計(jì)算機(jī)中的運(yùn)算器部件實(shí)驗(yàn)課件

教學(xué)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)終端PC機(jī)微程序控制器運(yùn)算器(16位)主存儲(chǔ)器（16位）按鍵開關(guān)指示燈串行接口接口實(shí)驗(yàn)中斷實(shí)驗(yàn)內(nèi)存擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)電源+5V硬布線控制器RESET,START按鍵運(yùn)行功能選擇開關(guān)兩個(gè)12位的微型開關(guān)16位的手撥輸入開關(guān)微程序控制器小板串行口接線座5V直流電源電源開關(guān)組合邏輯控制器運(yùn)算器內(nèi)存儲(chǔ)器串口電路I8~6I5~3I2~0SSTSCISSHA口B口教學(xué)計(jì)算機(jī)運(yùn)算器實(shí)例教學(xué)計(jì)算機(jī)運(yùn)算器字長(zhǎng)16位，用4片4位的位片結(jié)構(gòu)的Am2901組成。Am2901芯片的內(nèi)部組成和實(shí)現(xiàn)的功能怎樣連接4片Am2901成為16位的運(yùn)算器怎樣解決運(yùn)算器實(shí)用中的幾個(gè)問題：(1)運(yùn)算器最低位進(jìn)位輸入信號(hào)

Cin

的形成(2)運(yùn)算器4位標(biāo)志位信號(hào)的接收與記憶線路(3)移位時(shí)最高、最低位的移位輸入信號(hào)設(shè)計(jì)二選一B16個(gè)A通用寄存器三選一二選一三選一三選一ALUSRB鎖存器A鎖存器乘商寄存器QCn/OEQ3Q0RAM0RAM3F輸出YF3F=0000OVRCn+4輸入DA口地址B口地址Am2901內(nèi)部組成組成算邏運(yùn)算部件通用寄存器組乘商寄存器Q功能8種運(yùn)算功能8種數(shù)據(jù)組合8種結(jié)果處理ALUSRCnFF3F=0000OVRCn+4Am2901芯片是一個(gè)4位的位片結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器器件,其內(nèi)部組成如下：第一個(gè)組成部分是算邏運(yùn)算部件ALU,完成3種算術(shù)運(yùn)算和5種邏輯運(yùn)算，共計(jì)8種功能。其輸出為F，兩路輸入為S、R，最低位進(jìn)位Cn，4個(gè)狀態(tài)輸出信號(hào)如圖所示符號(hào)位結(jié)果為零結(jié)果溢出進(jìn)位輸出R⊕SR⊕S8種運(yùn)算功能0000010100111001011101113位功能選擇碼I5I4I3R+SSRRSR?

SRSRSB16個(gè)A通用寄存器ALUSRB鎖存器A鎖存器CnFF3F=0000OVRCn+4A口地址B口地址第二個(gè)組成部分是通用寄存器組由16個(gè)寄存器構(gòu)成，并通過B口與A口地址選擇被讀的寄存器，B口地址還用于指定寫入寄存器通過B口地址、A口地址讀出的數(shù)據(jù)將送到B、A鎖存器，要寫入寄存器的數(shù)據(jù)由一個(gè)多路選擇器送來。（寫入）B16個(gè)A通用寄存器ALUSRB鎖存器A鎖存器Q寄存器CnFF3F=0000OVRCn+4A口地址B口地址第三個(gè)組成部分是乘商寄存器Q它能對(duì)自己的內(nèi)容完成左右移位功能，其輸出可以送往ALU，并可接收ALU的輸出結(jié)果。該芯片的第四個(gè)組成部分是5組多路選通門,包括B16個(gè)A通用寄存器三選一二選一ALUSRB鎖存器A鎖存器Q寄存器CnFF3F=0000OVRCn+4輸入DA口地址B口地址一組三選一門和另一組二選一門用來選擇送向ALU的R、S輸入端的數(shù)據(jù)來源，包括Q寄存器、A口、B口、外部輸入D數(shù)據(jù)的8種不同組合。8種數(shù)據(jù)組合(R，S)AQAB0Q0B0ADADQD03位數(shù)據(jù)選擇碼000001010011100101110111I2I1I0B16個(gè)A通用寄存器三選一二選一三選一三選一ALUSRB鎖存器A鎖存器Q寄存器CnQ3Q0RAM0RAM3FF3F=0000OVRCn+4輸入DA口地址B口地址一組三選一門完成把ALU的輸出、或左移一位、或右移一位的值送往通用寄存器組，最高、最低位移位信號(hào)有雙向入/出問題一組三選一門完成Q寄存器的左移一位、或右移一位、或接收ALU輸出值的功能，最高、最低位移位信號(hào)有雙向入/出問題。二選一B16個(gè)A通用寄存器三選一二選一三選一三選一ALUSRB鎖存器A鎖存器Q寄存器Cn/OEQ3Q0RAM0RAM3F輸出YF3F=0000OVRCn+4輸入DA口地址B口地址一組二選一門，選擇把A口數(shù)據(jù)或ALU結(jié)果送出芯片，以給出輸出Y的數(shù)據(jù)，Y輸出的有無還受輸出使能/OE信號(hào)的控制，僅當(dāng)/OE為低是才有Y輸出，/OE為高，Y輸出為高阻態(tài)。8種結(jié)果處理3位控制碼通用寄存器Q寄存器Y輸出

