计算机组成原理实验
实验八 程序计数器PC 实验
【实验要求】
利用CP226实验箱上的K16…K23 开关做为DBUS 数据的输入端，其它开关做为控制信号的输入端，实现程序计数器PC预置与加1功能。
【实验目的】
掌握模型机中程序计数器PC的功能及其功能实现的工作原理与控制方法，程序执行过程中顺序和跳转的实现。
【主要集成电路芯片及其逻辑功能】 1. 计数器74HC161
本实验所涉及的主要集成电路芯片之一为74HC161，用于实现程序计数器PC预置与加1功能。74HC161是四位二进制可预置同步加法计数器，芯片包含一条时钟输入线CP、四条数据输入线(P0～P3)、一条清零信号线MR、二条使能信号线CEP和CET、一条预置信号线PE、四条数据输出线(Q0～Q3)、一条进位输出TC(TC= Q0·Q1·Q2·Q3·CET)。74HC161引脚结构如下图所示，其功能逻辑如下表所示。
2. 数据选择器74HC151
本实验所涉及的主要集成电路芯片之二为74HC151，用于指令执行过程中形成跳转条件。74HC151为互补输出的8选1数据选择器，芯片包含三条选择控制线(地址端，S0、S1、S2)、
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8条数据输入线(I0～I7)、二条互反输出线(Z、～Z)、二条使能信号线E。74HC161引脚结构如下图所示，其功能逻辑如下表所示。
S 1 0 0 0 0 0 0 0 0
A2(C) × 0 0 0 0 1 1 1 1
A1(B) × 0 0 1 1 0 0 1 1
A0(A) × 0 1 0 1 0 1 0 1
Y 0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
W 1 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
【实验涉及的逻辑电路及原理】 1. 程序计数器PC
程序计数器PC是由两片74HC161构成的八位带预置计数器，预置数据来自于数据总线。PC输出可以通过由PCOE(低电平有效)控制的74HC245送到地址总线，还可以通过由PCOE_D (低电平有效)控制的另一片74HC245送回到数据总线。程序计数器PC实验原理逻辑电路如下图所示，其中PC+1、LDPC、RST、PCOE_D、PCOE分别为计数器使能、计数器预置、计数器清0、数据总线收发器使能、地址总线收发器使能控制信号，CK为脉冲信号。在CPP226实验箱中，PC+1由PCOE 取反产生，LDPC由指令执行过程中形成跳转条件逻辑电路形成。
当LDPC=0时，在CK的上升沿，预置数据被打入程序计数器PC。 当PC+1=1时，在CK的上升沿，程序计数器PC加1
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程序计数器PC实验原理逻辑电路
2. 跳转条件形成
跳转条件形成电路是由一片74HC151构成，逻辑电路及功能逻辑如下图表所示，其中Cy、Z分别为数据选择器的数据输入信号I0和I1(来自于标志寄存器的进位、零标志位)，ELP、IR3、IR2为数据选择器选择控制信号(IR3、IR2来自于指令译码器，ELP为CPP226实验箱中的特殊信号)，LDPC为跳转条件信号(跳转即PC预置为0，顺序即PC加一为1)。
指令执行过程中形成跳转条件逻辑电路
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ELP 1 0 0 0 0 0
IR3 X 0 0 0 0 1
IR2 X 0 0 1 1 X
Cy X 1 0 X X X
Z X X X 1 0 X
LDPC 1 0 1 0 1 0
从跳转条件形成逻辑电路的功能逻辑有： 当ELP=1 时，LDPC = 1，不允许PC被预置。 当ELP=0 时，LDPC由IR3、IR2、Cy、Z确定：
当IR3 IR2 = 1 X 时，LDPC=0，PC 被预置；
当IR3 IR2 = 0 0 时，LDPC=非Cy，当Cy=1时，PC 被预置； 当IR3 IR2 = 0 1 时，LDPC=非Z，当Z=1 时，PC 被预置。 【实验内容及步骤】
(1)实验连接线：实验具体连接线如下表所示。
程序计数器PC实验连接线
连接 信号孔 1 2 3 4 5 6 7 8
J2座 PCOE JIR3 JIR2 JRZ JRC ELP CK
接入孔
作用
状态说明
J3座 将K23-K16接入DBU[7:0] 实验模式：手动 K5 K4 K3 K2 K1 K0 已连
PC输出到地址总线
预置选择1 预置选择0 Z标志输入 C标志输入 预置允许 PC工作脉冲
低电平有效
低电平有效 上升沿打入
(2)程序计数器PC加一
二进制开关K5、K0分别用于置控制信号PCOE、ELP。
K5(PCOE)
0
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K0(ELP)
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按一次STEP脉冲键，CK产生一个上升沿，程序计数器PC的数据被加一。 (3)程序计数器PC预置
二进制开关K23～K16用于DBUS[7:0]的数据输入，置数据12H。
K23
K22
K21
K20
K19
K18
K17
K16
二进制开关K4～K0分别用于置控制信号IR3、IR2、Z、Cy、ELP。 K4(IR3) K3(IR2) X 0 0 0 0 1
X 0 0 1 1 X
K2(Z) X X X 1 0 X
K1(Cy) K0(ELP) X 1 0 X X X
1 0 0 0 0 0
LDPC 1 0 1 0 1 0
PC黄色预置指示灯
每置一次控制信号，按一下STEP键，观察PC黄色预置指示灯的变化。
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