连(对应二进制开关S25~S32)把IO108芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J10插座相连(对应二进制开关S40~S47)。S9~S16S17~S24S25~S32S40~S47为32位数据输入通道1。
把IO58芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J1插座相连(对应二进制开关S1~S8)把IO68芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J13插座相连(对应二进制开关S33~S48)把IO138芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J14插座相连(对应二进制开关S49~S56)把IO148芯的盒型插座FPGA扩展实验区与母板上的二进制开关单元中J01插座相连(对应二进制开关H16~H23)。S1~S8S33~S48S49~S56H16~H23为32位数据输入通道2。
把IO78芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的J3插座相连(对应LED灯L17-L24)把IO88芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上J11插座相连(对应LED灯L42-L57)把IO158芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的J12插座相连(对应LED灯L58-L65)把IO168芯的盒型插座FPGA扩展实验区与母板上微指令单元M04插座相连(对应微指令LED灯L1-L8)扩展板上L17-L24L42-L57L58-L65及母板上L1-L16为32位数据输出。
把IO188CLK用连线连到脉冲单元的PLS1上作为输入寄存器控制时钟信号。
把IO191ALU-O用连线连到二进制单元的H6上作为输出允许控制信号。
把IO193S3, IO197S2, IO168S1, IO164S0用连线分别连到二进制单元的H5H4H3H2上用于控制74LS181的工作方式。
把IO162M用连线连到二进制单元的H1上用于控制74LS181的算术运算还是逻辑运算。
把IO160CN用连线连到二进制单元的H0上用于控制74LS181的带进位还是不带进位。
把ALTERA下载器一端连到微机的并口一端连接到FPGA扩展区的JTAG口打开实验系统电源把计算机组成原理32位\实验2 不带进位加法运算\alu32文件夹中的alu32.sof程序下载到FPGA。
二进制开关作为数据输入通道1置33333333H对应开关如下表。 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 数据总线值 A31 A30 A29 A28 A27 A26 A25 A24 A[31:24]位数据 0 0 1 1 0 0 1 1 33H S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24 数据总线值 A23 A22 A21 A20 A19 A18 A17 A16 A[23:16]位数据 0 0 1 1 0 0 1 1 33H S25 S26 S27 S28 S29 S30 S31 S32 数据总线值 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A[15:8]位数据 0 0 1 1 0 0 1 1 33H S40 S41 S42 S43 S44 S45 S46 S47 数据总线值 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 A[7:0]位数据 0 0 1 1 0 0 1 1 33H
二进制开关作为数据输入通道2置55555555H对应开关如下表。 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 数据总线值 B31 B30 B29 B28 B27 B26 B25 B24 B[31:24]位数据 0 1 0 1 0 1 0 1 55H S33 S34 S35 S36 S37 S38 S39 S48 数据总线值 B23 B22 B21 B20 B19 B18 B17 B16 B[23:16]位数据 0 1 0 1 0 1 0 1 55H S49 S50 S51 S52 S53 S54 S55 S56 数据总线值 B15 B14 B13 B12 B11 B10 B9 B8 B[15:8]位数据 0 1 0 1 0 1 0 1 55H H23 H22 H21 H20 H19 H18 H17 H16 数据总线值 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 B[7:0]位数据 0 1 0 1 0 1 0 1 55H
置各控制信号如下 H6 H5 H4 H3 H2 H1 H0 ALU-0 S3 S2 S1 S0 M CN 0 1 0 0 1 0 1
按脉冲单元中的PLS1脉冲按键在CLK上产生一个上升沿把33333333H及55555555H打入输入数据锁存器。
经过74LS181的计算把运算结果FAB输出到数据总线上数据总线上的LED显示灯应该显示88888888H。
附74LS181的逻辑改变程序可设置不同的工作方式 方式 M1逻辑运算 M0算术运算 S3 S2 S1 S0 逻辑运算 CN1无进位 CN0有进位 0000 F/A FA FA加1 0001 F/(AB) FAB FAB加1 0010 F/A B FA/B FA/B加1 0011 F0 F减12的补 F0 0100 F/AB FA加A/B FA加A/B加1 0101 F/B F(AB)加A/B F(AB)加A/B加1 0110 FA⊕B FA减B减1 FA减B 0111 FA /B FA/B减1 FA/B 1000 F/AB FA 加AB FA 加AB加 1 1001 F /A⊕B FA加B FA加B加1 1010 FB F(A/B)加AB F(A/B)加AB加1 1011 FAB FAB减1 FAB 1100 F1 FA加 A FA加 A 加1 1101 FA/B F(AB) 加 A F(AB) 加 A 加1 1110 FAB F(A/B)加A F(A/B)加A加1 1111 FA FA减1 FA
实验三 带进位的加法运算实验
进位电路与通用寄存器、ALU有着非常紧密的关系算术逻辑单元的进位输出和通用寄存器带进位移动都会影响进位寄存器中的结果。
若实验者在做算术逻辑实验时选择了算术运算方式当ALU的计算结果输出至总线时在CCK上来一个上升沿将把74LS181的进位输出位Cn4上的值为了统一进位标识1表示有进位0表示无进位打入进位寄存器中并且有进位时LED(CY)发光。 FPGA扩展板接口 左侧板接口 I01输入A[31:24]位 J2扩展板二进制开关S9-S16 I02输入A[23:16]位 J4扩展板二进制开关S17-S24 IO9输入A[15:8]位 J5扩展板二进制开关S25-S32 IO10输入A[7:0]位 J10扩展板二进制开关S40-S47 I05输入B[31:24]位 J1扩展板二进制开关S1-S8 I06输入B[23:16]位 J13扩展板二进制开关S33-S48 IO13输入B[15:8]位 J14扩展板二进制开关S49-S56 IO14输入B[7:0]位 J01母板二进制开关H16-H23 I07输出[31:24]位 J3扩展板L17-L24 I08输出[23:16]位 J11扩展板L42-L57 IO15输出[15:8]位 J12扩展板L58-L65 IO16输出[7:0]位 M04母板L1-L8 IO188输入寄存器时钟CLK 时序单元PLS1 IO191输出使能ALU-O 母板二进制开关H6 IO193S3, IO197S2, IO168S1, IO164S0 母板二进制开关H5H4H3H2 IO162工作模式选择M 母板二进制开关H1 IO160进位模式选择CN 母板二进制开关H0
31 控制信号说明 信号名称 作 用 有效电平 CLK 输入寄存器工作脉冲 上升沿有效 S0~S3 74LS181工作方式选择 见附表 M 选择逻辑或算术运算 低电平为逻辑运算,高电平为算术运算 CN 有无进位输入 高电平有效 ALU-OUT 74LS181计算结果16位输出至总线 低电平有效 3.2实验步骤
将右板中间的计算机组成原理连线板拔下换成8位/16位/32位计算机组成原理与系统结构 扩展板。
