基本運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)報(bào)告專業(yè)名稱計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)課程名稱計(jì)算機(jī)組成原理項(xiàng)目名稱基本運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)班級學(xué)號姓名同組人員實(shí)驗(yàn)日期一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?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)要求（ 1）實(shí)驗(yàn)之前，應(yīng)認(rèn)真準(zhǔn)備，寫出實(shí)驗(yàn)步驟和具體設(shè)計(jì)內(nèi)容，否則實(shí)驗(yàn)效率會(huì)很低，一次實(shí)驗(yàn)時(shí)間根本無法完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)；（ 2）應(yīng)在實(shí)驗(yàn)前掌握所以控制信號的作用，寫出實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告并帶入實(shí)驗(yàn)室；（ 3）實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)認(rèn)真進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，既不要因?yàn)榇中脑斐啥搪返仁鹿识鴵p壞設(shè)備，又要自習(xí)思考實(shí)驗(yàn)有關(guān)內(nèi)容；（ 4）實(shí)驗(yàn)之后，應(yīng)認(rèn)真思考總結(jié)，寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括實(shí)驗(yàn)步驟和具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 遇到的問題和分析與解決思路。還應(yīng)寫出自

2、己的心得體會(huì)，也可以對教學(xué)實(shí)驗(yàn)提出新的建議等。實(shí)驗(yàn)報(bào)告要上交老師。二、實(shí)驗(yàn)邏輯原理圖與分析畫實(shí)驗(yàn)邏輯原理圖邏輯原理圖分析上圖為運(yùn)算器原理圖。如圖所示運(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），各部件對操作數(shù)進(jìn)行何種運(yùn)算由控制信號S3 S0和 CN來決定（三選一開關(guān)），任何時(shí)候，多路選擇開關(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(biāo)明進(jìn)位標(biāo)志FC和零標(biāo)志FZ。 圖中除 T4和 CLR， 其余信號均來自于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)序單元的TS4提供，其余控制信號均由CON單元的二進(jìn)制數(shù)據(jù)開關(guān)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(yùn)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(jìn)位標(biāo)志FC、 零標(biāo)志FZ和數(shù)據(jù)總線D7 D0能在LED燈

4、上實(shí)時(shí)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(shí)，數(shù)據(jù)將會(huì)傳入暫存器A，同理當(dāng)LEB=1且 T4傳來脈沖信號時(shí)，數(shù)據(jù)傳入B暫存器。邏輯運(yùn)算部件由邏輯門構(gòu)成，較為簡單，可將兩個(gè)數(shù)據(jù)按位進(jìn)行與、或、異或，以及將一個(gè)數(shù)據(jù)的各位求非。有的運(yùn)算器還能進(jìn)行二值代碼的16 種邏輯操作。算術(shù)運(yùn)算部件最基本的操作是加法。一個(gè)數(shù)與零相加，等于簡單地傳送這個(gè)數(shù)。 將一個(gè)數(shù)的代碼求補(bǔ)，與另一個(gè)數(shù)相加，相當(dāng)于從后一個(gè)數(shù)中減去前一個(gè)數(shù)。將兩個(gè)數(shù)相減可以比較它們的大小。移位運(yùn)算部件采用的是桶形移位器，一般采用交叉開關(guān)矩陣來實(shí)現(xiàn)，每一個(gè)輸入都通過開關(guān)與一個(gè)輸出

5、相連，把沿對角線的開關(guān)導(dǎo)通，就可實(shí)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(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(bǔ)的左移對角線一起激活。（ 3） 對于未連接的輸出位，移位時(shí)使用符號擴(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(shí)驗(yàn)電路，并檢查無誤；2、將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開關(guān)KK2置為單拍 檔， 開關(guān)KK1、 KK3置為運(yùn)行檔；3、打開電源開關(guān)，如果有警報(bào)聲響起，說明有總線競爭現(xiàn)象，應(yīng)

6、立即關(guān)閉電源，重新檢查連線，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；4、用輸入開關(guān)向暫存器A置數(shù)；（ 1）撥動(dòng)CON單元的SD27SD20數(shù)據(jù)開關(guān)，形成二進(jìn)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(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ALU單元的A7 A0八位LED燈顯示；此時(shí)圖像如下所示：5、用輸入開關(guān)向暫存器B 置數(shù)；（ 1）撥動(dòng)CON單元的SD27SD20數(shù)據(jù)開關(guān)，形成二進(jìn)制數(shù)10100111（或其他數(shù)值）

7、 ；（ 2）置LDAR=，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 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(shí)圖像如下所示：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(yùn)算器做邏輯運(yùn)算，圖像如下所示：2) 置 S3、 S2、 S1、 S0為 0001，運(yùn)算器做邏輯運(yùn)算，圖像如下所示：3)置S3、 S2、 S1、 S

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

9、、 S1、 S0為 1001，運(yùn)算器做算術(shù)運(yùn)算，圖像如下所示：（ 13）置S3、 S2、 S1、 S0為 1010（ FC = 1 ） ，運(yùn)算器做算術(shù)運(yùn)算，圖像如下所示：14） 置 S3、 S2、 S1、 S0為 1011，運(yùn)算器做算術(shù)運(yùn)算，圖像如下所示：17）置S3、 S2、 S1、 S0為 1101，運(yùn)算器做算術(shù)運(yùn)算，圖像如下所示：15）置S3、 S2、 S1、 S0為 1100，運(yùn)算器做算術(shù)運(yùn)算，圖像如下所示：四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)運(yùn)算類型ABS3 S2 S1 S0CN結(jié)果邏輯運(yùn)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(yùn)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(shù)運(yùn)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(yùn)算器能實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制算術(shù)、邏輯和移位運(yùn)算；（ 2）設(shè)置運(yùn)算器的S3,S2,S1,S0,Cn ，可選擇運(yùn)算器的不同功能；（ 3） 數(shù)據(jù)的輸入、輸出以及FC、 FZ標(biāo)志狀態(tài)要通過LED顯示

12、燈觀察時(shí)都需要按下脈沖單元的ST按鈕；（ 4）計(jì)算前暫存器A、暫存器B 或 FC、 FZ不清零，則會(huì)影響運(yùn)算結(jié)果；（ 5） 實(shí)驗(yàn)時(shí)當(dāng)FC=1， 清零后重新打入數(shù)據(jù)時(shí)要注意按動(dòng)ST直到數(shù)據(jù)改變，（根據(jù) LED顯示燈的亮滅）否者可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)沒有傳入；（ 6）根據(jù)LED顯示燈讀數(shù)據(jù)時(shí)或輸入數(shù)據(jù)時(shí)，注意方向，A（D）0-A（D）7 還是A（D）7-A（D）0 ；（ 7）數(shù)據(jù)進(jìn)入哪一個(gè)寄存器就必須開啟哪一個(gè)寄存器。譬如：要使數(shù)據(jù)只進(jìn)入暫存器A則必須置LDA=1， LDB=0，且獲得T4脈沖信號。五、實(shí)驗(yàn)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(guān)置一個(gè)二進(jìn)制數(shù)（任意） 、 置

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