000QFF001F010BFA011BFF100BF/2QQ/2F101BF/2F110B2FQ2QF111B2FFI8I7I6Am2901的控制信號(hào)編碼

I8I7I6I5I4I3I2I1I0000QFFR+SAQ001FS?RAB010BFAR?S0Q011BFFR?

S0B100BF/2QQ/2FRΛS0A101BF/2FRΛSDA110B2FQ2QFR⊕SDQ111B2FFR⊕SD0BQYRS存移輸出巧安排存移輸出巧安排存移輸出巧安排存移輸出巧安排二選一三選一二選一三選一三選一Q3Q0RAM0RAM3ALUSRCnFF3F=0000OVRCn+4B16個(gè)A通用寄存器B鎖存器A鎖存器A口地址B口地址運(yùn)算器，三大件運(yùn)算暫存乘除快多路選通連起來數(shù)據(jù)組合選擇I2I1I0運(yùn)算功能選擇I5I4I3運(yùn)算結(jié)果處理I8I7I6運(yùn)算暫存乘除快數(shù)據(jù)組合有內(nèi)外運(yùn)算功能指明白多路選通連起來Q寄存器輸入D/OE輸出Y二選一B16個(gè)A通用寄存器三選一二選一三選一三選一ALUSRB鎖存器A鎖存器乘商寄存器QCn/OEQ3Q0RAM0RAM3F輸出YF3F=0000OVRCn+4輸入DA口地址B口地址Am2901內(nèi)部組成組成算邏運(yùn)算部件通用寄存器組乘商寄存器Q功能8種運(yùn)算功能8種數(shù)據(jù)組合8種結(jié)果處理I5~I3I2~I0I8~I6“3+5”運(yùn)算實(shí)例計(jì)算步驟將“3”送入寄存器R0將“5”送入寄存器R1R0+R1,結(jié)果送入R0“3+5”運(yùn)算實(shí)例——步驟一SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一I3I4I5I0I1I2I6I7I84/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

0011輸入“3”

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個(gè)B通用寄存器“3+5”運(yùn)算實(shí)例——步驟一SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一I3I4I5I0I1I2I6I7I84/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個(gè)B通用寄存器0011“3+5”運(yùn)算實(shí)例——步驟一SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一I3I4I51

11I6I7I84/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個(gè)B通用寄存器00000011“3+5”運(yùn)算實(shí)例——步驟一SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0

0

01

11I6I7I84/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個(gè)B通用寄存器00110011＋0000“3+5”運(yùn)算實(shí)例——步驟一SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0

0

01

110114/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個(gè)B通用寄存器00110011“3+5”運(yùn)算實(shí)例——步驟一SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0

0

01

110114/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個(gè)B通用寄存器00110011“3+5”運(yùn)算實(shí)例——步驟一SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0