把IO18芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J2插座相连(对应二进制开关S9~S16)把IO28芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J4插座相连(对应二进制开关S17~S24)把IO98芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J5插座相连(对应二进制开关S25~S32)把IO108芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J10插座相连(对应二进制开关S40~S47)。S9~S16S17~S24S25~S32S40~S47为32位数据输入通道1。
把IO58芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J1插座相连(对应二进制开关S1~S8)把IO68芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J13插座相连(对应二进制开关S33~S48)把IO138芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J14插座相连(对应二进制开关S49~S56)把IO148芯的盒型插座FPGA扩展实验区与母板上的二进制开关单元中J01插座相连(对应二进制开关H16~H23)。S1~S8S33~S48S49~S56H16~H23为32位数据输入通道2。
把IO78芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的J3插座相连(对应LED灯L17-L24)把IO88芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上J11插座相连(对应LED灯L42-L57)把IO158芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的J12插座相连(对应LED灯L58-L65)把IO168芯的盒型插座FPGA扩展实验区与母板上微指令单元M04插座相连(对应微指令LED灯L1-L8)扩展板上L17-L24L42-L57L58-L65及母板上L1-L16为32位数据输出。
把IO188CLK用连线连到脉冲单元的PLS1上作为输入寄存器控制时钟信号。
把IO191ALU-O用连线连到二进制单元的H6上作为输出允许控制信号。
把IO193S3, IO197S2, IO168S1, IO164S0用连线分别连到二进制单元的H5H4H3H2上用于控制74LS181的工作方式。
把IO163M用连线连到二进制单元的H1上用于控制74LS181的算术运算还是逻辑运算。
把IO162CN用连线连到二进制单元的H0上用于控制74LS181的带进位还是不带进位。
把IO161CCK用连线连到连到脉冲单元的PLS4上。
把IO160CY用连线连到母板微指令单元M15上作为进位输出指示。 FPGA扩展板接口 左侧板接口 I01输入A[31:24]位 J2扩展板二进制开关S9-S16 I02输入A[23:16]位 J4扩展板二进制开关S17-S24 IO9输入A[15:8]位 J5扩展板二进制开关S25-S32 IO10输入A[7:0]位 J10扩展板二进制开关S40-S47 I05输入B[31:24]位 J1扩展板二进制开关S1-S8 I06输入B[23:16]位 J13扩展板二进制开关S33-S48 IO13输入B[15:8]位 J14扩展板二进制开关S49-S56 IO14输入B[7:0]位 J01母板二进制开关H16-H23 I07输出[31:24]位 J3扩展板L17-L24 I08输出[23:16]位 J11扩展板L42-L57 IO15输出[15:8]位 J12扩展板L58-L65 IO16输出[7:0]位 M04母板L1-L8 IO188输入寄存器时钟CLK 时序单元PLS1 IO191输出使能ALU-O 母板二进制开关H6 IO193S3, IO197S2, IO168S1, IO164S0 母板二进制开关H5H4H3H2 IO163工作模式选择M 母板二进制开关H1 IO162进位模式选择CN 母板二进制开关H0 IO161CCK 时序单元PLS4 IO160进拉输出CY 微指令单元M15
将右板中间的计算机组成原理连线板拔下把ALTERA下载器一端连到微机的并口一端连接到FPGA扩展区的JTAG口打开实验系统电源把计算机组成原理32位\实验3 带进位位的加法运算\alu32文件夹中的alu32.sof程序下载到FPGA。
二进制开关作为数据输入通道1置65656565H对应开关如下表。 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 数据总线值 A31 A30 A29 A28 A27 A26 A25 A24 A[31:24]位数据 0 1 1 0 0 1 0 1 65H S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24 数据总线值 A23 A22 A21 A20 A19 A18 A17 A16 A[23:16]位数据 0 1 1 0 0 1 0 1 65H S25 S26 S27 S28 S29 S30 S31 S32 数据总线值 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A[15:8]位数据 0 1 1 0 0 1 0 1 65H S40 S41 S42 S43 S44 S45 S46 S47 数据总线值 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 A[7:0]位数据 0 1 1 0 0 1 0 1 65H
二进制开关作为数据输入通道2置A7A7A7A7H对应开关如下表。 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 数据总线值 B31 B30 B29 B28 B27 B26 B25 B24 B[31:24]位数据 1 0 1 0 0 1 1 1 A7H S33 S34 S35 S36 S37 S38 S39 S48 数据总线值 B23 B22 B21 B20 B19 B18 B17 B16 B[23:16]位数据 1 0 1 0 0 1 1 1 A7H S49 S50 S51 S52 S53 S54 S55 S56 数据总线值 B15 B14 B13 B12 B11 B10 B9 B8 B[15:8]位数据 1 0 1 0 0 1 1 1 A7H H23 H22 H21 H20 H19 H18 H17 H16 数据总线值 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 B[7:0]位数据 1 0 1 0 0 1 1 1 A7H
置各控制信号如下 H6 H5 H4 H3 H2 H1 H0 ALU-0 S3 S2 S1 S0 M CN 0 1 0 0 1 0 1
按脉冲单元中的PLS1脉冲按键在CLK上产生一个上升沿的脉冲把65656565H及A7A7A7A7H打入输入数据锁存器。
按脉冲单元中的PLS4脉冲按键在CCK上产生一个上升沿把74LS181的进位打入进位寄存器中在有进位的情况下CY指示灯M15亮并且数据总线上的LED显示灯应该显示0D0D0D0CH。 实验四 数据输入通用寄存器
一、实验目的
了解通用32位寄存器的组成和硬件电路利用通用寄存器实现数据的置数、左移、右移等功能。
二、实验要求
按照实验步骤完成实验项目 实现通用寄存器移位操作。了解通用寄存器单元的工作原理运用。
三、实验说明
1、寄存器实验构成
通用寄存器由4片74LS198构成32位字长的寄存器单元。四个8芯插座作为数据输入端可通过8芯数据电缆把数据输入端连接到二进制开关总线上。
数据输出由4片74LS244输出缓冲器来控制。用32个FPGA IO作为数据输出端通过32根数据线连接到微指令的LED灯上。
2、通用寄存器单元的工作原理
通用寄存器单元的核心部件为4片74LS198它具有锁存、左移、右移、保存等功能。各个功能都由X1、X2信号和工作脉冲CLK来决定。X01、X11CLK有上升沿时把总线上的数据打入通用寄存器。可通过设置X0、X1来指定通用寄存器工作方式。
输出缓冲器采用74LS244把通用寄存器内容输出到总线。
3、控制信号说明 信号名称 作 用 有效电平 CLK 通用寄存器工作脉冲 上升沿有效
四、实验步骤
将右板中间的计算机组成原理连线板拔下换成8位/16位/32位计算机组成原理与系统结构 扩展板。
