基本運算器實驗

1、實驗報告專業(yè)名稱計算機科學與技術課程名稱計算機組成原理項目名稱基本運算器實驗班級學號姓名同組人員實驗日期一、實驗目的與要求實驗目的（ 1）了解運算器的組成結(jié)構（ 2）掌握運算器的工作原理實驗要求（ 1）實驗之前，應認真準備，寫出實驗步驟和具體設計內(nèi)容，否則實驗效率會很低，一次實驗時間根本無法完成實驗任務；（ 2）應在實驗前掌握所以控制信號的作用，寫出實驗預習報告并帶入實驗室；（ 3）實驗過程中，應認真進行實驗操作，既不要因為粗心造成短路等事故而損壞設備，又要自習思考實驗有關內(nèi)容；（ 4）實驗之后，應認真思考總結(jié)，寫出實驗報告，包括實驗步驟和具體實驗結(jié)果， 遇到的問題和分析與解決思路。還應寫出自

2、己的心得體會，也可以對教學實驗提出新的建議等。實驗報告要上交老師。二、實驗邏輯原理圖與分析畫實驗邏輯原理圖邏輯原理圖分析上圖為運算器原理圖。如圖所示運算器內(nèi)部含有三個獨立運算部件，分別為算術、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)構把移位運算器放于算術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 S0和 CN來決定（三選一開關），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FZ。 ALU中所有模塊集

3、成在一片CPLD中。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。 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，其余控制信號均由CON單元的二進制數(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，控制運算器的輸出。其余為高有效。暫存器 A和暫存器B的數(shù)據(jù)以及進位標志FC、 零標志FZ和數(shù)據(jù)總線D7 D0能在LED燈

4、上實時顯示。亮表示1，滅表示0。 LDA和 LDB用于控制算邏部件的輸入數(shù)據(jù)。滿足LDA=1且 T4傳來脈沖信號時，數(shù)據(jù)將會傳入暫存器A，同理當LEB=1且 T4傳來脈沖信號時，數(shù)據(jù)傳入B暫存器。邏輯運算部件由邏輯門構成，較為簡單，可將兩個數(shù)據(jù)按位進行與、或、異或，以及將一個數(shù)據(jù)的各位求非。有的運算器還能進行二值代碼的16 種邏輯操作。算術運算部件最基本的操作是加法。一個數(shù)與零相加，等于簡單地傳送這個數(shù)。 將一個數(shù)的代碼求補，與另一個數(shù)相加，相當于從后一個數(shù)中減去前一個數(shù)。將兩個數(shù)相減可以比較它們的大小。移位運算部件采用的是桶形移位器，一般采用交叉開關矩陣來實現(xiàn)，每一個輸入都通過開關與一個輸出

5、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。（ 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。三、數(shù)據(jù)通路圖及分析（畫出數(shù)據(jù)通路圖并作出分析）1、連接實驗電路，并檢查無誤；2、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，如果有警報聲響起，說明有總線競爭現(xiàn)象，應

6、立即關閉電源，重新檢查連線，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)；（ 1）撥動CON單元的SD27SD20數(shù)據(jù)開關，形成二進制數(shù)01100101（或其他數(shù)值） ，數(shù)據(jù)顯示亮為1 ，滅為 0 ；（ 2）置LDAR=，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A7 A0八位LED燈顯示；此時圖像如下所示：5、用輸入開關向暫存器B 置數(shù)；（ 1）撥動CON單元的SD27SD20數(shù)據(jù)開關，形成二進制數(shù)10100111（或其他數(shù)值）

7、 ；（ 2）置LDAR=，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；此時圖像如下所示：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=0，然后按表3 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。1）置S3、 S2、 S1、 S0為 0000，運算器做邏輯運算，圖像如下所示：2) 置 S3、 S2、 S1、 S0為 0001，運算器做邏輯運算，圖像如下所示：3)置S3、 S2、 S1、 S

8、0為 0010，運算器做邏輯運算，圖像如下所示：5）置S3、 S2、 S1、 S0為 0100，運算器做邏輯運算，圖像如下所示：6）置S3、 S2、 S1、 S0為 0101，運算器做移位運算，圖像如下所示：7)置S3、 S2、 S1、 S0為 0110， CN = 0 運算器做移位運算，圖像如下所示：9）置S3、 S2、 S1、 S0為 0111， CN = 0 運算器做移位運算，圖像如下所示：10）置S3、 S2、 S1、 S0為 0111， CN = 1 運算器做移位運算，圖像如下所示：11）置S3、 S2、 S1、 S0為 1000，運算器做算術運算，圖像如下所示：12）置S3、 S2

