計(jì)算機(jī)組成原理運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、.實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?1)了解運(yùn)算器的組成結(jié)構(gòu)(2)掌握運(yùn)算器的工作原理.實(shí)驗(yàn)?zāi)K及實(shí)驗(yàn)原理r 1ffl 1-1-1運(yùn)算署原理圖nut 0 ffli-U l圖交又開(kāi)美梢第移位餐原理本實(shí)驗(yàn)的原理如圖1-1-1所示。運(yùn)算器內(nèi)部含有三個(gè)獨(dú)立運(yùn)算部件， 分別為算術(shù)、邏輯和移位運(yùn)算部件，要 處理的數(shù)據(jù)存于暫存器 A和暫存器B ,三個(gè)部件同時(shí)接受來(lái)自A和B的數(shù)據(jù)(有些處理器體系結(jié)構(gòu)把移位運(yùn)算器放于算術(shù)和邏輯運(yùn)算部件之前，如ARM,各部件對(duì)操作數(shù)進(jìn)行何種運(yùn)算由控制信號(hào) S3-60和CN來(lái)決定，任何時(shí)候，多irwar路選擇開(kāi)關(guān)只選擇三部件中一個(gè)部件的結(jié)果作為 ALU的輸出。如果是影響進(jìn)位 的運(yùn)算，還將置進(jìn)位標(biāo)志F

2、C,在運(yùn)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邏輯運(yùn)算部件由邏輯門構(gòu)成，較為簡(jiǎn)單，而后面又有專門的算術(shù)運(yùn)算部件設(shè) 計(jì)實(shí)驗(yàn)，在此對(duì)這兩個(gè)部件不再贅述。移位運(yùn)算采用的是桶形移位器，一般采用 交叉開(kāi)關(guān)矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)，交叉開(kāi)關(guān)的原理如圖1-1-2所示。圖中顯示的是一個(gè)4X4 的矩陣(系統(tǒng)中是一個(gè)8X8的矩陣)。每一個(gè)輸入都通過(guò)開(kāi)關(guān)與一個(gè)輸出相連， 把沿對(duì)角線的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，就可實(shí)現(xiàn)移位功能，即：(1) 對(duì)于邏輯左移或邏輯右移功能，將一條對(duì)角線的開(kāi)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(méi)有同任何輸入相連的則輸出連接 0。(2) 對(duì)于循環(huán)右移功能，右移對(duì)角線同互補(bǔ)的左移

3、對(duì)角線一起激活。例如，在 4位矩陣中使用右1 '和左3 '對(duì)角線來(lái)實(shí)現(xiàn)右循環(huán)1位。(3) 對(duì)于未連接的輸出位，移位時(shí)使用符號(hào)擴(kuò)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(jìn)行移位總量譯碼和符號(hào)判別。運(yùn)算器部件由一片CPLD實(shí)現(xiàn)。ALU的輸入和輸出通過(guò)三態(tài)門74LS245連到 CPU內(nèi)總線上，另外還有指示燈標(biāo)明進(jìn)位標(biāo)志 FC和零標(biāo)志FZ。請(qǐng)注意：實(shí)驗(yàn)箱 上凡絲印標(biāo)注有馬蹄形標(biāo)記1 '，表示這兩根排針之間是連通的。圖中除T4 和CLR,其余信號(hào)均來(lái)自于ALU單元的排線座，實(shí)驗(yàn)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, C

4、LR都連接至CON單元的 CLR按鈕。T4由時(shí)序單元的TS4提供(時(shí)序單元的介紹見(jiàn)附錄二)，其余控制 信號(hào)均由CON#元的二進(jìn)制數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)模擬給出?？刂菩盘?hào)中除T4為脈沖信號(hào)外， 其余均為電平信號(hào)，其中ALU_BM氐有效，其余為高有效。暫存器A和暫存器B的向能在LED燈上實(shí)時(shí)顯示，原理如圖1-1-3所示 (以A0為例，其它相同)。進(jìn)位標(biāo)志FC、零標(biāo)志FZ和數(shù)據(jù)總線D7-D0的顯示 原理也是如此?！绑?|0< A0圖1-1. -3顯/展原理圖ALU和外圍電路白連接如圖1-1-4所示，圖中的小方框代表排針座。運(yùn)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(hào), F

5、C為進(jìn)位標(biāo)志，F(xiàn)Z為運(yùn)算器零標(biāo)志，表中功能欄內(nèi)的FG FZ表示當(dāng)前運(yùn)算會(huì)影 響到該標(biāo)志。f l?.U丁1M7 . 0圖144 ALU和外圍電連搜原理圖*1-1-1茸第期般用陵3052 sls0c、9 ,0000XF=A "圍)0001XF=B (M)是軟運(yùn)案咖。芹AB(FZ)0011XF=A+B(FZ)0100XF=/A(F2)01。X聲A不翻豳循耳方磬B便低3曲也(FZ)?！?0F二A謖輯右移一位(FZ)rad1F=A帶進(jìn)也翻右移一代(FC> FZ>01110F二A遐輯企移一他(FZ)1F=A帶進(jìn)優(yōu)循環(huán)龍移一位(FCt FZJI00DX置 FC=CN(FC)MlX&qu