把IO18芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J2插座相连(对应二进制开关S9~S16)把IO28芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J4插座相连(对应二进制开关S17~S24)把IO98芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J5插座相连(对应二进制开关S25~S32)把IO108芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J10插座相连(对应二进制开关S40~S47)。S9~S16S17~S24S25~S32S40~S47为32位数据输入。
把IO78芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的J3插座相连(对应LED灯L17-L24)把IO88芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上J11插座相连(对应LED灯L42-L57)把IO138芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的J12插座相连(对应LED灯L58-L65)把IO168芯的盒型插座FPGA扩展实验区与母板上微指令单元M04插座相连(对应微指令LED灯L1-L8)扩展板上L17-L24L42-L57L58-L65及母板上L1-L16为32位数据输出。 将FPGA扩展板接口IO188用数据线与左板二进制开关单元PLS1连接对应74LS198CLK时钟控制信号。
将FPGA扩展板接口IO193用数据线与扩展板H57连接。
本实验增加了数码管显示输入输出寄存器功能若要数码管与二进制LED灯同时显示请进行如下连接
将将FPGA扩展板接口IO5与扩展板J9相连IO6与J6相连IO13与J7相连IO14与J8相连。
实验连线表如下 FPGA扩展板接口 左侧板接口 I01输入A[31:24]位 J2扩展板二进制开关S9-S16 I02输入A[23:16]位 J4扩展板二进制开关S17-S24 IO9输入A[15:8]位 J5扩展板二进制开关S25-S32 IO10输入A[7:0]位 J10扩展板二进制开关S40-S47 I07输出[31:24]位 J3扩展板L17-L24 I08输出[23:16]位 J11扩展板L42-L57 IO15输出[15:8]位 J12扩展板L58-L65 IO16输出[7:0]位 M04母板L1-L8 IO5输入数码管数据 J9 IO6输出数码管扫描选通 J6 IO13输出数码管数据 J7 IO14输入数码管扫描选通 J8 IO188输入寄存器时钟CLK 时序单元PLS1 IO193数码管复位 H57
把ALTERA下载器一端连到微机的并口一端连接到FPGA扩展区的JTAG口打开实验系统电源把计算机组成原理32位\实验4 数据输入通用寄存器文件夹中的regist32.sof程序下载到CPLD。
二进制开关作为数据输入通道置42424242H对应开关如下表。 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 数据总线值 A31 A30 A29 A28 A27 A26 A25 A24 A[31:24]位数据 0 1 0 0 0 0 1 0 42H S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24 数据总线值 A23 A22 A21 A20 A19 A18 A17 A16 A[23:16]位数据 0 1 0 0 0 0 1 0 42H S25 S26 S27 S28 S29 S30 S31 S32 数据总线值 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A[15:8]位数据 0 1 0 0 0 0 1 0 42H S40 S41 S42 S43 S44 S45 S46 S47 数据总线值 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 A[7:0]位数据 0 1 0 0 0 0 1 0 42H
按脉冲单元中的PLS1脉冲按键在CLK上产生一个上升沿把42424242H打入通用寄存器此时微指令总线上的指示灯应该显示为42424242H。
实验五 寄存器内容无进位位左移实验
一、通用寄存器单元的工作原理
通用寄存器单元的核心部件为4片74LS198它具有锁存、左移、右移、保存等功能。各个功能都由X1、X2信号和工作脉冲CLK来决定。X01、X11CLK有上升沿时把总线上的数据打入通用寄存器。可通过设置X0、X1来指定通用寄存器工作方式。
输出缓冲器采用74LS244把通用寄存器内容输出到总线。
把IO78芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的J3插座相连(对应LED灯L17-L24)把IO88芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上J11插座相连(对应LED灯L42-L57)把IO158芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的J12插座相连(对应LED灯L58-L65)把IO168芯的盒型插座FPGA扩展实验区与母板上微指令单元M04插座相连(对应微指令LED灯L1-L8)扩展板上L17-L24L42-L57L58-L65及母板上L1-L16为32位数据输出。
将FPGA扩展板接口IO188用数据线与右板二进制开关单元PLS1连接对应74LS198CLK时钟控制信号。
将FPGA扩展板接口IO191用数据线与右板二进制开关单元H3连接对应74LS198输出控制信号。
将FPGA扩展板接口IO193用数据线与右板二进制开关单元H2连接对应74LS198X1控制信号。
将FPGA扩展板接口IO197用数据线与右板二进制开关单元H1连接对应74LS198X0控制信号。 将FPGA扩展板接口IO160用数据线与左板二进制开关单元H0连接对应74LS198CLR清0控制信号。
将FPGA扩展板接口IO162用数据线与H57连接对应74LS198CLK时钟控制信号。
实验连线表如下 FPGA扩展板接口 左侧板接口 I01输入[31:24]位 J2扩展板二进制开关S9-S16 I02输入[23:16]位 J4扩展板二进制开关S17-S24 IO9输入[15:8]位 J5扩展板二进制开关S25-S32 IO10输入[7:0]位 J10扩展板二进制开关S40-S47 I07输出[31:24]位 J3扩展板L17-L24 I08输出[23:16]位 J11扩展板L42-L57 IO15输出[15:8]位 J12扩展板L58-L65 IO16输出[7:0]位 M04母板L1-L8 I0188寄存器工作脉冲 时序单元PLS1 I0191OUT H3二进制开关 I0193X1 H2二进制开关 I0197X0 H1二进制开关 I0160CLR H0二进制开关 IO162nRST H57
把ALTERA下载器一端连到微机的并口一端连接到FPGA扩展区的JTAG口打开实验系统电源把计算机组成原理32位\实验5 寄存器内容无进位位左移文件夹中的regist32.sof程序下载到FPGA。
二进制开关作为数据输入通道置42424242H对应开关如下表。 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 数据总线值 A31 A30 A29 A28 A27 A26 A25 A24 A[31:24]位数据 0 1 0 0 0 0 1 0 42H S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24 数据总线值 A23 A22 A21 A20 A19 A18 A17 A16 A[23:16]位数据 0 1 0 0 0 0 1 0 42H S25 S26 S27 S28 S29 S30 S31 S32 数据总线值 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A[15:8]位数据 0 1 0 0 0 0 1 0 42H S40 S41 S42 S43 S44 S45 S46 S47 数据总线值 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 A[7:0]位数据 0 1 0 0 0 0 1 0 42H
置各控制信号如下 H3 H2 H1 H0 OUT X1 X0 CLREN 0 1 1 1
按脉冲单元中的PLS1脉冲按键在CLK上产生一个上升沿把42424242H打入通用寄存器此时微指令总线上的指示灯应该显示为42424242H
