《数字逻辑与计算机组成原理》实验指导书.doc
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1、 数字逻辑与计算机组成原理 实 验 指 导 书 适用专业:09,10软件工程 闽江学院计算机系2010年7月前 言“数字逻辑与计算机组成原理实验”是一门实践性、综合性、应用性较强的计算机基础课程,是必修课程。对计算机应用及程序有重大意义,有利于理解计算机系统中软件和硬件的关系。通过实验学生掌握各个单元模块的工作原理,可进一步深化和掌握课堂理论教学内容,为学生提供必要的实践机会,以加强其感性认识和增强其实际动手能力,能使学生更好的领会计算工作原理以及相关接口技术实践知识,激励学生勇于创新,全面提高学生解决实际问题的动手能力。 本实验主要训练和培养学生利用所学的知识进行数字电路和模型机的设计与调试
2、等应用等方面的技能,训练学生开发高级应用系统的设计思路、具体过程和步骤等,激发学生的学习热情和创新性思维。本指导书中设置的实验项目,包括验证性、综合性和设计性实验,分为必做和选做,可根据学生的专业方向和课时安排以及学生的能力和兴趣等对实验项目的内容和顺序等重新调整安排。 目 录实验一 :Multisim 仿真实验-3实验二 :组合逻辑电路的设计与仿真-5实验三 :时序逻辑电路的设计与仿真-7实验四 :算术逻辑运算实验-9实验五 : 存储器实验-22实验六 : 微控制器实验-28附件:实验报告基本要求 40实验一 熟悉Multisim 仿真软件实验学时:2实验类型:验证实验要求:必修一、实验目的
3、(1) 熟悉Multisim软件的功能及使用(2) 掌握Multisim软件的各种仿真手段(3) 掌握Multisim软件的各种虚拟仪器的运用(4) 熟悉Multisim软件的元件库及调用(5) 设计一个半加器电路,运用Multisim软件进行优化和测试。二、实验内容2.1 Multisim软件的功能及使用2.2 Multisim软件的各种仿真手段2.3 Multisim软件的各种虚拟仪器的运用2.4 Multisim软件的元件库及调用2.5 设计一个半加器电路,运用Multisim软件进行优化和测试三、实验原理、方法和手段运用Multisim仿真软件进行数字电路的设计、优化和测试等四、实验组
4、织运行要求根据本实验的特点、要求和具体条件,采用“以学生自主训练为主的集中授课形式”,按每人一组独立完成。五、实验条件PC机,Multisim仿真软件六、实验步骤6.1 Multisim软件的各种功能及使用6.2 Multisim软件的各种仿真手段运用6.3 Multisim软件的各种虚拟仪器的运用6.4 Multisim软件的元件库及调用6.5 设计半加器电路,并进行测试和优化七、思考题7.1 如何选择Multisim仿真软件的元件?7.2 如何选择Multisim不同的设计及仿真方法? 7.3 如何选择Multisim的输入信号及输出结果仿真? 八、实验报告实验报告的内容及要求包括实验预习
5、、实验记录和实验报告三部分。8.1了解相关集成门电路的工作原理和引脚功能。8.2 熟悉Multisim仿真软件的元件库及使用。8.3 认真记录实验过程中的有关现象和实验结果,课后结合所学的知识加以分析并完成实验报告。九、其它说明本实验内容多,若在课堂上无法完成所有内容,可在课后继续。实验二 组合逻辑电路的设计与仿真实验学时:2实验类型:验证实验要求:必修一、实验目的1.1熟悉显示译码器的使用,理解其工作原理。1.2运用Multisim设计显示译码器电路并仿真结果。二、实验内容设计一个BCD码和余3码的双向转换电路,并通过两个数码管显示出来。三、实验原理、方法和手段运用Multisim仿真软件进
6、行组合逻辑电路的设计、优化、演示和测试等四、实验组织运行要求根据本实验的特点、要求和具体条件,采用“以学生自主训练为主的集中授课形式”,按每人一组独立完成。五、实验条件PC机,Multisim仿真软件六、实验步骤6.1 设计一个BCD码和余3码的双向转换电路,6.2 数码管显示驱动设计6.3 实验结果的演示6.4 电路的优化和测试七、思考题7.1 实现该功能的电路设计方案是唯一的吗?为什么?7.2 如何选择最佳的设计及仿真方法? 7.3 如何选择最适合的输入及输出元件? 八、实验报告实验报告的内容及要求包括实验预习、实验记录和实验报告三部分。8.1 了解相关LED驱动集成电路的工作原理和引脚功