9、、 S1、 S0為 1001，運算器做算術運算，圖像如下所示：（ 13）置S3、 S2、 S1、 S0為 1010（ FC = 1 ） ，運算器做算術運算，圖像如下所示：14） 置 S3、 S2、 S1、 S0為 1011，運算器做算術運算，圖像如下所示：17）置S3、 S2、 S1、 S0為 1101，運算器做算術運算，圖像如下所示：15）置S3、 S2、 S1、 S0為 1100，運算器做算術運算，圖像如下所示：四、實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果分析實驗結(jié)果數(shù)據(jù)運算類型ABS3 S2 S1 S0CN結(jié)果邏輯運算65A70000XF=（ 65）FC=（ 0） FZ=（ 0）65A70001XF=（ A7）F

10、C=（ 0） FZ=（ 0）65A70010XF=（ 25）FC=（ 0） FZ=（ 0）65A70011XF=（ E7） FC=（ 0）FZ=（ 0）65A70100XF=（ 9A）FC=（ 0） FZ=（ 0）移位運算65A70101XF=（ CA） FC=（ 0） FZ=（ 0）65A701100F=（ 32）FC=（ 0） FZ=（ 0）65A71F=（ B2） FC=（ 1 ）FZ=（ 0）65A701110F=（ CA） FC=（ 1 ） FZ=（ 0）65A71F=（ CA） FC=（ 0） FZ=（ 0）算術運算65A71000XF=（ 65）FC=（ 1 ） FZ=（ 0）6

11、5A71001XF=（ 0C） FC=（ 1 ）FZ=（ 0）121010（ FC=0）XF=（ 03）FC=（ 0） FZ=（ 0）65A71010（ FC=1）XF=（ 0D） FC=（ 1）FZ=（ 0）65A71011XF=（ BE）FC=（ 1 ） FZ=（ 0）65A71100XF=（ 64）FC=（ 0） FZ=（ 0）65A71101XF=（ 66）FC=（ 0） FZ=（ 0）結(jié)果數(shù)據(jù)分析（ 1）運算器能實現(xiàn)二進制算術、邏輯和移位運算；（ 2）設置運算器的S3,S2,S1,S0,Cn ，可選擇運算器的不同功能；（ 3） 數(shù)據(jù)的輸入、輸出以及FC、 FZ標志狀態(tài)要通過LED顯示

12、燈觀察時都需要按下脈沖單元的ST按鈕；（ 4）計算前暫存器A、暫存器B 或 FC、 FZ不清零，則會影響運算結(jié)果；（ 5） 實驗時當FC=1， 清零后重新打入數(shù)據(jù)時要注意按動ST直到數(shù)據(jù)改變，（根據(jù) LED顯示燈的亮滅）否者可能會導致數(shù)據(jù)沒有傳入；（ 6）根據(jù)LED顯示燈讀數(shù)據(jù)時或輸入數(shù)據(jù)時，注意方向，A（D）0-A（D）7 還是A（D）7-A（D）0 ；（ 7）數(shù)據(jù)進入哪一個寄存器就必須開啟哪一個寄存器。譬如：要使數(shù)據(jù)只進入暫存器A則必須置LDA=1， LDB=0，且獲得T4脈沖信號。五、實驗問題分析、思考題與小結(jié)思考題1、 CON單元的SD27SD20數(shù)據(jù)開關置一個二進制數(shù)（任意） 、 置

13、 LDA=1、 LDB=0，連續(xù)按動時序單元的ST按鈕，實現(xiàn)了什么數(shù)據(jù)通路？答：數(shù)據(jù)開關LDA2、 CON單元的SD27SD20數(shù)據(jù)開關置一個二進制數(shù)（任意） 、 置 LDA=0、 LDB=1，連續(xù)按動時序單元的ST按鈕，實現(xiàn)了什么數(shù)據(jù)通路？答：數(shù)據(jù)開關LDB3、置ALU_B=、0LDA=0、LDB=0、置（S3、S2、S1、S0、M）=11111，實現(xiàn)了什么數(shù)據(jù)通路，進行了什么運算？答：LDA， LDB ART 多路開關BUS，進行的是算數(shù)運算，保留。4、置ALU_B=、0LDA=0、LDB=0、置（S3、S2、S1、S0、M）=10101，實現(xiàn)了什么數(shù)據(jù)通路，進行了什么運算？答：LDA， LDB ART 多路開關BUS，進行的是算數(shù)運算，F(xiàn)=A+B+FC。5、置ALU_B=、0LDA=0、LDB=0、置（S3、S2、S1、S0、M）=10101，運算結(jié)果是多少？答：F=A+B+F，C FC=0時 F=0D， FC=1時，F(xiàn)=0E。6、你對74181 的功能有哪些認識？答： 74181 是 4 位的算邏單元，其中紅色的標示為輸入信號，綠色的標示為輸出信號。 其中A/B 為兩個輸入的操作數(shù)據(jù)，