再改变各控制信号如下 H3 H2 H1 H0 OUT X1 X0 CLREN 0 0 1 1
按脉冲单元中的PLS1脉冲按键此时总线上的LED指示灯应该显示84848484H。
再按脉冲单元中的PLS1脉冲按键使通用寄存器中的值左移此时总线上的LED指示灯应该显示为09090909H。若一直按PLS1在总线上将看见数据循环左移的现象。
实验六 寄存器内容无进位位右移实验
一、通用寄存器单元的工作原理
通用寄存器单元的核心部件为4片74LS198它具有锁存、左移、右移、保存等功能。各个功能都由X1、X2信号和工作脉冲CLK来决定。X01、X11CLK有上升沿时把总线上的数据打入通用寄存器。可通过设置X0、X1来指定通用寄存器工作方式。
输出缓冲器采用74LS244把通用寄存器内容输出到总线。 控制信号说明 信号名称 作 用 有效电平 X0、X1 通用寄存器的工作模式 见附表 OUT 16位输出控制信号 低电平 CLK 通用寄存器工作脉冲 上升延有效
二、实验步骤
将右板中间的计算机组成原理连线板拔下换成8位/16位/32位计算机组成原理与系统结构 扩展板。
把IO18芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J2插座相连(对应二进制开关S9~S16)把IO28芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J4插座相连(对应二进制开关S17~S24)把IO98芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J5插座相连(对应二进制开关S25~S32)把IO108芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J10插座相连(对应二进制开关S40~S47)。S9~S16S17~S24S25~S32S40~S47为32位数据输入。
把IO78芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的J3插座相连(对应LED灯L17-L24)把IO88芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上J11插座相连(对应LED灯L42-L57)把IO158芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的J12插座相连(对应LED灯L58-L65)把IO168芯的盒型插座FPGA扩展实验区与母板上微指令单元M04插座相连(对应微指令LED灯L1-L8)扩展板上L17-L24L42-L57L58-L65及母板上L1-L16为32位数据输出。
将FPGA扩展板接口IO188用数据线与右板二进制开关单元PLS1连接对应74LS198CLK时钟控制信号。
将FPGA扩展板接口IO191用数据线与右板二进制开关单元H3连接对应74LS198输出控制信号。
将FPGA扩展板接口IO193用数据线与右板二进制开关单元H2连接对应74LS198X1控制信号。
将FPGA扩展板接口IO197用数据线与右板二进制开关单元H1连接对应74LS198X0控制信号。
将FPGA扩展板接口IO160用数据线与左板二进制开关单元H0连接对应74LS198CLR清0控制信号。
将FPGA扩展板接口IO162用数据线与H57连接对应74LS198CLK时钟控制信号。实验连线表如下 FPGA扩展板接口 左侧板接口 I01输入[31:24]位 J2扩展板二进制开关S9-S16 I02输入[23:16]位 J4扩展板二进制开关S17-S24 IO9输入[15:8]位 J5扩展板二进制开关S25-S32 IO10输入[7:0]位 J10扩展板二进制开关S40-S47 I07输出[31:24]位 J3扩展板L17-L24 I08输出[23:16]位 J11扩展板L42-L57 IO15输出[15:8]位 J12扩展板L58-L65 IO16输出[7:0]位 M04母板L1-L8 I0188寄存器工作脉冲 时序单元PLS1 I0191OUT H3二进制开关 I0193X1 H2二进制开关 I0197X0 H1二进制开关 I0160CLR H0二进制开关 IO162nRST H57
把ALTERA下载器一端连到微机的并口一端连接到FPGA扩展区的JTAG口打开实验系统电源把计算机组成原理32位\实验6 寄存器内容无进位位右移文件夹中的regist32.sof程序下载到FPGA。
二进制开关作为数据输入置42424242H对应开关如下表。 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16 数据总线值 A31 A30 A29 A28 A27 A26 A25 A24 A[31:24]位数据 0 1 0 0 0 0 1 0 42H S17 S18 S19 S20 S21 S22 S23 S24 数据总线值 A23 A22 A21 A20 A19 A18 A17 A16 A[23:16]位数据 0 1 0 0 0 0 1 0 42H S25 S26 S27 S28 S29 S30 S31 S32 数据总线值 A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A[15:8]位数据 0 1 0 0 0 0 1 0 42H S40 S41 S42 S43 S44 S45 S46 S47 数据总线值 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 A[7:0]位数据 0 1 0 0 0 0 1 0 42H 置各控制信号如下 H3 H2 H1 H0 OUT X1 X0 CLREN 0 1 1 1
按脉冲单元中的PLS1脉冲按键在CLK上产生一个上升沿把42424242H打入通用寄存器此时微指令总线上的指示灯应该显示为42424242H
再改变各控制信号如下 H3 H2 H1 H0 OUT X1 X0 CLREN 0 1 0 1
按脉冲单元中的PLS1脉冲按键此时总线上的LED指示灯应该显示为21212121H。
按脉冲单元中的PLS1脉冲按键使通用寄存器中的值右移此时总线上的LED指示灯应该显示为90909090H。若一直按PLS1在总线上将看见数据循环右移的现象。
附通用寄存器的逻辑
通用寄存器8位并入并出移位寄存器 CLR X1 X0 CLK SL SR QA~AH 0 X X X X X 全 0 1 X X 0 X X 保持不变 1 1 1 上升沿 X X 并行接数A~H 1 0 1 上升沿 X 0 右移 移入0 1 0 1 上升沿 X 1 右移 移入1 1 1 0 上升沿 0 X 左移 移入0 1 1 0 上升沿 1 X 左移 移入1
实验七 32位ALU实验
一、实验要求
用扩展实验板上的开关做为输入二进制开关及八段数码管做为输出。用VHDL语言编写程序下载到EP2C5Q08中实现32位模型机的ALU功能。
了解32位模型机中算术逻辑运算单元ALU的工作原理和实现方法。学习用VHDL语言描述硬件逻辑学习使用EDA开发环境。
二、实验目的
32位ALU的VHDL
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITY alu32 IS
PORT ( A : IN STD_LOGIC_VECTOR(32 DOWNTO 1); W : IN STD_LOGIC_VECTOR(32 DOWNTO 1); S0 : IN STD_LOGIC; S1 : IN STD_LOGIC; S2 : IN STD_LOGIC; D : OUT STD_LOGIC_VECTOR(32 DOWNTO 1); CIn : IN STD_LOGIC; COut : OUT STD_LOGIC
);
END alu32;
ARCHITECTURE behv OF alu32 IS
SIGNAL T: STD_LOGIC_VECTOR(33 DOWNTO 1);
BEGIN T (0 A) (0 W) WHEN S2 0 AND S1 0 AND S0 0 ELSE (0 A) - (0 W) WHEN S2 0 AND S1 0 AND S0 1 ELSE (0 A) OR (0 W) WHEN S2 0 AND S1 1 AND S0 0 ELSE (0 A) AND (0 W) WHEN S2 0 AND S1 1 AND S0 1 ELSE (0 A) (0 W) CIn WHEN S2 1 AND S1 0 AND S0 0 ELSE (0 A) - (0 W) - CIn WHEN S2 1 AND S1 0 AND S0 1 ELSE NOT (0 A) WHEN S2 1 AND S1 1 AND S0 0 ELSE (0 A); D T(32 DOWNTO 1); COut T(33);
