計算機(jī)組成原理第一次實驗

1、計算機(jī)組成原理實驗報告 姓名： 學(xué)號： 班級： 專業(yè)： 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 報告日期： 2013 年 10 月 26 日計 算 機(jī) 科 學(xué) 與 技 術(shù) 學(xué) 院目 錄一、實驗?zāi)康?二、實驗設(shè)備1三、實驗要求11. 作好預(yù)習(xí)12. 實驗實施1四、設(shè)計思路、電路實現(xiàn)與電路分析說明11、原理圖22、設(shè)計思路33、 分析說明34、 各芯片介紹4五、實驗結(jié)果記錄與分析51、實驗過程1構(gòu)造八位運(yùn)算器檢測記錄：52、實驗過程2添加溢出檢測檢測記錄：63、實驗過程3添加373芯片后檢測記錄：64、實驗過程4添加求補(bǔ)電路后檢測記錄：65、常用的控制位：66、溢出三種情況：7六、實驗步驟71、實驗前的準(zhǔn)備72、具體實

2、施7七、實驗中遇到的問題及解決辦法9八、收獲與體會9一、實驗?zāi)康?. 掌握帶累加器的運(yùn)算器實驗；2. 掌握溢出檢測的原理和實現(xiàn)方法；3. 理解有符號數(shù)和無符號數(shù)運(yùn)算的區(qū)別；4. 理解基于補(bǔ)碼的加/減運(yùn)算實現(xiàn)原理；5. 熟悉運(yùn)算器的數(shù)據(jù)傳輸通路。二、實驗設(shè)備 1. 實驗臺： JZYL型計算機(jī)組成原理實驗儀一臺 2. 主要芯片： 74LSl81：運(yùn)算器芯片2片 74LS373：八D鎖存器2片 其它基本器件若干三、實驗要求 1. 作好預(yù)習(xí)1) 掌握運(yùn)算器的數(shù)據(jù)傳送通路和74181ALU的功能特性；2) 熟悉ALU并行進(jìn)位的工作原理和實現(xiàn)方法；3) 掌握溢出檢測的原理和實現(xiàn)方法；4) 理解有符號數(shù)和無

3、符號數(shù)運(yùn)算；5) 在課外利用EDA軟件先設(shè)計功能電路,并進(jìn)行功能仿真。 2. 實驗實施1) 分功能模塊設(shè)計各功能單元電路,對設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)的分析與說明；2) 逐步將各功能模塊集成；3) 設(shè)計特定數(shù)據(jù),驗證各模塊的功能,做好數(shù)據(jù)的記錄工作。四、設(shè)計思路、電路實現(xiàn)與電路分析說明以74LSl81運(yùn)算器芯片為核心的電路，能夠?qū)崿F(xiàn)多種運(yùn)算，并能使用歷史結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行累計運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果可以使用燈和數(shù)碼管來顯示。在功能方面要求支持有符號數(shù)和無符號數(shù)運(yùn)算、支持補(bǔ)碼加/減運(yùn)算以及支持有符號數(shù)溢出檢測等；在數(shù)據(jù)來源方面包括一個累加器和一組開關(guān)。通過手動操作，首先能夠通過運(yùn)算數(shù)據(jù)存入累加器中，再選擇不同的運(yùn)算控制信號，

4、實現(xiàn)不同功能的運(yùn)算，最后將結(jié)果存入到累加器中。1、原理圖2、設(shè)計思路、溢出部分算法：我們分別用兩個燈來顯示無符號和有符號的運(yùn)算溢出檢測。無符號的溢出檢測，直接看高位181芯片的向高位進(jìn)位端是否是高電平，我們把端取反后與一個檢測信號燈連接，如果燈顯示紅色則有溢出，如果燈顯示藍(lán)色則無溢出；有符號的溢出檢測，思路是兩個不同符號的數(shù)相加是不會有溢出的，只有當(dāng)兩個加數(shù)符號相同，而得出結(jié)果符號不同時，則表明溢出，因此，可根據(jù)操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果的符號是否一致進(jìn)行檢測。假設(shè)A、B分別為兩塊181芯片的最高位，F(xiàn)為高位181芯片的進(jìn)位，V為溢出標(biāo)志位，當(dāng)V取一時表示發(fā)生溢出。則輸出為。將輸出與一個信號燈連接，如果

