《計算機組成原理》運算器實驗報告.doc

一. 實驗?zāi)康募耙?1) 了解運算器的組成結(jié)構(gòu)。 (2) 掌握運算器的工作原理。二. 實驗?zāi)K及實驗原理本實驗的原理如圖1-1-1所示。 運算器內(nèi)部含有三個獨立運算部件，分別為算術(shù)、邏輯和移位運算部件，要處理的數(shù)據(jù)存于暫存器A 和暫存器B ，三個部件同時接受來自 A 和B 的數(shù)據(jù)（有些處理器體系結(jié)構(gòu)把移位運算器放于算術(shù)和邏輯運算部件之前，如ARM），各部件對操作數(shù)進行何種運算由控制信號 S3S0和CN來決定，任何時候，多路選擇開關(guān)只選擇三部件中一個部件的結(jié)果作為 ALU的輸出。如果是影響進位的運算，還將置進位標(biāo)志 FC，在運算結(jié)果輸出前，置 ALU零標(biāo)志。ALU中所有模塊集成在一片CPLD 中。 邏輯運算部件由邏輯門構(gòu)成，較為簡單，而后面又有專門的算術(shù)運算部件設(shè)計實驗，在此對這兩個部件不再贅述。移位運算采用的是桶形移位器，一般采用交叉開關(guān)矩陣來實現(xiàn)，交叉開關(guān)的原理如圖1-1-2所示。圖中顯示的是一個 4X4 的矩陣（系統(tǒng)中是一個 8X8 的矩陣）。每一個輸入都通過開關(guān)與一個輸出相連，把沿對角線的開關(guān)導(dǎo)通，就可實現(xiàn)移位功能，即： (1) 對于邏輯左移或邏輯右移功能，將一條對角線的開關(guān)導(dǎo)通，這將所有的輸入位與所使用的輸出分別相連, 而沒有同任何輸入相連的則輸出連接0 。 (2) 對于循環(huán)右移功能，右移對角線同互補的左移對角線一起激活。例如，在4 位矩陣中使用右1 和左 3 對角線來實現(xiàn)右循環(huán) 1 位。 (3) 對于未連接的輸出位，移位時使用符號擴展或是 0 填充，具體由相應(yīng)的指令控制。使用另外的邏輯進行移位總量譯碼和符號判別。運算器部件由一片CPLD 實現(xiàn)。ALU的輸入和輸出通過三態(tài)門74LS245 連到CPU 內(nèi)總線上，另外還有指示燈標(biāo)明進位標(biāo)志FC和零標(biāo)志FZ。請注意：實驗箱上凡絲印標(biāo)注有馬蹄形標(biāo)記 ，表示這兩根排針之間是連通的。圖中除 T4和CLR ，其余信號均來自于 ALU單元的排線座，實驗箱中所有單元的T1、T2、T3、T4都連接至控制總線單元的 T1、T2、T3、T4，CLR 都連接至 CON單元的CLR 按鈕。T4由時序單元的 TS4 提供（時序單元的介紹見附錄二），其余控制信號均由CON單元的二進制數(shù)據(jù)開關(guān)模擬給出?？刂菩盘栔谐齌4為脈沖信號外，其余均為電平信號，其中ALU_B為低有效，其余為高有效。暫存器A 和暫存器B 的數(shù)據(jù)能在LED 燈上實時顯示，原理如圖1-1-3所示（以A0為例，其它相同）。進位標(biāo)志 FC、零標(biāo)志FZ和數(shù)據(jù)總線D7D0的顯示原理也是如此。ALU和外圍電路的連接如圖1-1-4所示，圖中的小方框代表排針座。 運算器的邏輯功能表如表1-1-1所示，其中 S3 S2 S1 S0 CN 為控制信號，F(xiàn)C為進位標(biāo)志，F(xiàn)Z為運算器零標(biāo)志，表中功能欄內(nèi)的FC、FZ表示當(dāng)前運算會影響到該標(biāo)志。三. 實驗步驟與結(jié)果(1) 按圖1-1-5連接實驗電路，并檢查無誤。圖中將用戶需要連接的信號用圓圈標(biāo)明（其它實驗相同）。 (2) 將時序與操作臺單元的開關(guān)KK2 置為單拍檔, 開關(guān)KK1 、KK3 置為運行檔。 (3) 打開電源開關(guān)，如果聽到有嘀報警聲，說明有總線競爭現(xiàn)象，應(yīng)立即關(guān)閉電源，重新檢查接線，直到錯誤排除。然后按動CON單元的CLR 按鈕，將運算器的A、B 和FC、FZ清零。(4) 用輸入開關(guān)向暫存器A 置數(shù)。 撥動CON單元的SD27SD20 數(shù)據(jù)開關(guān)，形成二進制數(shù) 01100101 （或其它數(shù)值），數(shù)據(jù)顯示亮為1 ，滅為0 。 置LDA=1，LDB=0，連續(xù)按動時序單元的 ST 按鈕，產(chǎn)生一個 T4上沿，則將二進制數(shù)01100101 置入暫存器 A 中，暫存器A 的值通過ALU單元的A7A0八位 LED 燈顯示。 (5) 用輸入開關(guān)向暫存器B 置數(shù)。 撥動CON單元的SD27SD20 數(shù)據(jù)開關(guān)，形成二進制數(shù)10100111 （或其它數(shù)值）。 置LDA=0，LDB=1，連續(xù)按動時序單元的 ST 按鈕，產(chǎn)生一個T4上沿，則將二進制數(shù)10100111 置入暫存器B 中，暫存器 B 的值通過 ALU單元的B7B0八位 LED 燈顯示。 (6) 改變運算器的功能設(shè)置，觀察運算器的輸出。置ALU_B=0、LDA=0、LDB=0，然后按表 1-1-1置S3、S2、S1、S0和Cn的數(shù)值，并觀察數(shù)據(jù)總線 LED 顯示燈顯示的結(jié)果。如置 S3、S2、S1、S0為0010 ，運算器作邏輯與運算，置 S3、S2、S1、S0為1001 ，運算器作加法運算。 如果實驗箱和PC聯(lián)機操作，則可通過軟件中的數(shù)據(jù)通路圖來觀測實驗結(jié)果，方法是：打開軟件，選擇聯(lián)機軟件的“【實驗】【運算器實驗】”，打開運算器實驗的數(shù)據(jù)通路圖，如圖 1-1-6所示。進行上面的手動操作，每按動一次 ST按鈕，數(shù)據(jù)通路圖會有數(shù)據(jù)的流動，反映當(dāng)前運算器所做的操作，或在軟件中選擇“【調(diào)試】【單節(jié)拍】”，其作用相當(dāng)于將時序單元的狀態(tài)開關(guān)KK2 置為單拍檔后按動了一次ST按鈕，數(shù)據(jù)通路圖也會反映當(dāng)前運算器所做的操作。 重復(fù)上述操作，并完成表1-1-2。然后改變 A、B 的值，驗證 FC、FZ的鎖存功能。 表1-1-2 運算結(jié)果表運算類型 A B S3S2S1S0 CN 結(jié)果 65 A7 0 0 0 0 X F=（65）FC=（0）FZ=（0） 65 A7 0 0 0 1 X F=（A7）FC=（0）FZ=（0）邏輯運算 0 0 1 0 X F=（25）FC=（0）FZ=（0） 0 0 1 1 X F=（E7）FC=（0）FZ=（0） 0 1 0 0 X F=（9A）FC=（0）FZ=（0） 0 1 0 1 X F=（CA）FC=（0）FZ=（0） 0 1 1 0 0 F=（32）FC=（0）FZ=（0）移位運算 1 F=（B2）FC=（1）FZ=（0） 0 1 1 1 0 F=（CA）FC=（0）FZ=（0） 1 F=（CA）FC=（0）FZ=（0） 1 0 0 0 X F=（65）FC=（0）FZ=（0） 1 0 0 1 X F=（0C）FC=（1）FZ=（0） 1 0 1 0（FC=0）X F=（0D）FC=（1）FZ=（0）算術(shù)運算 1 0 1 0（FC=1）X F=（0D）FC=（1）FZ=（0） 1 0 1 1 X F=（BE）FC=（1