END behv;
在上面程序中A为累加器W为工作寄存器均为32位寄存器。W的值由扩展板上J1J13J14及母板上J01对应的四组开关共32位输入显示在对应的二进制LED灯上。A的值由扩展板J2J4J5J10对应的四组二进制开关输入。S0 S1 S2为运算控制位根据S0 S1 S2 的不同ALU实现的功能参见下表。D为运算结果输出显示在扩展板J3J11J12及母板M04开关组对应的32位二进制LED上, CIn为进位输入, COut为进位输出。 S2 S1 S0 ALU实现的功能 0 0 0 运算结果为A加W 0 0 1 运算结果为A减W 0 1 0 运算结果为A逻辑或W 0 1 1 运算结果为A逻辑与W 1 0 0 运算结果为A加W加进位 1 0 1 运算结果为A减W减进位 1 1 0 运算结果为A取反 1 1 1 运算结果为A(A直接输出)
四、实验步骤
1 连线
把IO18芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J2插座相连(对应二进制开关S9~S16)把IO28芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J4插座相连(对应二进制开关S17~S24)把IO98芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J5插座相连(对应二进制开关S25~S32)把IO108芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J10插座相连(对应二进制开关S40~S47)。S9~S16S17~S24S25~S32S40~S47为32位数据输入通道1。
把IO58芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J1插座相连(对应二进制开关S1~S8)把IO68芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J13插座相连(对应二进制开关S33~S48)把IO138芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J14插座相连(对应二进制开关S49~S56)把IO148芯的盒型插座FPGA扩展实验区与母板上的二进制开关单元中J01插座相连(对应二进制开关H16~H23)。S1~S8S33~S48S49~S56H16~H23为32位数据输入通道2。
把IO78芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的J3插座相连(对应LED灯L17-L24)把IO88芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上J11插座相连(对应LED灯L42-L57)把IO158芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的J12插座相连(对应LED灯L58-L65)把IO168芯的盒型插座FPGA扩展实验区与母板上微指令单元M04插座相连(对应微指令LED灯L1-L8)扩展板上L17-L24L42-L57L58-L65及母板上L1-L16为32位数据输出。
把IO191S2用连线连到二进制单元的H7上。把IO193S1用连线连到二进制单元的H6上。把IO197S0用连线连到二进制单元的H5上。
把IO168CIn用连线连到母板二进制单元的H4上。
把IO164Cout用连线连到母板微指令单元的M7上。
实验连线表如下 FPGA扩展板接口 左侧板接口 I01输入A[31:24]位 J2扩展板二进制开关S9-S16 I02输入A[23:16]位 J4扩展板二进制开关S17-S24 IO9输入A[15:8]位 J5扩展板二进制开关S25-S32 IO10输入A[7:0]位 J10扩展板二进制开关S40-S47 I05输入W[31:24]位 J1扩展板二进制开关S1-S8 I06输入W[23:16]位 J13扩展板二进制开关S33-S48 IO13输入W[15:8]位 J14扩展板二进制开关S49-S56 IO14输入W[7:0]位 J01母板二进制开关H16-H23 I07输出D[31:24]位 J3扩展板L17-L24 I08输出D[23:16]位 J11扩展板L42-L57 IO15输出D[15:8]位 J12扩展板L58-L65 IO16输出D[7:0]位 M04母板L1-L8 IO191S2, IO193S1, IO197S0 母板二进制开关H7H6H5 IO168进位输入CIn 母板二进制开关H4 IO164进位输出COut 母板母板微指令单元M7
2充分理解alu32.VHD。了解模型机中ALU的实现原理。
3把ALTERA下载器一端连到微机的并口一端连接到FPGA扩展区的JTAG口打开实验系统电源把计算机组成原理32位\实验7 32位ALU实验文件夹中的alu32.sof程序下载到FPGA。
4拨动W对应开关量扩展板S1-S8,S33-S48,S49-S56,母板H16-H23输入W值。拨动A对应开关量扩展板S9-S32, S40-S47输入A值。拨动H7H6H5对应开关设置运算方式。拨动开关H4设置进位。观察输入A及W值观察微指令单元二进制LED指示结果(运算结果)。观察发光二极管L17是否有进位输出。
实验八 32位寄存器实验
一、实验要求
用计算机组成原理与系统结构扩展实验板上的开关做为输入发光二极光及八段数码管做为输出。用VHDL语言编写程序下载到EP2C5Q208中实现32位模型机的寄存器输入输出功能。
二、实验目的
了解32位模型机中寄存器的工作原理和实现方法。学习用VHDL语言描述硬件逻辑。学习使用EDA开发环境。
三、实验说明
32位寄存器的VHDL
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY reg32_1 IS
PORT ( D : IN STD_LOGIC_VECTOR(32 DOWNTO 1); R : OUT STD_LOGIC_VECTOR(32 DOWNTO 1); EN : IN STD_LOGIC; nRST: IN STD_LOGIC; CLK: IN STD_LOGIC
);
END reg32_1;
ARCHITECTURE behv OF reg32_1 IS
BEGIN PROCESS(CLK, nRST, EN) BEGIN IF nRST 0 THEN R (OTHERS0); ELSIF CLKEVENT AND CLK 1 THEN IF (EN 0) THEN R D; END IF; END IF; END PROCESS;
END behv;
在上面程序中D为输入数据R为寄存器均为32位。D的值由扩展板上J2J4J5J10对应的四组开关共32位提供输入同时显示在DIS9-DIS16八个数码管上。R为内部寄存器显示在J3J11J12M04对应的二进制LED灯上同时显示在DIS1-DIS8八个数码管上。EN为寄存器选通信号RST为复位信号上CLK为时钟脉冲。
四、实验步骤
1 连线
把IO18芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J2插座相连(对应二进制开关S9~S16)把IO28芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J4插座相连(对应二进制开关S17~S24)把IO98芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J5插座相连(对应二进制开关S25~S32)把IO108芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J10插座相连(对应二进制开关S40~S47)。S9~S16S17~S24S25~S32S40~S47为32位数据输入数据。
把IO78芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的J3插座相连(对应LED灯L17-L24)把IO88芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上J11插座相连(对应LED灯L42-L57)把IO158芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的J12插座相连(对应LED灯L58-L65)把IO168芯的盒型插座FPGA扩展实验区与母板上微指令单元M04插座相连(对应微指令LED灯L1-L8)扩展板上L17-L24L42-L57L58-L65及母板上L1-L16为32位数据输出。
