計算機組成原理運算器的實驗報告

1、實驗目的及要求(1) 了解運算器的組成結(jié)構(gòu)(2) 掌握運算器的工作原理 實驗模塊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S3 SO和CN來決定，任何時候，多路選擇開關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，還將置進位標志FC,在運算結(jié)果輸出前，置 ALU零標志。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

2、，較為簡單，而后面又有專 門的算術(shù)運算部件設計實驗，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，一般采用交叉開關矩陣來實 現(xiàn)，交叉開關的原理如圖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 關與一個輸出相連，把沿對角線的開關導通，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導通，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

3、的輸出位，移位時使用符號擴展或是0填 充，具體由相應的指令控制。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，另外還有指示燈標明 進位標志FC和零標志FZ。請注意：實驗箱上凡絲印標注有 馬蹄形標記 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

4、數(shù)據(jù)開關模擬給出。控制信號中 除T4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）。進位標志FC、 零標志FZ和數(shù)據(jù)總線D7-D0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 SO CN為控制信號，F(xiàn)C為進位標志，F(xiàn)Z為運算器零標志，表中 功能欄內(nèi)的FC FZ表示當前運算會影響到該標志。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

5、用圓圈標明(其它實驗相同)。 將時序與操作臺單元的開關KK2置為單拍檔，開關KK1、KK3置為運行檔。(3) 打開電源開關，如果聽到有嘀報警聲，說明有總線競爭現(xiàn)象，應立即關閉電源，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）用輸入開關向暫存器 A置數(shù)。 撥動CON單元的SD27-SD20數(shù)據(jù)開關，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=Q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A7-A0八位

6、LED燈顯示。（5）用輸入開關向暫存器 B置數(shù)。 撥動CON單元的SD27-SD20數(shù)據(jù)開關，形成二進制數(shù)10100111 （或其它數(shù)值）。 置LDA=Q 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置，觀察運算器的輸出。置ALU_B=0 LDA=0 LDB=Q 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、SO為0010 ,運算器作邏輯與運算， 置S3、 S2、S1、S0為

7、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】一【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，反映當前運算器所做的操作，或在軟件 中選擇“【調(diào)試】一【單節(jié)拍】”，其作用相當于將時序單元 的狀態(tài)開關KK2置為單拍檔后按動了一次ST按鈕，數(shù)據(jù)通路圖也會反映當前運算器所做的操作。重復上述操作，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 CN65

8、)A7 0 0 0 0XF=FC= (0)FZ= (0)65)A7 0 0 0 1XF=FC= (0)FZ= (0)邏輯運算0 0 10XF=FC= (0)FZ= (0)0 0 1 1XF=FC= (0)FZ= (0)0 1 0 0XF=FC= (0)FZ= (0)0 1 0 1XF=FC= (0)FZ= (0)0 1 1 00F=FC= (0)FZ= (0)移位運算1F=FC=( 1)FZ= (0)0 1 1 10F=FC= (0)FZ= (0)結(jié)果1F=(65)(A7)(25)(E7)(9A)(CA)(32)(B2)(CA)(CA)FC= ( 0) FZ= (0)1 0 0 0XF=（65）FC=（ 0）FZ=（ 0）1 0 0 1XF=（0C）FC=（ 1）FZ=（ 0）1 0 1 0（FC=0） XF=（0D）FC=（ 1）FZ=（ 0）算術(shù)運算1 0 10（FC=1）XF=（0D）FC=（ 1）FZ=（ 0）1 0 1 1XF=（BE