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B運(yùn)算器原理圖BB M-2交又開(kāi)關(guān)樟明移位騫原理圖本實(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 FC,在運(yùn)算結(jié)果輸出前，置 ALU零標(biāo)志

2、。ALU中 所有模塊集成在一片CPLD中。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)的左移對(duì)角線一起激活。 例如，在4 位矩

3、陣中使用右1 和'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，另外還有指示燈坤明禮位標(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11 ；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, CLR都連接 至CON單元的CLR按鈕。T4由時(shí)序

4、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單元的二進(jìn)制數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)模擬給出。控制信號(hào)中 除T4為脈沖信號(hào)外，其余均為電平信號(hào)，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(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。MC |<A0H 1-1-3 A0星示JK理圖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(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), FC為進(jìn)位標(biāo)志，F(xiàn)Z為運(yùn)算器零標(biāo)志，表中功能

5、欄內(nèi)的 FC、FZ表示當(dāng)前運(yùn)算 會(huì)影響到該標(biāo)志。CR orTIl7. . 口圖I. J ALU和外國(guó)電啕豺HR理圖1E1-M弱困1S3S2SI SOC5c «0000XF=A (O)0001XIB (H)運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)尊0010XF 二 AB(FZ)0011XF=A+B(FZ)0100XF-A(FZ)(0101XF=A不帶進(jìn)位僧壞后移Bft(FZ)01100FM跚右移一位(FZ)移位運(yùn)算14A帶迸位循環(huán)行移低g F2)OHL0F=A 1"左移一位(FZ)1FM帶進(jìn)位循環(huán)左將一位(FCt FZ)1000XE FOCN(FC)1001XF二A 加 B(FC, FZ)1 JOIOXaA加

6、B加FC(FC, FZ)算槌算10J1X拄A減B(FC, FZ)1100XF-AJi (FC, FZ)1101XF=A 加 1(FC, FZ)1110X(保留)111!X解留)，表中.為任意態(tài).下同三.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置為單拍才V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)CON單元的CLR按鈕，將運(yùn)算器的A、B和FC、 FZ清零。ALE.H 京!SOCnLM

7、LW 必笳SO3Oi：W H實(shí)除接畿圖(4)用輸入開(kāi)關(guān)向暫存器A置數(shù)。 撥動(dòng)CON單元的SD27-6D20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)CON單元的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

8、二進(jìn)制數(shù)10100111置入暫存器B中，暫存器B的值通過(guò)ALU單元的 B7B0八位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)據(jù)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1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

9、手動(dòng)操作，每按動(dòng)一次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)了一然T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。圖 2-6表1-1-2運(yùn)算結(jié)果表運(yùn)算類型ABS3S2S1S0CN結(jié)果65A70 0 0 0XF= (65) FC= (0) FZ= (0)65A70 0 0 1XF= (A7) FC= (0) FZ= (0)邏輯運(yùn)算0 0 1 0XF= (25) FC= (0) FZ= (0)0 0

10、1 1XF= (E7) FC= (0) FZ= (0)0 1 0 0XF= (9A) FC= (0) FZ= (0)0 1 0 1XF= (CA) FC= (0) FZ= (0)0 1 1 00F= (32) FC= (0) FZ= (0)移位運(yùn)算1F= (B2) FC= (1) FZ= (0)0 1 1 10F= (CA) FC= (0) FZ= (0)1F= (CA) FC= (0) FZ= (0)1 0 0 0XF= (65) FC= (0) FZ= (0)1 0 0 1XF= (0C) FC= (1) FZ= (0)算術(shù)運(yùn)算10 1 0 (FC=0) X1 0 1 0 (FC=1) X1 0 1 1X1 1 0 0X1 1 0 1XF= (0D) FC= (1) FZ=