将FPGA扩展板接口IO188CLK用数据线与母板二进制开关单元PLS1连接。
将FPGA扩展板接口IO191EN用数据线与母板二进制开关单元H7连接。
将FPGA扩展板接口IO193nRST用数据线与H57连接。
本实验增加了数码管显示输入输出寄存器功能若要数码管与二进制LED灯同时显示请进行如下连接
将FPGA扩展板接口IO5与扩展板J9相连IO6与J6相连IO13与J7相连IO14与J8相连。
实验连线表如下 FPGA扩展板接口 左侧板接口 I01输入D[31:24]位 J2扩展板二进制开关S9-S16 I02输入D[23:16]位 J4扩展板二进制开关S17-S24 IO9输入D[15:8]位 J5扩展板二进制开关S25-S32 IO10输入D[7:0]位 J10扩展板二进制开关S40-S47 I07输出R[31:24]位 J3扩展板L17-L24 I08输出R[23:16]位 J11扩展板L42-L57 IO15输出R[15:8]位 J12扩展板L58-L65 IO16输出R[7:0]位 M04母板L1-L8 IO188输入寄存器时钟CLK 时序单元PLS1 IO191EN H7 IO193nRST H57 IO5输入D数码管数据 J9 IO6输出R数码管扫描选通 J6 IO13输出R数码管数据 J7 IO14输入D数码管扫描选通 J8
2充分理解reg3_1.VHD。了解模型机中REG的实现原理。
3把ALTERA下载器一端连到微机的并口一端连接到FPGA扩展区的JTAG口打开实验系统电源把计算机组成原理32位\实验8 32位寄存器实验 文件夹中的reg32_1.sof程序下载到FPGA。
4按下SB1键输出“复位”信号观察八位八段管 (R寄存器的输出显示)是否清零松开SB1。拨动S9-S32S40-S47输入数据 D的值观察八位八段管DIS9-DIS16 (显示D值)的变化。拨动H7正下方对应开关设置寄存器选通信号“EN”为有效状态(“0”有效)按PLS1键产生一个时钟信号观察J3J11J12M04对应的二进制LED灯及DIS1-DIS8八个数码管看看是否将D的值存入寄存器R中并显示出来。拨动开关组J2J4J5J10改变D的值再将“EN”置于无效状态(“1”位置)按PLS1键产生一个时钟信号观察J3J11J12M04对应的二进制LED灯及DIS1-DIS8八个数码管是否会随着改变。
实验九 32位寄存器组实验
一、实验要求
用计算机组成原理与系统结构扩展实验板上的开关做为输入发光二极光及八段数码管做为输出。用VHDL语言编写程序下载到EP2C5Q208中实现32位模型机的多个寄存器输入输出功能。
二、实验目的
了解32位模型机中寄存器组的工作原理和实现方法。学习用VHDL语言描述硬件逻辑。学习使用EDA开发环境。
三、实验说明
32位寄存器组的VHDL
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY regs32 IS
PORT ( D : IN STD_LOGIC_VECTOR(32 DOWNTO 1); R : OUT STD_LOGIC_VECTOR(32 DOWNTO 1); SA : IN STD_LOGIC; SB : IN STD_LOGIC; RD : IN STD_LOGIC; WR : IN STD_LOGIC; nRST: IN STD_LOGIC; CLK: IN STD_LOGIC
);
END regs32;
ARCHITECTURE behv OF regs32 IS
SIGNAL R0, R1, R2, R3: STD_LOGIC_VECTOR(32 DOWNTO 1);
BEGIN
--WIRTE R0、R1、R2、R3 -- R0 PROCESS(CLK,nRST,WR,SA,SB) BEGIN IF nRST 0 THEN R0 (OTHERS0); ELSIF CLKEVENT AND CLK 1 THEN IF (WR 0) AND (SB 0) AND (SA 0) THEN R0 D; END IF; END IF; END PROCESS; -- R1 PROCESS(CLK,nRST,WR,SA,SB) BEGIN IF nRST 0 THEN R1 (OTHERS0); ELSIF CLKEVENT AND CLK 1 THEN IF (WR 0) AND (SB 0) AND (SA 1) THEN R1 D; END IF; END IF; END PROCESS; -- R2 PROCESS(CLK,nRST,WR,SA,SB) BEGIN IF nRST 0 THEN R2 (OTHERS0); ELSIF CLKEVENT AND CLK 1 THEN IF (WR 0) AND (SB 1) AND (SA 0) THEN R2 D; END IF; END IF; END PROCESS; -- R3 PROCESS(CLK,nRST,WR,SA,SB) BEGIN IF nRST 0 THEN R3 (OTHERS0); ELSIF CLKEVENT AND CLK 1 THEN IF (WR 0) AND (SB 1) AND (SA 1) THEN R3 D; END IF; END IF; END PROCESS; --READ R0、R1、R2、R3 R R0 WHEN (SB 0) AND (SA 0) AND (RD 0) ELSE R1 WHEN (SB 0) AND (SA 1) AND (RD 0) ELSE R2 WHEN (SB 1) AND (SA 0) AND (RD 0) ELSE R3 WHEN (SB 1) AND (SA 1) AND (RD 0) ELSE (OTHERS0);
END behv;在上面程序中D为输入32位数据寄存器。D的值由扩展板上J2J4J5J10对应的四组开关共32位提供输入同时显示在DIS9-DIS16八个数码管上。R0..R3为内部寄存器R用做内部寄存器显示输出显示在J3J11J12M04对应的二进制LED灯上同时显示在DIS1-DIS8八个数码管上。SA、SB为寄存器选择控制信号RD为寄存器读信号WR为寄存器写信号nRST为复位信号CLK为时钟脉冲。
四、实验步骤
1连线
把IO18芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J2插座相连(对应二进制开关S9~S16)把IO28芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J4插座相连(对应二进制开关S17~S24)把IO98芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J5插座相连(对应二进制开关S25~S32)把IO108芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J10插座相连(对应二进制开关S40~S47)。S9~S16S17~S24S25~S32S40~S47为32位数据输入。
把IO58芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的J9插座相连(对应LED灯L17-L24)把IO68芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上J6插座相连(对应LED灯L42-L57)把IO138芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的J7插座相连(对应LED灯L58-L65)把IO148芯的盒型插座FPGA扩展实验区与母板上微指令单元J8插座相连(对应微指令LED灯L1-L8)扩展板上L17-L24L42-L57L58-L65及母板上L1-L16为32位数据输出。
将FPGA扩展板接口IO188CLK用数据线与右板二进制开关单元PLS1连接对应CLK。
将FPGA扩展板接口IO193nRST用数据线与扩展板按键开关H57连接。
将FPGA扩展板接口IO197SA用数据线与母板二进制开关单元H7连接。
将FPGA扩展板接口IO168SB用数据线与母板二进制开关单元H6连接。
将FPGA扩展板接口IO164RD用数据线与母板二进制开关单元H5连接。
将FPGA扩展板接口IO162WR用数据线与母板二进制开关单元H4连接。
将将FPGA扩展板接口IO7与扩展板J3相连IO8与J11相连IO15与J12相连IO16与M04相连。