7、能。8.2 熟悉Multisim仿真软件的元件库及使用。8.3 认真记录实验过程中的有关现象和实验结果,课后结合所学的知识加以分析并完成实验报告。九、其它说明本实验内容多,若在课堂上无法完成所有内容,可在课后继续。实验三 时序逻辑电路的设计及仿真实验学时:2实验类型:验证实验要求:必修一、实验目的1.1设计一个可自启动的五进制增/减计数器并仿真1.2学习和掌握时序逻辑电路的应用和计数器的工作原理1.3学习和掌握时序逻辑电路的设计与仿真方法二、实验内容设计一个可自启动的五进制增/减计数器电路,并通过两个数码管显示出来。三、实验原理、方法和手段运用Multisim仿真软件进行时序逻辑电路的设计、优
8、化、演示和测试等四、实验组织运行要求根据本实验的特点、要求和具体条件,采用“以学生自主训练为主的集中授课形式”,按每人一组独立完成。五、实验条件PC机,Multisim仿真软件六、实验步骤6.1 设计一个可自启动的五进制增/减计数器6.2 数码管显示驱动设计6.3 实验结果的演示6.4 电路的优化和测试七、思考题7.1 实现该功能的电路设计方案是唯一的吗?为什么?7.2 如何选择最佳的设计及仿真方法? 7.3 如何选择最适合的输入及输出元件? 八、实验报告实验报告的内容及要求包括实验预习、实验记录和实验报告三部分。8.1 了解相关LED驱动集成电路的工作原理和引脚功能。8.2 了解计数器的工作
9、原理和设计方法。8.3 熟悉Multisim仿真软件的元件库及使用。8.4 认真记录实验过程中的有关现象和实验结果,课后结合所学的知识加以分析并完成实验报告。九、其它说明本实验内容多,若在课堂上无法完成所有内容,可在课后继续。实验四 运算器(ALU)实验实验学时:2实验类型:验证实验要求:必修 一实验目的 1.1掌握简单运算器的数据传送通路。1.2验证运算功能发生器(74LSl81)的组合功能。1.3验证带进位控制的算术运算功能发生器的功能。1.4按指定数据完成几种指定的算术运算。1.5验证移位控制的组合功能。二实验内容2.1 算术逻辑运算实验2.2进位控制实验2.3移位运算实验三、实验原理、
10、方法和手段3.1算术逻辑运算实验原理 实验中所用的运算器数据通路图11所示。其中运算器由两片74LSl81以并串形成构成8位字长的ALU。运算器的输出经过一个三态门(74LS245)和数据总线相连,运算器的两个数据输入端分别由二个锁存器(74LS373)锁存,锁存器的输入连至数据总线,数据开并(“INPUT DEVICE”)用来给出参与运算的数据,并经过三态门(74LS245)和数据总线相连,数据显示灯(“BUS UNIT”)已与数据总线相连,用来显示数据总线内容。图中已将用户需要连接的控制信与用圆圈标明(其他实验相同,不再说明),其中除T4为脉冲信与,其它均为电平信号。由于电路中的时序信号均
11、已连至“WR UNIT”的相应时序信号引出端,因此,在进行实验时,只需将“WR UNIT”的T4接至“STATE UNIT”的微动开关KK2的输出端,按动微动开关,即可获得实验所需的单脉冲,而S3、S2、S1、S0、Cn、M、LDDRl、LDDR2、ALUB、SWB各电平控制信号用“SWITCH UNIT”中的二进制数据开关来模拟,其中Cn、 ALUB、SWB为电低电平有效,LDDRl、LDDR2为高电子有效。图1-1运算器数据通路3.2进位控制运算实验原理进位控制运算器的实验原理如图13所示,在实验(1)的基础上增加进位控制部分,其中181的进位进入一个74锁存器,其写入是由T4和AR信号控