6、ot;A加B(FC, FZ)1010XF-A加B加FC(ET. FZ)*術(shù)運(yùn)算LOHXf=A»B(FC, FZ)mXF=A 赫(FC. FZ)noiXF=A 加 1(K; FZ)iimX(保留)miXm年表中.為任意鬻F同三.實(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)果(1) 按圖1-1-5連接實(shí)驗(yàn)電路，并檢查無(wú)誤。圖中將用戶需要連接的信號(hào)用圓圈標(biāo)明(其它實(shí)驗(yàn)相同)。(2) 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān) KK2置為單拍檔，開(kāi)關(guān)KK1、KK3置為運(yùn) 行檔。(3) 打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，如果聽(tīng)到有嘀報(bào)警聲，說(shuō)明有總線競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，應(yīng)立即關(guān)閉電源，重新檢查接線，直到錯(cuò)誤排除。然后按動(dòng) CONI元的CLR按鈕，將運(yùn)算器的A、B和FG F

7、Z清零。國(guó)坪塞戰(zhàn)圖(4) 用輸入開(kāi)關(guān)向暫存器A置數(shù)。 撥動(dòng)CONM元的SD27-SD20數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)，形成二進(jìn)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(dòng)時(shí)序單元的ST按鈕，產(chǎn)生一個(gè)T4上沿,則將 二進(jìn)制數(shù)01100101置入暫存器A中，暫存器 A的值通過(guò)ALU單元的A7A0 八位LED燈顯示。(5) 用輸入開(kāi)關(guān)向暫存器B置數(shù)。 撥動(dòng)CONI元的SD27-SD20數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)，形成二進(jìn)制數(shù)10100111 (或其它 數(shù)值)。 置LDA=0 LDB=1連續(xù)按動(dòng)時(shí)序單元的ST按鈕，產(chǎn)生一個(gè)T4上沿，則將 二進(jìn)制數(shù)10100111

8、置入暫存器B中，暫存器B的值通過(guò)ALU單元的B7-B0 八位LED燈顯示。(6) 改變運(yùn)算器的功能設(shè)置，觀察運(yùn)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)永總線LED顯示燈 顯示的結(jié)果。如置S3、S2、S1、S0為0010 ,運(yùn)算器作邏輯與運(yùn)算，置S3、S2、 S1、S0為1001 ,運(yùn)算器作加法運(yùn)算。如果實(shí)驗(yàn)箱和PC聯(lián)機(jī)操作，則可通過(guò)軟件中的數(shù)據(jù)通路圖來(lái)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，方法是：打開(kāi)軟件，選擇聯(lián)機(jī)軟件的”【實(shí)驗(yàn)】一【運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)】"，打開(kāi)運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)通路圖，如圖 1-1-6所示。進(jìn) 行上面的手動(dòng)操作，每按動(dòng)一

9、次 ST按鈕，數(shù)據(jù)通路圖會(huì)有數(shù)據(jù)的流動(dòng)，反映當(dāng) 前運(yùn)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(dāng)于 將時(shí)序單元的狀態(tài)開(kāi)關(guān)KK2置為單拍檔后按動(dòng)了一次 ST按鈕，數(shù)據(jù)通路圖 也會(huì)反映當(dāng)前運(yùn)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(yàn)證FC、FZ的鎖存功能。圈24費(fèi)厘厚用結(jié)果(65) FC= (0) FZ= (0)(A7) FC= (0) FZ= (0)(25) FC= (0) FZ= (0)(E7) FC= (0) FZ= (0)(9A) FC= (0) FZ= (0)(CA FC= (0) FZ= (0)(32) FC= (0) FZ= (0)

10、(B2) FC= (1) FZ= (0)(CA FC= (0) FZ= (0)(CA FC= (0) FZ= (0)(65) FC= (0) FZ= (0)(00 FC= (1) FZ= (0)表1-1-2運(yùn)算結(jié)果表運(yùn)算類型 A B S3S2S1S0 CN65 A7 0 0 0 0XF=65 A7 0 0 0 1XF=邏輯運(yùn)算0 0 1 0 X F=00 1 1XF=0 1 0 0XF=0 1 0 1XF=0 1 1 00F=移位運(yùn)算1 F二01 1 10F=1 F=1 0 0 0XF=1 0 0 1XF=(FC=O X F=(0D)FC= (1) FZ= (0)(FC=D XF=F=F=F=算術(shù)運(yùn)算1 0101 01