計算機組成原理 運算器實驗

科技學(xué)院課程設(shè)計實驗報告(2014--2015年度第一學(xué)期)名稱：計算機組成原理綜合實驗題目：運算器實驗院系：信息工程系班級：學(xué)號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：李梅王曉霞設(shè)計周數(shù)：一周成績：日期：2015年1月一、目的與要求（1）熟悉與深入理解4位的運算器芯片Am2901的功能和內(nèi)部組成，運行中要求使用的控制信號及其各自的控制作用；（2）熟悉與深入理解用4片4位的運算器芯片構(gòu)成16位的運算器部件的具體方案，各數(shù)據(jù)位信號、各控制位信號的連接關(guān)系；（3）熟悉與深入理解用2片GAL20V8芯片解決ALU最低位的進位輸入信號和最高、最低位的移位輸入信號、實現(xiàn)4位的標志位寄存器的方案，理解為什么這些功能不能在運算器芯片之內(nèi)實現(xiàn)而要到芯片之外另外處理。（4）明確教學(xué)計算機的運算器部件，使用總計23位的控制信號就完全確定了它的全部運算與處理功能，脫機運算器實驗中可以通過24位的微型開關(guān)中的23位提供這些控制信號，教學(xué)計算機正常執(zhí)行指令時，這些控制信號必須改由控制器部件來提供。在兩種方式下，每一位（組）的控制功能是完全相同的。二、實驗正文實驗內(nèi)容脫機運算器和聯(lián)機運算器的區(qū)別和聯(lián)系運算器是計算機硬件系統(tǒng)傳統(tǒng)的5大功能部件之一，承擔(dān)執(zhí)行運算和暫存運算。數(shù)據(jù)的功能，通常由執(zhí)行算術(shù)邏輯運算功能的ALU線路。暫存參加ALU運算的數(shù)據(jù)和中間運算結(jié)果的通用寄存器組、支持乘法運算的專用寄存器三部分組成，三部分之間通過多線路選擇器線路實現(xiàn)連接，從而構(gòu)成一個完整的運算器部件。TEC-XP16教學(xué)計算機的運算器部件，主體部分由4片4位長度的位片結(jié)構(gòu)的運算器芯片Am2901組成，每片Am2901可以接收來自內(nèi)部總線IB的4位輸入數(shù)據(jù)，其4為輸出直接送到地址寄存器AR的不同字段，并且經(jīng)過支持三態(tài)功能的開關(guān)門電路送到內(nèi)部總線IB。還要使用MACH芯片內(nèi)部的部分電路提供ALU最低位的進位輸入信號和最高、最低的移位輸入信號，使用一片GAL20V8實現(xiàn)4位的標志位寄存器FLAG，接收ALU輸出的4個標志位信號和來自內(nèi)存堆棧區(qū)的4位數(shù)據(jù)（用于恢復(fù)現(xiàn)場狀態(tài)信息），F(xiàn)LAG的4位輸出可以經(jīng)過一片帶支持三態(tài)功能的開關(guān)門電路送到內(nèi)部總線IB，用于保存現(xiàn)場狀態(tài)信息到堆棧區(qū)。教學(xué)機運算器部件的組成線路和信息連接關(guān)系如圖2．1所示。圖2.1運算器組成線路和信息連接關(guān)系運算器部件的教學(xué)實驗，要在教學(xué)計算機主板上進行，既可以在脫機方式下完成，也可以在聯(lián)機方式下完成。脫機運算器實驗方式是指使運算器部件完全脫離與計算機主機其他部件正常的連接關(guān)系，在完全孤立出來的運算器上進行的教學(xué)實驗。此時，只能通過數(shù)據(jù)開關(guān)撥入?yún)⒓舆\算的數(shù)據(jù)，通過微型開關(guān)提供操作運算器運行所必需的控制信號，通過信號指示燈觀察運算結(jié)果，操作簡單，實驗結(jié)果清晰易理解。圖2.2為16位運算器脫機實驗的環(huán)境，在計原16系統(tǒng)中，運算器最低位的進位輸入信號Cin和左右移位輸入信號RAM0、Q0、RAM15、Q15是由MACH芯片內(nèi)部的SHIFT線路提供的，圖左側(cè)的長方形部分是MACH內(nèi)部的線路。16個開關(guān)撥入的數(shù)據(jù)經(jīng)開關(guān)門電路送到內(nèi)部總線，內(nèi)部總線與運算器的輸入端D15~D0已經(jīng)連接。23位的微型開關(guān)的不同組合完成不同的控制，其各編碼對應(yīng)的控制功能給出在表2-1。脫機運算器實驗微型開關(guān)各字段的控制功能編碼I8~6I5~3I2~0REGQY功能RS000F→QFR+SAQ001FS–RAB010F→BAR–S0Q011F→BFR∨S0B100F/2→BQ/2→QFR∧S0A101F/2→BF/R∧SDA1102F→B2Q→QFR⊕SDQ1112F→BF/(R⊕S)D0脫機運算器實驗1根據(jù)預(yù)期要完成的運算設(shè)計實現(xiàn)方案，依據(jù)教學(xué)計算機的簡明操作卡中的有關(guān)表格中的規(guī)定內(nèi)容，找出實現(xiàn)每一操作功能要用到的控制碼。請把下表中各種控制信號的正確取值填寫在相應(yīng)位置。表1預(yù)期功能控制信號I8-6I5-3I2-0SSTA地址B地址SCISSHR0←1234R9←789FR9←R9-R0R0←R0+1R10←R0右移R0←R9∧R0Q←R9將上述七項運算的執(zhí)行結(jié)果填進下表。表2功能控制信號ALU輸出和CZVS（按Start之前）ALU輸出和CZVS（按Start之后）R0←1234R9←789FR9←R9-R0R0←R0+1R10←R0右移R0←R9∧R0Q←R9還是采用脫機運算器的方法，完成表3。表3運算I8-I0SSTSSHSCiBA壓START前壓START后ALU輸出CZVSALU輸出CZVS*D1