0

01

110114/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個(gè)B通用寄存器00110011“3+5”運(yùn)算實(shí)例——步驟一SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0

0

01

110114/OE輸出Y二選一FALUB(R0)A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一AB通用寄存器R0=001100110000“3+5”運(yùn)算實(shí)例——步驟二SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一I3I4I5I0I1I2I6I7I84/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

0101輸入“5”

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個(gè)B通用寄存器“3+5”運(yùn)算實(shí)例——步驟二SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一I3I4I5I0I1I2I6I7I84/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個(gè)B通用寄存器0101“3+5”運(yùn)算實(shí)例——步驟二SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一I3I4I51

11I6I7I84/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個(gè)B通用寄存器00000101“3+5”運(yùn)算實(shí)例——步驟二SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0

0

01

11I6I7I84/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個(gè)B通用寄存器01010101＋0000“3+5”運(yùn)算實(shí)例——步驟二SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0

0

01

110114/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個(gè)B通用寄存器01010101“3+5”運(yùn)算實(shí)例——步驟二SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0

0

01

110114/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個(gè)B通用寄存器01010101“3+5”運(yùn)算實(shí)例——步驟二SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0

0

01

110114/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個(gè)B通用寄存器01010101“3+5”運(yùn)算實(shí)例——步驟二SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0

0

01

110114/OE輸出Y二選一FALUB(R1)A地址

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一AB通用寄存器R1=010101010001“3+5”運(yùn)算實(shí)例——步驟三SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一I3I4I5I0I1I2I6I7I84/OE輸出Y二選一FALUB(R0)A(R1)

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個(gè)B通用寄存器0101001100010000SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一I3I4I5001I6I7I84/OE輸出Y二選一FALUB(R0)A(R1)

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個(gè)B通用寄存器0101“3+5”運(yùn)算實(shí)例——步驟三001100010000SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一000001I6I7I84/OE輸出Y二選一FALUB(R0)A(R1)

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個(gè)B通用寄存器0101+0011“3+5”運(yùn)算實(shí)例——步驟三100000010000SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0000010114/OE輸出Y二選一FALUB(R0)A(R1)

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個(gè)B通用寄存器“3+5”運(yùn)算實(shí)例——步驟三1000000100001000SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0000010114/OE輸出Y二選一FALUB(R0)A(R1)

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個(gè)B通用寄存器“3+5”運(yùn)算實(shí)例——步驟三1000000100001000SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0000010114/OE輸出Y二選一FALUB(R0)A(R1)

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個(gè)B通用寄存器“3+5”運(yùn)算實(shí)例——步驟三1000000100001000SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一0000010114/OE輸出Y二選一FALUB(R0)A(R1)

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一AB通用寄存器“3+5”運(yùn)算實(shí)例——步驟三1000000100001000運(yùn)算器芯片Am2901實(shí)例表4.1運(yùn)算功能選擇說明編碼運(yùn)算功能I5I4I3LLLR+SLLHS-RLHLR-SLHHR∨SHLLR∧SHLH/R∧SHHLR⊕SHHHR⊙SSRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一I3I4I54/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址4輸入D

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個(gè)B通用寄存器運(yùn)算器芯片Am2901實(shí)例HHHLHHHLHLLHHHLLHLHLLLLLI0I1I2編碼表4.2數(shù)據(jù)來源選擇說明數(shù)據(jù)來源RSAAAADDDQQQBB0000SRF3OVRCn+4F=0000Cn二選一三選一I0I1I24/OE輸出Y二選一FALUB地址A地址4輸入D

Q寄存器A鎖存器B鎖存器44RAM3RAM0三選一Q0Q3

三選一A16個(gè)B通用寄存器運(yùn)算器芯片Am2901實(shí)例表4.3數(shù)據(jù)處理方式選擇說明編碼處理方式I8I7I6通用寄存器組Q寄存器Y輸出LLLF→QFLLHFLHLF→BALHHF→BFHLLF/2→BQ/2→QFHLHF/2→BFHHL2F→B2Q→QFHHH2F→BF運(yùn)算器的時(shí)鐘脈沖信號(hào)運(yùn)算器的時(shí)鐘脈沖信號(hào)CP教學(xué)計(jì)算機(jī)的主頻:1.8432MHz/6A、B口鎖存通用寄存器接受Q接受周期和低電平的作用