5、燈顯示紅色則有溢出，如果燈顯示藍(lán)色則無溢出。、求補(bǔ)邏輯：只需將每一個輸入位都與控制位S異或，再接入芯片原位置即可，同時通過控制最低位的進(jìn)位位（通過開關(guān)控制，開關(guān)撥下，即=0時，表示作加法，開關(guān)撥上，即=1時，表示作減法），將其接入到低位181芯片的輸入端即可實現(xiàn)求補(bǔ)。3、 分析說明我們的求補(bǔ)邏輯參考了課本求補(bǔ)電路的思路。因為正數(shù)的補(bǔ)碼是其本身，只有負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼才取反加一，所以當(dāng)我們需要輸入正數(shù)時，就不需要經(jīng)過求補(bǔ)電路，而輸入負(fù)數(shù)時，才需要通過求補(bǔ)邏輯求補(bǔ)。以上過程是由一個開關(guān)按鈕S控制，需要輸入正數(shù)時，S撥低電平，此時也撥低電平，需要輸入負(fù)數(shù)時，還是以正數(shù)形式輸入，S撥到高電平，同時也撥高電平，

6、就可以直接將其變?yōu)樨?fù)數(shù)的補(bǔ)碼形式。74LS181的功能表：4、 各芯片介紹1）74LS373：74LS373是一個8D鎖存器。當(dāng)三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時，O0O7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負(fù)載或總線。當(dāng) OE 為高電平時，O0O7 呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。 當(dāng)鎖存允許端 LE 為高電平時，O 隨數(shù)據(jù) D 而變。當(dāng) LE 為低電平時，O 被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當(dāng) LE 端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善 400mV。 引出端符號： D0D7 數(shù)據(jù)輸入端 OE 三態(tài)允許控制端（低電平有效） LE 鎖存允許端 O

7、0O7 輸出端 74LS373管腳圖74LS373真值表DnLEOEOnHHLHLHLLXLLQ0XXH高阻態(tài)2）74LS181：74LS181是一個四位運(yùn)算器。實驗中要用多個如下圖所示的異或門來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的奇偶校驗。五、實驗結(jié)果記錄與分析1、實驗過程1構(gòu)造八位運(yùn)算器檢測記錄：構(gòu)造八位運(yùn)算器檢測記錄表S3 S2 S1 S0數(shù)據(jù)A數(shù)據(jù)B運(yùn)算結(jié)果MCn100100000001000000010000001001100100000010000000010000001101100100000001000000100000001101100110000000100000000000000001111000

8、00000100000001000000001111000000001000000000000000111110000000000000000100000001111101010101001010101111111111該記錄表明：8位運(yùn)算器構(gòu)造成功2、實驗過程2添加溢出檢測檢測記錄：添加溢出檢測檢測記錄表S3 S2 S1 S0數(shù)據(jù)A數(shù)據(jù)B運(yùn)算結(jié)果MCn有符號溢出無符號溢出100101111111000000000111111101001001011111110111111111111110011010011111111110000000011111110111該記錄表明：溢出檢測添加成功，達(dá)

9、到了預(yù)期效果3、實驗過程3添加373芯片后檢測記錄：添加373芯片后檢測記錄表脈沖A脈沖BS3S2S1S0數(shù)據(jù)結(jié)果A結(jié)果BMCn10100100000001000000010000000001011001000000010000000100000001011010010000000100000010000000010101100100000001000000100000001001101001000000100000010000000010010110010000001000000100000001000110100100000010000001100000010001011001000000

