实验一 基本运算器实验

山西大学计算机与信息技术学院

实

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专业班级 2011级 计算机科学与技术 实验日期 计算机组成原理课程设计 指导教师 批改日期 实验一 基本运算器实验 一、实验目的： （1）了解运算器的组成结构 （2）掌握运算器的工作原理 二、实验内容： 1、 实验原理： 本实验的原理如图 1-1 所示。 运算器内部含有三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，要处理的数据存于暂存器 A 和暂存器 B，三个部件同时接受来自 A 和 B 的数据，各部件对操作数进行何种运算由控制信号 S3?S0 和 CN 来决定，任何时候，多路选择开关只选择三部件中一个部件的结果作为 ALU 的输出。如 果是影响进位的运算，还将置进位标志 FC，在运算结果输出前，置 ALU 零标志。ALU 中所有模块集成在一片 CPLD 中。 运算器部件由一片 CPLD 实现。ALU 的输入和输出通过三态门 74LS245 连到 CPU 内总线 上，另外还有指示灯标明进位标志 FC 和零标志 FZ。图中除 T4 和 CLR，其余信号均来自于 ALU 单元 的排线座，实验箱中所有单元的 T1、T2、T3、T4 都连接至控制总线单元的 T1、T2、T3、T4，CLR 都连接至 CON 单元的 CLR 按钮。T4 由时序单元的 TS4 提供 ，其余控制信号均由 CON 单元的二进制数据开关模拟给出。控制信号中除 T4 为脉冲信号外，其余均为电平信号，其中 ALU_B 为低有效，其余为高有效。 表 1-1 运算器逻辑功能表（表中“X”为任意态，下同） 运算类型 S3 S2 S1 S0 0000 逻辑运算 0001 0010 0011 CN X X X X F=A（直通） F=B（直通） F=AB F=A+B 1

（FZ） （FZ） 功 能 能 0100 X X 0 1 0 1 X X X X X X X X F= A' F=A 不带进位循环右移 B（取低 3 位）位 F=A 逻辑右移一位 F=A 带进位循环右移一位 F=A 逻辑左移一位 F=A 带进位循环左移一位 置 FC=CN F=A 加 B F=A 加 B 加 FC F=A 减 B F=A 减 1 F=A 加 1 （保留） （保留） （FZ） （FZ） （FZ） （FC，FZ） （FZ） （FC，FZ） （FC） （FC，FZ） （FC，FZ） （FC，FZ） （FC，FZ） （FC，FZ） 移位运算 0101 0110 0111 1000 1001 1010 算术运算 1011 1100 1101 1110 1111 运算器的逻辑功能表如表 1-1 所示，其中 S3 S2 S1 S0 CN 为控制信号，FC 为进位标志，FZ 为运算器零标志，表中功能栏内的 FC、FZ 表示当前运算会影响到该标志。 2、实验步骤： (1) 按图 1-2连接实验电路，并检查无误。 图1-2 (2) 将时序与操作台单元的开关 KK2 置为‘单拍’档，开关 KK1、KK3 置为‘运行’档。 (3) 打开电源开关，如果听到有‘嘀’报警声，说明有总线竞争现象，应立即关闭电源，重新检查接线，直到错误排除。然后按动 CON 单元的 CLR 按钮，将运算器的 A、B 和 FC、FZ 清零。 (4) 用输入开关向暂存器 A 置数。 ① 拨动 CON 单元的 SD27?SD20 数据开关，形成用户指定的二进制数，数据显示亮为‘1’，灭为‘0’。 ② 置 LDA=1，LDB=0，连续按动时序单元的ST按钮，产生一个T4上升沿，则将二进制数置入暂存器 A 中，暂存器 A 的值通过 ALU 单元的 A7?A0 八位 LED 灯显示。 (5) 用输入开关向暂存器 B 置数。 ① 拨动 CON 单元的 SD27?SD20 数据开关，形成另外一个二进制数。 ② 置 LDA=0，LDB=1，连续按动时序单元的 ST 按钮，产生一个T4上升沿，则将二进制数置入暂存器 B 中，暂存器 B 的值通过 ALU 单元的 B7?B0 八位 LED 灯显示。 (6) 改变运算器的功能设置，观察运算器的输出。置 ALU_B=0、LDA=0、LDB=0，然后按表 1-1 置 S3、S2、S1、S0 和 Cn 的数值，并观察数据总线 LED 显示灯显示的结果。 2

如果实验箱和 PC 联机操作，则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果，方法是：打开软件，选择联机软件的“【实验】—【运算器实验】”，打开运算器实验的数据通路图，如图 1-5 所示。进行上面的手动操作，每按动一次 ST 按钮，数据通路图会有数据的流动，反映当前运算器所做的操作，或在软件中选择“【调试】—【单节拍】”，其作用相当于将时序单元的状态开关 KK2 置为‘单拍’档后按动了一次 ST 按钮，数据通路图也会反映当前运算器所做的操作。 重复上述操作，并完成表 1-2。然后改变 A、B 的值，验证 FC、FZ 的锁存功能。 图1—3 数据通路 3、实验结果： B 运算类型 S3 S2 S1 S0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 9CH 5BH 逻辑运算 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 15H 03H 移位运算 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 ） 9CH 5BH 算术运算 （FC=01 0 1 0（FC=1） 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 A CN X X X X X X 0 1 0 1 X X X X X X X 结果 F=(9CH) FC=(0) FZ=(0) F=(5BH) FC=(0) FZ=(0) F=(18H) FC=(0) FZ=(0) F=(DFH) FC=(0) FZ=(0) F=(63H) FC=(0) FZ=(0) F=(A2H) FC=(0) FZ=(0) F=(0AH) FC=(0) FZ=(0) F=(0AH) FC=(1) FZ=(0) F=(2AH) FC=(1) FZ=(0) F=(2AH) FC=(0) FZ=(0) F=(9CH) FC=(0) FZ=(0) F=(F7H) FC=(0) FZ=(0) F=(F7H) FC=(0) FZ=(0) F=(F8H) FC=(0) FZ=(0) F=(41H) FC=(0) FZ=(0) F=(9BH) FC=(0) FZ=(0) F=(9DH) FC=(0) FZ=(0) 三、实验总结： 1、当需要用1口、3口线时，可用2口、4口替代，并且要注意连线两端的颜色一定要对应。 2、打开实验箱的电源前，接好线路 并检查无误。 3、插线、拔线前一定要关闭电源，切忌带电操作。电源关闭后，至少间隔30秒，再重启动。 4、把FC置1时可以先置CN为1，将s0s1s2s3为1000，然后连续按动时序单元的 ST 按钮，即可。 3

5、打开电源开关，如果听到有‘嘀’报警声，说明有总线竞争现象，应立即关闭电源， 6、将时序与操作台单元的开关 KK2 置为‘单拍’档，开关 KK1、KK3 置为‘运行’档。 7、当s0s1s2s3为0111并且cn为1时是F=A带进位循环右移一位。此时的循环代表是小循环而非大循环。 8、记录数据时用16进制比用2进制简便。 9、三态门 74LS245中的三态是开、关和高阻。 10、最终的数据是根据D0~D7的指示灯亮暗来看出。 4

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