注意兩個(gè)跳變沿Am2901的操作使用操作功能控制信號(hào)B口A口I8I7I6I5I4I3I2I1I0CnR0R0+R1R2R2R0QR0右移R0R0+R1R0R0R1YA口YF00000110001000001000100000010001001100001010001000001000000000001000/000001000011000010R0R0R1YF000001100011000010入出信號(hào)及引腳Y3~Y0D3~D0RAM3Q3RAM0Q0CPOECnCn+4F=0OverF3Am2901A3~A0B3~B0I8~I6I5~I3I2~I0Am2901Y11~8Y3~0D11~8D7~4D3~0CinRAM0Q0Y7~4高位Am2901Y15~12D15~12OVERF=0F15CyCPRAM15Q15A口B口I8~6I5~3I2~04片Am2901之間的連接Am2901低位Am2901VccR片間高速進(jìn)位用Am2902高位Am2901Am2901Am2901低位Am2901Am2902Cn+zCn+yCn+x/G/PY15~12Y11~8Y7~4Y3~0D15~12D11~8D7~4D3~0OVERF=0F15CyCinCPRAM15Q15RAM0Q0A口B口I8~6I5~3I2~0VccR入出信號(hào)及引腳Y15~Y0D15~D0RAM15Q15RAM0Q0CPOECinCyF=0OverF15運(yùn)算器部件A3~A0B3~B0I8~I6I5~I3I2~I0運(yùn)算器實(shí)用中的幾個(gè)問題運(yùn)算器最低位進(jìn)位輸入信號(hào)Cin

的形成運(yùn)算器4位標(biāo)志位信號(hào)的接收與記憶線路移位時(shí)最高、最低位的移位輸入信號(hào)設(shè)計(jì)4片Am2901芯片之外的線路設(shè)計(jì)標(biāo)志寄存器的接收與保持規(guī)定（見表4.4）表4.4標(biāo)志寄存器的接收與保持選擇碼SST狀態(tài)位輸入說明CZVS000CZVS4個(gè)標(biāo)志位的值保持不變001CyF=0OVRF15接收ALU的標(biāo)志位輸出的值010內(nèi)部總線對(duì)應(yīng)的一位恢復(fù)標(biāo)志位原來的現(xiàn)場(chǎng)值0110ZVS置“0”C，令3個(gè)標(biāo)志位不變1001ZVS置“1”C，令3個(gè)標(biāo)志位不變101RAM0ZVS右移操作，令3個(gè)標(biāo)志位不變110RAM15ZVS左移操作，令3個(gè)標(biāo)志位不變111Q0ZVS聯(lián)合右移，令3個(gè)標(biāo)志位不變4片Am2901芯片之外的線路設(shè)計(jì)最低位進(jìn)位輸入信號(hào)Cin的形成左右移位時(shí)，最高、最低位的移位輸入信號(hào)設(shè)計(jì)表4.5形成最低位進(jìn)位輸入信號(hào)Cin的邏輯2位選擇碼SCI編碼指令Cin取值00ADD,DEC001INC,SUB110ADC,SBBC表4.6最高、最低位的移位輸入信號(hào)的形成邏輯2位控制碼SSH編碼左移右移說明RAM0Q0RAM15Q15000×0×通用寄存器邏輯移位01C×C×通用寄存器與C循環(huán)移位10Q15/F15CyRAM0原碼除（左移）乘（右移）11××F15⊕OVRRAM0右移用于補(bǔ)碼乘法如何提供ALU最低位進(jìn)位信號(hào)不同指令需求Cin例子最低位進(jìn)位控制碼ADD指令0R0+R1+0INC指令1R0+0+1ADC指令CR0+R1+CSUB指令1R0+/R1+1DEC指令0R0+/0+0SBB指令（原理）CR0+/R1+C加運(yùn)算減運(yùn)算SCI最低位進(jìn)位信號(hào)由SCI編碼決定000110010010最低位進(jìn)位信號(hào)Cin的邏輯表達(dá)式Cin=/SCI1*SCI0+SCI1*/SCI0*C