实验连线表如下 FPGA扩展板接口 左侧板接口 I01输入D[31:24]位 J2扩展板二进制开关S9-S16 I02输入D[23:16]位 J4扩展板二进制开关S17-S24 IO9输入D[15:8]位 J5扩展板二进制开关S25-S32 IO10输入D[7:0]位 J10扩展板二进制开关S40-S47 I07输出R[31:24]位 J3扩展板L17-L24 I08输出R[23:16]位 J11扩展板L42-L57 IO15输出R[15:8]位 J12扩展板L58-L65 IO16输出R[7:0]位 M04母板L1-L8 IO188输入寄存器时钟CLK 时序单元PLS1 IO193nRST H57 IO197SA H7 IO168SB H6 IO164RD H5 IO162WR H4 IO5输入数码管数据 J9 IO6输出数码管扫描选通 J6 IO13输出数码管数据 J7 IO14输入数码管扫描选通 J8
2充分理解regs32.VHD。了解模型机中REGS的实现原理。
3把ALTERA下载器一端连到微机的并口一端连接到FPGA扩展区的JTAG口打开实验系统电源把计算机组成原理32位\实验9 32位寄存器组实验 文件夹中的regs32.sof程序下载到FPGA。
4按下SB1键输出复位信号观察32位LED显示及八位八段管 (R寄存器的输出显示)是否清零松开SB1。然后将H5(RD信号)、H4(WR信号)位置成“1”状态使读写信号都处于无效状态。
5寄存器组写实验拨动S9-S32S40-S47输入D的值拨动H7H6设成“00”选择寄存器R0。拨动H4设置寄存器写信号“WR”为有效状态(0有效)按PLS1键产生一个时钟信号将D写入寄存器R0中。拨动S9-S32S40-S47开关改变D值再改变H7H6设成01选择寄存器R1按PLS1键产生一个时钟信号将D存入寄存器R1中。如此将不同的32位数据分别存R0..R3寄存器中
6寄存器组读实验将H4“WR”信号设成“1”使其无效。将H7H6拨成“00”选择寄存器R0。再将H5(“RD”信号)设成“0”读出R0中的数据并输出到J3J11J12M04对应的发光二极管和八段管DIS1-DIS8上显示。改变H7,H6选择寄存器R1,读出R1的值并显示出来。如此读出寄存器R2、R3的值并观察与写入的数据是否相同。
实验十 32位程序计数器 PC实验
一、实验要求
用计算机组成原理与系统结构扩展实验板上的开关做为输入发光二极光及八段数码管做为输出。用VHDL语言编写程序下载到EP2C5Q208中实现32位模型机的程序计数器功能。
二、实验目的
了解32位模型机中程序计数器PC的工作原理和实现方法。学习用VHDL语言描述硬件逻辑。学习使用EDA开发环境。
三、实验说明
32位程序计数器PC的VHDL
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITY pccnt IS
PORT ( D : IN STD_LOGIC_VECTOR(32 DOWNTO 1); PC : OUT STD_LOGIC_VECTOR(32 DOWNTO 1); C : IN STD_LOGIC; Z : IN STD_LOGIC; ELP : IN STD_LOGIC; PC_1: IN STD_LOGIC; IR2 : IN STD_LOGIC; IR3 : IN STD_LOGIC; nRST : IN STD_LOGIC; CLK : IN STD_LOGIC
);
END pccnt;
ARCHITECTURE behv OF pccnt IS
SIGNAL RPC: STD_LOGIC_VECTOR(32 DOWNTO 1);
BEGIN PC RPC; PROCESS(CLK, nRST, IR3, IR2, C, Z, ELP) VARIABLE LDPC: STD_LOGIC; -- 转移控制 BEGIN IF nRST 1 THEN RPC (OTHERS0); ELSIF CLKEVENT AND CLK 1 THEN IF (ELP 0) AND ( ( (IR3 0) AND (IR2 0) AND (C 1) ) OR ( (IR3 0) AND (IR2 1) AND (Z 1) ) OR (IR3 1) ) THEN LDPC : 0; ELSE LDPC : 1; END IF; IF LDPC 0 THEN RPC D; ELSIF (PC_1 1) THEN RPC RPC 1; END IF; END IF; END PROCESS;
END behv;在上面程序中D为32位输入数据用于表示跳转条件满足时跳转的目标地址。D的值由扩展板上J2J4J5J10对应的四组开关共32位提供输入同时显示在DIS9-DIS16八个数码管上。PC为程序计数器PC显示在J3J11J12M04对应的二进制LED灯上同时显示在DIS1-DIS8八个数码管上。 C、Z用于模拟模型机中的进位标志和零标志信号。ELP为程序跳转控制信号为“1”时不允许预置PC为“0”时根据指令码的第3、2位和C、Z状态来控制程序是否跳转见下表说明。PC_1表示PC加1控制信号。IR2、IR3表示程序指令的第2位和第3位在本模型机实验中这两个用于控制程序的跳转。nRST为复位信号CLK为时钟脉冲。 ELP() IR3() IR2() C() Z() LDPC 1 x x x x 1 0 0 0 1 x 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 x 0 0 0 0 1 x x 1 0 1 x x x 0
上表中LDPC为内部信号用于控制PC是否能被预置
当ELP1时LDPC1不允许PC被预置
当ELP0时LDPC由IR3、IR2、C、Z确定
当IR3、IR21X时LDPC0D的值在CLK上升沿锁存PC实现程序的JMP直接跳转功能
当IR3、IR200时LDPCC取反当C1时D的值在CLK上升沿锁存PC实现程序的JC有进位跳转功能
当IR3、IR201时LDPCZ取反当Z1时D的值在CLK上升沿锁存PC实现程序的JZ累加器为零跳转功能
本实验中nRST0时程序计数器PC被清0当LDPC0时在CLK上升沿D的值锁存PC。当PC_11 时,在CLK上升沿PC加1。
四、实验步骤
1连线
把IO18芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J2插座相连(对应二进制开关S9~S16)把IO28芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J4插座相连(对应二进制开关S17~S24)把IO98芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J5插座相连(对应二进制开关S25~S32)把IO108芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的二进制开关单元中J10插座相连(对应二进制开关S40~S47)。S9~S16S17~S24S25~S32S40~S47为32位数据输入。
把IO78芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的J3插座相连(对应LED灯L17-L24)把IO88芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上J11插座相连(对应LED灯L42-L57)把IO158芯的盒型插座FPGA扩展实验区与计算机组成原理与系统结构扩展板上的J12插座相连(对应LED灯L58-L65)把IO168芯的盒型插座FPGA扩展实验区与母板上微指令单元M04插座相连(对应微指令LED灯L1-L8)扩展板上L17-L24L42-L57L58-L65及母板上L1-L16为32位数据输出。
将FPGA扩展板接口IO188CLK用数据线与右板二进制开关单元PLS1连接对应CLK。
将FPGA扩展板接口IO191nRST用数据线与扩展板H57连接。
将FPGA扩展板接口IO193ELP用数据线与母板二进制开关单元H7连接。
将FPGA扩展板接口IO197PC_1用数据线与母板二进制开关单元H6连接。
将FPGA扩展板接口IO168IR2用数据线与母板二进制开关单元H5连接。
将FPGA扩展板接口IO164IR3用数据线与母板二进制开关单元H4连接。
将FPGA扩展板接口IO162C用数据线与母板二进制开关单元H3连接。
将FPGA扩展板接口IO160Z用数据线与母板二进制开关单元H2连接。
将将FPGA扩展板接口IO5与扩展板J9相连IO6与J6相连IO13与J7相连IO14与J8相连。