10、10000001100000011001該記錄表明：可實現(xiàn)累計和數(shù)據(jù)傳送4、實驗過程4添加求補(bǔ)電路后檢測記錄：添加求補(bǔ)電路后檢測記錄表脈沖A脈沖BS3S2S1S0數(shù)據(jù)結(jié)果A結(jié)果BMCn0/1101001000001010000010100000000011011001000001010000010100000101011001001100000110000010100000101000101001100000110000001000000101000該記錄表明：可實現(xiàn)求補(bǔ)功能并完成負(fù)數(shù)運(yùn)算和減法運(yùn)算5、常用的控制位：S1 S2 S3 S4MCn加法100101求反00001減法011000直傳

11、10106、溢出三種情況：、8位無符號相加的溢出。選取數(shù)據(jù)要用上芯片間進(jìn)位；、正數(shù) + 正數(shù) 的溢出；、負(fù)數(shù) + 負(fù)數(shù) 的溢出。六、實驗步驟1、實驗前的準(zhǔn)備1)、復(fù)習(xí)有關(guān)運(yùn)算器的內(nèi)容，對數(shù)據(jù)通路的構(gòu)成、數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)通路中的流動及控制方法有基本的了解；2)、熟悉電路中各部分的關(guān)系及信號間的邏輯關(guān)系；3)、參考芯片手冊，自己設(shè)計實驗電路，畫出芯片間管腳的連線圖，標(biāo)上引腳號，節(jié)省實驗的時間；4)、對所設(shè)計的電路進(jìn)行檢查，重點(diǎn)是檢查能否控制數(shù)據(jù)在電路中不同部件之間的傳輸。2、具體實施1）、第一步：本步主要完成兩個181芯片的連接，能實現(xiàn)基本的八位數(shù)加、減法運(yùn)算； 2）、第二步：增加一個373； 3）、第

12、三步：再增加一個373； 4）、第四步：本步注重求補(bǔ)邏輯的設(shè)計；5）、第五步：本步注重溢出部分的設(shè)計，怎樣表示無符號數(shù)與有符號數(shù)運(yùn)算的溢出，最終得到如下的結(jié)構(gòu)圖：七、實驗中遇到的問題及解決辦法本次實驗中遇到了許多問題，主要集中在以下幾個方面：1、燈閃爍的問題：打開開關(guān)后，將一些燈與開關(guān)連接，進(jìn)行測試時發(fā)現(xiàn)燈總是在閃，感覺像是接觸不良，問過老師后，發(fā)現(xiàn)是接入的頻率過低，適當(dāng)調(diào)高之后，發(fā)現(xiàn)燈閃爍的現(xiàn)象消失了；2、 進(jìn)位和補(bǔ)碼控制沖突問題：在實驗檢測中，只有當(dāng)進(jìn)行有符號數(shù)運(yùn)算時我們才會把求補(bǔ)開關(guān)S撥到高電平，而其他運(yùn)算，例如無符號加減運(yùn)算，S就只能撥到低電平。按照一開始的設(shè)計思路，我們的S是直接與低

13、位181芯片的低位進(jìn)位信號輸入端Cn相連的，因此這直接導(dǎo)致在執(zhí)行無符號加減運(yùn)算時Cn是不可控的，也就是說，我們只能完成補(bǔ)碼的減法運(yùn)算，不能正常的實現(xiàn)算數(shù)減法等關(guān)于無符號數(shù)的運(yùn)算。為了集無符號與有符號運(yùn)算于一體，我們就必須要通過控制Cn來執(zhí)行加減運(yùn)算，并區(qū)分是有符號的（補(bǔ)碼參與）運(yùn)算，還是無符號的運(yùn)算，所以這里存在矛盾。因此我們討論之后，最終決定再用一個開關(guān)來加強(qiáng)對Cn的控制，這里我們就稱它為Cn，我們把開關(guān)Cn與S經(jīng)過異或門后再接入低位181的Cn端，這樣，當(dāng)S為0時，Cn的值就直接由開關(guān)Cn決定；當(dāng)S為1時，也不會影響補(bǔ)碼的加法運(yùn)算。3、 溢出問題：在執(zhí)行溢出檢測時，無符號數(shù)的運(yùn)算的溢出能夠