16位的運(yùn)算器16位運(yùn)算器最低位進(jìn)位輸入信號(hào)Cin

CyF=0OVRF15RAM15Q15RAM0Q0最低位進(jìn)位GAL3SCI01CY15~0D15~0B口A口I8~I0Cin如何處理計(jì)算結(jié)果標(biāo)志位算術(shù)與邏輯的運(yùn)算指令結(jié)果產(chǎn)生標(biāo)志位的值該標(biāo)志位的值只在執(zhí)行運(yùn)算步驟接收輸入算術(shù)運(yùn)算指令的結(jié)果會(huì)影響C、Z、V、S

邏輯運(yùn)算指令的結(jié)果只影響

Z、S其他指令或其他執(zhí)行步驟不接受標(biāo)志位的值由此可見:

若設(shè)置標(biāo)志位寄存器,

會(huì)有依據(jù)什么指令的什么時(shí)刻接收或不接收ALU輸出的標(biāo)志位的值這樣兩種處理幾條影響C觸發(fā)器的指令指令中有STC（C1）、CLC指令（C0

）指令中有RCL、RCR、SHL、SHR指令，它們的移位輸出要傳送進(jìn)C，還需要決定寄存器的移位輸入是什么值。C通用寄存器通用寄存器C00RCLRCRSHRSHLRAM15RAM0RAM0RAM15對(duì)乘除法指令的支持指令中MULSR指令，DIVSR指令它們的運(yùn)行用到了移位輸出要傳送進(jìn)C（還決定寄存器的移位輸入）C通用寄存器通用寄存器Q寄存器乘法，聯(lián)合右移位Q寄存器除法，聯(lián)合左移位/F15Q0Cy狀態(tài)寄存器的控制用3位碼控制有8處來源SST2~0CZVS000不變

三位不變(C,Z,V,S)001接受ALU狀態(tài)輸出（Cy,ZR,OV,F15）010接收內(nèi)部總線輸出(IB7654)0110三位不變1001三位不變101RAM0三位不變110RAM15三位不變111Q0三位不變狀態(tài)寄存器的邏輯表達(dá)式C:=/SST2*/SST1*/SST0*CV:=/SST2*/SST1*/SST0*V+/SST2*/SST1*SST0*Cy+/SST2*/SST1*SST0*OV+/SST2*SST1*/SST0*IB7+/SST2*SST1*/SST0*IB5+SST2*/SST1*/SST0+/SST2*SST1*SST0*V+SST2*/SST1*SST0*RAM0+SST2*V+SST2*SST1*/SST0*RAM15+SST2*SST1*SST0*Q0Z:=/SST2*/SST1*/SST0*ZS:=/SST2*/SST1*/SST0*S+/SST2*/SST1*SST0*ZR+/SST2*/SST1*SST0*F15+/SST2*SST1*/SST0*IB6+/SST2*SST1*/SST0*IB4+/SST2*SST1*SST0*Z+/SST2*SST1*SST0*S+SST2*Z+SST2*S0,1,RAM0Q0,RAM1516位的運(yùn)算器16位運(yùn)算器的狀態(tài)寄存器四位標(biāo)志位GAL1

SSTCZVSCyF=0OVF15來自內(nèi)部總線IBRAM15Q15RAM0Q0Y15~0D15~0B口A口I8~I0Cin寄存器移位輸入信號(hào)

2位控制碼左移(I7)右移(/I7)指令

SSH1~0RAM0Q0RAM15Q15000/0/SHLSHR01C/C/RCLRCR10Q15/F15CyF0DIVMUL實(shí)現(xiàn)中，具體移位輸入信號(hào)是用SSH編碼和ALU中的結(jié)果處理控制信號(hào)I7

（移位方向）共同決定的。

左右移位輸入信號(hào)邏輯表達(dá)式RAM15=/SSH1*SSH0*C+SSH1*/SSH0*CyQ15=SSH1*/SSH0*F0RAM0=/SSH1*SSH0*C+SSH1*/SSH0*Q15Q0=SSH1