实验二运算器实验解读

实验二运算器实验 1.算术逻辑运算实验 一.实验目的

1.了解简单运算器的数据传输通路。 2.验证运算功能发生器的组合功能。 3.掌握算术逻辑运算加、减、与的工作原理。 4.验证实验台运算的8位加、减、与、直通功能。 5.按给定数据,完成几种指定的算术和逻辑运算。 二.实验内容 1.实验原理

算术逻辑单元ALU的数据通路如图2-1所示。其中运算器ALU181根据74LS181的功能用VHDL硬件描述语言编辑而成,构成8位字长的ALU。参加运算的两个8位数据分别为A[7..0]和B[7..0],运算模式由S[3..0]的16种组合决定,而S[3..0]的值由4位2进制计数器LPM_COUNTER产生,计数时钟是Sclk(图2-1;此外,设M=0,选择算术运算,M=1为逻辑运算,C N为低位的进位位;F[7..0]为输出结果,C O为运算后的输出进位位。两个8位数据由总线IN[7..0]分别通过两个电平锁存器74373锁入,ALU功能如表2-1所示。

表2-1 ALU181的运算功能

注1、* 表示每一位都移至下一更高有效位, “+”是逻辑或,“加”是算术加

注2、在借位减法表达上,表2-1与标准的74181的真值表略有不同。 三.实验步骤 (1设计ALU元件

在Quartus II 环境下,用文本输入编辑器Text Editor输入ALU181.VHD算术逻辑单元文件,编译VHDL文件,并将ALU181.VHD文件制作成一个可调用的原理图元件。

(2以原理图方式建立顶层文件工程

选择图形方式。根据图2-1输入实验电路图,从Quartus II的基本元件库中将各元件调入图形编辑窗口、连线,添加输入输出引脚。

将所设计的图形文件ALU.bdf保存到原先建立的文件夹中,将当前文件设置成工程文件,以后的操作就都是对当前工程文件进行的。

(3器件选择

选择Cyclone系列,在Devices中选择器件EP1C6QC240C8。编译,引脚锁定,再编译。

引脚锁定后需要再次进行编译,才能将锁定信息确定下来,同时生成芯片编程/配置所需要的各种文件。

(4芯片编程Programming(可以直接选择光盘中的示例已完成的设计进行验证实验

打开编程窗口。将配置文件ALU.sof下载进GW48系列现代计算机组成原理系统中的FPGA

中。

(5选择实验系统的电路模式是NO.0,验证ALU的运算器的算术运算和逻辑运算功能

根据表2-1,从键盘输入数据A[7..0]和B[7..0],并设置S[3..0]、M、Cy,验证ALU 运算器的算术运算和逻辑运算功能,记录实验数据。

图2-1 算术逻辑单元ALU实验原理图 四.实验过程

(1按图2-1所示,在本验证性示例中用数据选择开关(键3控制的高/低电平选择总线

通道上的8位数据进入对应的74373中;即首先将键3输入高电平,用键2、键1分别向A[7..0] 置数01010101(55H,这时在数码管4/3上显示输入的数据(55H;

然后用键3输入低电平,再用键2、键1分别向B[7..0]置数10101010(AAH,这时在数码管2/1上显示输入的数据(AAH;这时表示在图2-1中的两个74373锁存器中

分别被锁入了加数55H和被加数AAH。可双击图2-1的ALU181元件,了解其VHDL描述。

(2设定键8为低电平,即M=0(允许算术操作,键6控制时钟SCLK,可设置表2-1的

S[3..0]=0 ~ F。现连续按动键6,设置操作方式选择S[3..0]=9(加法操作,使数码管8显示9,以验证ALU的算术运算功能:当键7设置cn=0(最低位无进位时,数码管7/6/5=0FF(55H+AAH=0FFH;

当键7设置cn=1(最低位有进位时,数码管7/6/5=100(55H+AAH+1=100H; (3若设定键8为高电平,即M=1,键KEY6控制时钟SCLK,设置S[3..0]=0~F,KEY7设置

cn=0或cn=1,验证ALU的逻辑运算功能,并记录实验数据。 表2-2 A[7..0],B[7..0]设置值检查

(4 验证ALU181的算术运算和逻辑运算功能,ALU181模块功能可参照表2-1。 表2-3给定了寄存器DRl=A[7..0]和DR2=B[7..0]的数据(十六进制,要求根据此数据对照逻辑功能表所得的理论值(要求课前完成与实验结果值进行比较(均采用正逻辑

0。

(5表2-4列出了8种常用的算术与逻辑运算要求指定的操作内容,正确选择运算器数据通

路、控制参数S3、S2、S1、S0、M,并将实验结果值填入括号内,表中给定原始数据DR1=A[7..0]和DR2=B[7..0],以后的数据取自前面运算的结果。

表2-3

表2-4 8种常用的算术与逻辑运算

五.实验要求

1、做好实验预习,掌握运算器的数据传送通路和ALU的功能特性,并熟悉本实验中所

用的控制台开关的作用和使用方法。 2、写出实验报告,内容是: ①实验目的;

②按理论分析值填写好表2-2、表2-3和表2-4,给出对应的仿真波形。 ③列表比较实验数据(2的理论分析值与实验结果值;并对结果进行分析。实验 结果与理论分析值比较,有没有不同?为什么?