12、制,T4是脉冲信号,实验时将T4连至“STATE UNIT”的微动开关KK2上。 AR是电子控制信号(低电平有效),可用于实现带进位控制实验,而T4脉冲是将本次运算的进位结果锁存到进位锁存器中。图1-3进位控制实验原理图3.3移位运算实验原理移位运算实验原理如图1-5所示,使用了一片74LS299作为移位发生器,其八个输入输出端以排针方式和总线单元连接。299-B信号控制其使能端,T4时序为其时钟脉冲,实验时将“WR UNIT”中的T4接至“STATE UNIT”中的KK2单脉冲发生器,由S0 S1 M控制信号控制其功能状态,其列表如下:图1-5移位运算原理图四、实验组织运行要求根据本实验的特
13、点、要求和具体条件,采用“以学生自主训练为主的集中授课形式”,按两人一组分组进行。五、实验条件 CCTIV计算机组成原理教学实验系统一台,排线若干。六、实验步骤6.1算术逻辑运算实验步骤(1) 按图1-2连接路线,仔细检查无误后,接通电源。(2) 用二进制数码开关DR1和DR2寄存器置数,具体操作步骤图示如下:检验DRl和DR2中存的数是否正确,具体操作为:关闭数据输入三态门(SWB=1),打开ALU输出三态门(ALUB=0),当置S3、S2、S1、S0、M为1 1 1 1 l时,总线指示灯显示DRl中的数,而置成10101时总线指示灯显示DR2中的数。图 12 实验接线图(3)验证74LSl
14、81的算术运算和逻辑运算功能 (采用正逻辑)在给定DRl=65、DR2=A7的情况下,改变运算器的功能设置,观察运算器的输出,填入下表中,并和理论分析进行比较、验证。表1-16.2进位控制运算实验步骤(1)按图14连接实验线路,仔细查线无误后,接通电源。图14 实验接线图 (2)用二进制数码开关向DRl和DR2寄存器置数,具体方法: 关闭ALU输出三态门 (ALUB=1),开启输入三态门(SW-B=0),设置数据开关;例如向DRl存入01010101,向DR2存入10101010。具体操作步骤如下:(3)进位标志清零具体操作方法如下: S3S2S1S0M的状态置为0 0 0 0 0,AR状态置
15、为0(清零时DRl寄存器中的数应不等于FF) 按动微动开关KK2,观察进位标志指示灯并记录。 注:进位标志指示灯CY亮时表示进位标志为“0”,无进位;标志指示灯CY灭时表示进位为“1”,有进位。(4)更改存入DR1、DR2的数据(至少3组数据),重复步骤(2)、 (3)并记录。(5)验证带进位运算及进位锁存功能,使Cn=l,Ar=0,SWB=1来进行带位算术运算。例如:做加法运算,首先向DRl、DR2置数,然后使ALUB=0,S3S2S1S0M状态为1 0 0 1 0,此时数据总线上显示的数据为DRl加DR2加当前进位标志,这个结果是否产生进位,则要按动微动开关KK2,若进位标志灯亮,表示无进
16、位;反之,有进位。6.3移位控制运算实验步骤 (1)按图16连接实验线路,仔细查线无误后接通电源。图16 实验接线图(2)移位操作: 置数,具体步骤如下: 移位,参照上表设置S0、S1、M、299-B的状态,每按动一次微动开关KK2,观察移位结果并记录,循环8次。改变S0、S1、M、299-B的设置,重复步骤,观察移位结果并记录。七、思考题本实验为验证实验,试分析如果在实验过程中出现结果不正确的情况,可能是由于什么原因引起的?八、实验报告实验报告的内容及要求包括实验预习、实验记录和实验报告三部分。8.1 复习课本中有关算术逻辑运算单元(74LSl81)的内容,了解其它相关集成如电路锁存器(74
17、LS373)、三态门(74LS245)等的工作原理和引脚功能。8.2 熟悉CCTIV计算机组成原理教学实验系统的布置与正确的使用方法,防止不正当的操作而造成实验仪器的损坏。8.3 实验结束后恢复实验仪器,并将所有排线和其它工具整理好。8.4 认真记录实验过程中的有关现象和实验结果,课后结合所学的知识加以分析并完成实验报告。8.5 掌握16位串/并运算器的工作原理和寄存器工作原理。九、其它说明本实验内容多,若在课堂上无法完成所有内容,可在课后继续。实验五 存储器实验实验学时:2实验类型:验证实验要求:必修一、实验目的 掌握静态随机存储器RAM工作特性及数据的读写方法。掌握计算机中RAM存储器部分
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