14、正常的顯示，而有符號數(shù)的運(yùn)算的溢出不能正常顯示。這個問題困擾了我們很久，明明是按照書本上給出的有符號數(shù)運(yùn)算的溢出檢測公式來設(shè)計的電路，而且經(jīng)檢查不是線路連接的問題，為什么結(jié)果總是不對呢？最后還是同組的瑞麗同學(xué)搶先發(fā)現(xiàn)了問題的所在，是我們的操作存在不當(dāng)之處，并不是電路本身存在問題。我們觀察補(bǔ)碼運(yùn)算的溢出顯示時，在通過181執(zhí)行完累加的功能后，往往會執(zhí)行兩次鎖存并傳輸數(shù)據(jù)到AC的操作，之后再來觀察，難怪得不到正確的結(jié)果。實際上，在做完累加并在執(zhí)行兩次鎖存之前就應(yīng)該先觀察，這是得到的才是正確的溢出顯示，在執(zhí)行完了兩次鎖存并傳輸數(shù)據(jù)到AC的操作之后，實際上多進(jìn)行了一次加法的工作，實現(xiàn)的是三個數(shù)的相加，

15、溢出顯示結(jié)果顯然同一開始兩個數(shù)相加時得到的結(jié)果是不同的，所以產(chǎn)生了錯誤八、收獲與體會這是計算機(jī)組成原理的第一次實驗，因為之前做過數(shù)字邏輯的實驗，而且老師也對實驗臺進(jìn)行了介紹，所以雖然是第一次接觸該實驗臺，但是對實驗儀器還是相對熟悉的，掌握各芯片的基本原理及使用方法也相對比較簡單。這次實驗老師在講解的過程中給出了整個實驗的思路，并將實驗分為了四塊，每塊遞進(jìn)處理，根據(jù)每一步給出的實驗原理圖來連接實際的電路，并不是一件很困難的事。我們開始實驗后，做的第一件事就是檢查實驗儀器與芯片的好壞，可能是這次運(yùn)氣比較好，實驗臺是最近才修過的，所以基本上所有的開關(guān)與燈泡都能正常使用，檢驗之后，發(fā)現(xiàn)兩個181芯片與

16、兩個373芯片也沒有任何問題，于是接下來我們就放心的開始連線了?？赡苁呛苡袥]有連過電路了吧，我們的速度一開始不是很快，加上檢查儀器與芯片耗費(fèi)了較多時間，我們連第一步對應(yīng)的電路比其他組都稍微慢了一些。但是我們并沒有氣餒，在檢驗發(fā)現(xiàn)能正常實現(xiàn)累加器的功能后，我們舒了口氣，也找到了一些信心，開始繼續(xù)第二步的操作。在第二步的電路連好之后，我們又回過頭重新測試了一下檢驗第一步時用過的數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)存在一些異常，和其他組對比了一下，發(fā)現(xiàn)用他們完成了第二步后的電路測試我們第一步用過的數(shù)據(jù)時，得出的結(jié)果和我們單獨(dú)只用第一步的電路運(yùn)算時得到的結(jié)果是一樣的。很明顯，肯定是我們在實現(xiàn)第二步的時候哪個地方出錯了為了找出錯誤，我們檢查了電路，發(fā)現(xiàn)沒有連錯，但究竟是為什么運(yùn)算結(jié)果不正確呢？當(dāng)時在這個階段困擾了我們很久，我甚至有種想把電路全部拆掉重新連的沖動最后實在是沒辦法了，便找了鄰組的一個同學(xué)來幫忙查錯，在一個小時過后，終于我們看到希望了，原來罪魁禍?zhǔn)拙谷皇沁B接兩個181芯片使能端到