实验连线表如下 FPGA扩展板接口 左侧板接口 I01输入D[31:24]位 J2扩展板二进制开关S9-S16 I02输入D[23:16]位 J4扩展板二进制开关S17-S24 IO9输入D[15:8]位 J5扩展板二进制开关S25-S32 IO10输入D[7:0]位 J10扩展板二进制开关S40-S47 I07输出PC[31:24]位 J3扩展板L17-L24 I08输出PC [23:16]位 J11扩展板L42-L57 IO15输出PC [15:8]位 J12扩展板L58-L65 IO16输出PC [7:0]位 M04母板L1-L8 IO188输入寄存器时钟CLK 时序单元PLS1 IO191nRST H57 IO193ELP H7 IO197PC_1 H6 IO168IR2 H5 IO164IR3 H4 IO162C H3 IO160Z H2 IO5输入数码管数据 J9 IO6输出数码管扫描选通 J6 IO13输出数码管数据 J7 IO14输入数码管扫描选通 J8
2充分理解pccnt.VHD。了解模型机中中断的实现原理。
3把ALTERA下载器一端连到微机的并口一端连接到FPGA扩展区的JTAG口打开实验系统电源把计算机组成原理32位\实验10 32位指令计数器PC实验 文件夹中的pccnt.sof程序下载到FPGA。
4按下SB1键输出复位信号观察32位LED显示及八位八段管 (PC计数器的输出显示)是否清零松开SB1。
5PC1实验将H7ELP信号、H6PC_1信号置成“1”状态使跳转控制信号处于PC1状态控制信号如下表 H7 H6 H5 H4 H3 H2 ELP PC_1 IR2 IR3 C Z 1 1 0 0 0 0
按PLS1键产生一个时钟信号观察J1J13J14J01输出的32位LED及八段管DIS1-DIS8的显示看看PC是否加1。再按PLS1键观察PC是否再次加1。
6直接跳转实验 拨动S9-S32S40-S47输入D的值设置跳转的目标地址为02020202H。拨动H7位设成“0” 使ELP信号为低。拨动H4将其设成“1”使IR3为高将跳转控制设成直接跳转方式。控制信号如下表 H7 H6 H5 H4 H3 H2 ELP PC_1 IR2 IR3 C Z 0 1 0 1 0 0
按PLS1键产生一个时钟信号观察输出显示的PC值(LED灯扩展板JL17-L24, L42-L65,母板L1-L8及数码管DIS1-DIS8)是否转到目标地址02020202H。
7条件跳转实验1拨动S9-S32S40-S47输入D的值设置跳转的目标地址为81818181H。拨动H5,H4使IR2、IR3置成“00”将跳转控制设置成判进位跳转方式。将H3(C)设置成“1”表示有进位控制信号如下表 H7 H6 H5 H4 H3 H2 ELP PC_1 IR2 IR3 C Z 0 1 0 0 1 0
按PLS1键产生一个时钟信号观察输出显示看看PC是否转到D所指定的目标地址81818181H。再将H3(C)拨成“0”表示无进位。控制信号如下表 H7 H6 H5 H4 H3 H2 ELP PC_1 IR2 IR3 C Z 0 1 0 0 0 0
按PLS1键观察八段管输出显示看看PC是否加1。
8条件跳转实验2拨动H5,H4使IR3、IR2置成“01”将跳转控制设置成判零跳转方式。将H2(Z)设置成“1”表示累加器为零控制信号如下表 H7 H6 H5 H4 H3 H2 ELP PC_1 IR2 IR3 C Z 0 1 1 0 0 1
按PLS1键产生一个时钟信号观察输出LED及数码管的显示看看输出显示的PC值(数码管DIS1-DIS8)是否转到D所指定的目标地址即数码管DIS1-DIS8显示值与DIS9-DIS16显示值相同。再将H2(Z)拨成“0”表示累加器不为零控制信号如下表 H7 H6 H5 H4 H3 H2 ELP PC_1 IR2 IR3 C Z 0 1 1 0 0 0
按PLS1键产生一个时钟信号观察输出LED及数码管的显示看看PC是否加1。
实验十一 中断控制实验
一、实验要求
用计算机组成原理与系统结构扩展实验板上的开关做为输入发光二极光及八段数码管做为输出。用VHDL语言编写程序下载到EP2C5Q208中实现32位模型机中断控制功能。
二、实验目的
了解32位模型机中中断控制的工作原理和实现方法。学习用VHDL语言描述硬件逻辑。学习使用EDA开发环境。
三、实验说明
32位模型机中断控制的VHDL
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY int32 IS
PORT ( IREN : IN STD_LOGIC; EINT : IN STD_LOGIC; ICEN : OUT STD_LOGIC; ACK : OUT STD_LOGIC; REQ : OUT STD_LOGIC; nRST : IN STD_LOGIC; I_REQ: IN STD_LOGIC; CLK : IN STD_LOGIC
);
END int32;
ARCHITECTURE behv OF int32 IS
SIGNAL R_REQ, R_ACK: STD_LOGIC;
SIGNAL FATCH_INT: STD_LOGIC;
BEGIN REQ R_REQ; ACK R_ACK; ICEN FATCH_INT; PROCESS(I_REQ, nRST, EINT) BEGIN IF (EINT 0) OR (nRST 0) THEN R_REQ 0; ELSIF I_REQEVENT AND I_REQ 1 THEN R_REQ 1; END IF; END PROCESS; PROCESS(CLK, nRST, EINT, IREN, R_REQ, R_ACK, FATCH_INT) BEGIN IF (IREN 0) AND (R_REQ 1) AND (R_ACK 0) THEN FATCH_INT 0; ELSE FATCH_INT 1; END IF; IF (EINT 0) OR (nRST 0) THEN R_ACK 0; ELSIF CLKEVENT AND CLK 1 THEN IF FATCH_INT 0 THEN R_ACK R_REQ; END IF; END IF; END PROCESS;
END behv;在上面程序中IREN表示程序执行过程中的取指令操作。中断请求信号只有在此信号有效时(取指令时)才会被响应。IENT用于在中断返回时清除中断请求寄存器和中断响应寄存器。ICEN为输出信号此信号用于控制读中断指令。ACK为中断响应信号REQ为中断请求信号。nRST为复位信号。I_REQ为中断申请输入信号。CLK为时钟脉冲。
四、实验步骤
1连线
将FPGA扩展板接口IO188CLK用数据线与母板时序单元PLS1连接对应CLK。
将FPGA扩展板接口IO191nRST用数据线与扩展板H57连接。
将FPGA扩展板接口IO193IREN用数据线与母板二进制开关单元H7连接。
将FPGA扩展板接口IO197EINT用数据线与母板二进制开关单元H6连接。
将FPGA扩展板接口IO168ICEN用数据线与母板微指令单元M7连接。
将FPGA扩展板接口IO164ACK用数据线与母板微指令单元M6连接。
将FPGA扩展板接口IO162REQ用数据线与母板微指令单元M5连接。
将FPGA扩展板接口IO160I_REQ用数据线与母板时序单元PLS4连接。
实验连线表如下 FPGA扩展板接口 左侧板接口 IO188输入寄存器时钟CLK 时序单元PLS1 IO191nRST H57 IO193IREN H7 IO197EINT H6 IO168ICEN M7 IO164ACK M6 IO162REQ M5 IO160I_REQ 时序单元PLS4
2充分理解int32.VHD。了解模型机中中断的实现原理。
3把ALTERA下载器一端连到微机的并口一端连接到FPGA扩展区的JTAG口打开实验系统电源把计算机组成原理32位\实验11 32位指令计数器PC实验 文件夹中的int32.sof程序下载到FPGA。
4按下SB1键输出复位信号。将H7H6拨到“1”的位置使IREN和EINT都处于无效状态(低电平有效)将内部的中断请求寄存器、中断响应寄存器都清零使其能响应中断, 控制信号如下表 H7 H6 IREN EINT 1 1
5中断申请按PLS4键产生中断请求信号申请中断扩展板上M5对应的发光二极管变亮表示有中断申请。
6中断响应将H7拨成“0”也就使IREN有效表示取指令操作控制信号如下表 H7 H6 IREN EINT 0 1
扩展板上的M7对应的发光二极管灭(ICEN低电平有效将中断地址送给PC)表示已经响应中断。
7中断处理按PLS1键产生一个时钟信号扩展板上M7,M6对应的发光二极管亮表示取指操作取出中断处理指令来执行。
8中断退出将H7拨成“1”IREN置无效。将H6拨成“0”将EINT置成有效。控制信号如下表 H7 H6 IREN EINT 1 0
M7对应的发光二极管亮M6,M5对应发光管灭中断请求寄存器和中断响应寄存器清零表示可以接受下一次中断申请。 总结
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