④通过本实验,你对运算器ALU有何认识,有什么心得体会? 六.思考题

1.用VHDL实现输入暂存器74373B的功能,及模式选择计数器LPM_COUNTER的功能。

2.用VHDL表达整个ALU实验电路的功能,对电路进行仿真、引脚锁定、并在实验台

上实现其功能。

3.用VHDL设计一个简化的8位alu,具有基本算术运算(加、减、带进位加、减 功能和逻辑运算(与AND、或OR、异或XOR、非NOT等功能,给出仿真波形, 并在实验台上实现。

4.用VHDL设计一个16位的ALU,实现基本的算术逻辑运算,为了节省逻辑资源,

建议使用两个8位ALU模块级联而成。

5.对ALU181进行算术运算和逻辑运算的功能仿真,并记录仿真波形。 2.带进位算术运算实验 一.实验目的

1.验证带进位控制的算术运算功能发生器的功能。 2.按指定数据完几种指定的算术运算。 二.实验原理

在实验(1的基础上增加进位控制电路,将运算器ALU181的进位位送入D锁存器,由T4和CN控制其写入,在此,T4是由键5产生的脉冲信号,这时,CN的功能是电平控制信号(高电平时,CN有效,控制是否允许将进位信号co加入下一加法周期的最低进位位,从而可实现带进位控制运算。

图2-2A 带进位控制的ALU 三.实验步骤

(1根据电路图2-2A和波形图B,首先使键5(T4和键7(CN=0;键8(M和键3 (A0_B1=1;连续按键6,使产生9个脉冲,这时数码管8显示9(作加法运算; 再用键2,键1输入加数9DH(数码管4/3显示9D;

(2按键3=0,再用键2,键1输入被加数E5H(数码管4、3、2、1分别显示加数和被

加数;再将键8(M置0,使ALU作算术运算,这时可以从数码管6,5上看到9DH+E5H=82H(低8位和;

(3先将键7(CN置为1(允许锁存ALU的进位,再用键5(T4产生一个正脉冲,就 能将进位锁入D触发器中:数码管7将显示1,表示加法有进位,并被锁;同时可以看到此进位被累加,使数码管6,5=83H。

(4置键8=1,在实验箱上作逻辑运算方面的实验,给出相应的仿真波形图; (5利用带进位控制,控制T4,分别由低到高输入3个8位加数和被加数,计算24位

加法:

7AC5E9 H+ BD5AF8H = ?最后按照下表完成实验,记录实验数据,给出对应仿真波形图。

表2-5 四.实验要求

1、做好实验预习,掌握带进位控制的算术运算功能发生器的功能特性。 2、写出实验报告,内容是:①实验目的;②按理论分析值填写表2-5。③列表比较实验

数据的理论分析值与实验结果值;并对结果进行分析。④实验结果与理论分析值比较,有没有不同?为什么?

五.附加实验题和思考题

1.带进位运算与不带进位运算有何区别?

2.如何实现带进位运算,将上一次运算的进位位用于下一次的运算当中,并实现多个8

位数据的(如两个24位数据的加法运算?在控制电上应作怎样的改动?给出24 位加法详细的仿真波形图。

图2-2B带进位控制的ALU的仿真波形 3. 移位运算器实验 一.实验目的

1. 验证移位控制的组合功能。 二.实验原理

1、移位运算实验原理图如图2-3所示。移位运算器SHEFT使用VHDL语言编写,其输

入/输出端分别与键盘/显示器LED连接。移位运算器是时序电路,在时钟信号到来

时状态产生变化,CLK为其时钟脉冲。由S0、S1、M控制移位运算的功能状态,具有

数据装入、数据保持、循环右移、带进位循环右移,循环左移、带进位循环左移等

功能。移位运算器的具体功能见表2-7所示:

2、电路连接、输入数据的按键、输出显示数码管的定义如图2-3右上角所示。

CLK——时钟脉冲,通过键5产生0—1;

M ——工作模式,M=1时带进位循环移位,由键8控制; C0 ——允许带进位移位输入,由键7控制;

S ——移位模式0~3,由键6控制,显示在数码管LED8上;

D[7..0] ——移位数据输入,由键(2和1控制,显示在数码管(2和1上; QB[7..0]——移位数据输出,显示在数码管(6和5上; CN——移位数据输出进位,显示在数码管(7上; 三.实验步骤

(1实验台选择模式0、下载(Configure到实验台;示例工程文件是1SHEFT.bdf,

(2键入待移位数据。通过键盘键1、键2向D[7..0]置数01101011(6BH,显示在数码

管2和1。

(3将D[7..0]装入移位运算器QB[7..0]。键6设置(S1,S0=3,键8设置M=0,(S&M=6,

允许加载待移位数据,显示于数码8;此时用键5产生CLK(0-1-0,将数据装入(加载进移位寄存器,显示在数码管6和5。

(4对输入数据进行移位运算。再用键6设置为(S1,S0=2(S&M=4,显示于数码8,允许

循环右移;连续按键5,产生CLK,输出结果QB[7..0](显示在数码管6和5将发生变化:6BH→B5H→DAH…,

(5键8设置M=1(允许带进位循环右移,观察带进位移位允许控制C0的置位与清零对

移位的影响;

(6根据表2-7,通过设置(M、S1、S0验证移位运算的带进位和不带进位移位功能。

四.实验要求

1、做好实验预习,掌握带进位控制的算术运算功能发生器的功能特性。 2、写出实验报告,内容是:①实验目的,实验原理;②按理论分析值准备并填写好 实验数据表;③列表比较实验数据的理论分析值与实验结果值,并对结果进行分 析;④实验结果与理论分析值比较,有没有不同?为什么?

图2-3 移位运算实验原理图 表2-7 移位发生器的功能

五.思考题

如何实现有符号数的算术右移和算术左移?修改用VHDL编写的实验参考程序,进行功能仿真,并在实验台上调试实现。附:实验参考程序请参考文件夹中的1SHEFT.VHD和CNT2.VHD

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