计算机组成原理--实验二 算术逻辑运算实验

实验二 算术逻辑运算实验

一、实验目的

（1）了解运算器芯片（74LS181）的逻辑功能。

（2）掌握运算器数据的载入、读取方法，掌握运算器工作模式的设置。 （3）观察在不同工作模式下数据运算的规则。

二、实验原理

1.运算器芯片（74LS181）的逻辑功能

74LS181是一种数据宽度为4个二进制位的多功能运算器芯片，封装在壳中，封装形式如图2-3所示。

5V A1 B1 A2 B2 A3 B3 Cn4 F324232221201918171615141374LS181123456789101112BO A0 S3 S2 S1 S0 Cn M F0 F1 F2 GND

图2-3 74LS181封装图

主要引脚有：

（1）A0—A3：第一组操作数据输入端。 （2）B0—B3：第二组操作数据输入端。 （3）F0—F3：操作结果数据输入端。 （4）F0—F3：操作功能控制端。 ：低端进位接收端。 （5） ????（6）????4：高端进位输出端。

（7）M：算数/逻辑功能控制端。

芯片的逻辑功能见表2-1.从表中可以看到当控制端S0—S3为1001、M为0、 为1时，????操作结果数据输出端F0—F3上的数据等于第一组操作数据输入端A0 上—A3上的数据加第二组操作数据输入端B0—B3上的数据。当S0—S3、M、 ????控制信号电平不同时，74LS181芯片完成不同功能的逻辑运算操作或算数运算操 、????4进位信号低电平有效；减法运算操作时， 、作。在加法运算操作时， ???????? 、????4进位信号无意义。 ????4借位信号高电平有效；而逻辑运算操作时， ????

2.运算器实验逻辑电路

试验台运算器实验逻辑电路中，两片74LS181芯片构成一个长度为8位的运算器，两片74LS181分别作为第一操作数据寄存器和第二操作数据寄存器，一片74LS254作为操作结果数据输出缓冲器，逻辑结构如图2-4所示。途中算术运算操作时的进位Cy判别进位指示电路；判零Zi和零标志电路指示电路，将在实验三中使用。

第一操作数据由B-DA1(BUS TO DATA1)负脉冲控制信号送入名为DA1的第一操作数据寄存器，第二操作数据由B-DA2(BUS TO DATA2)负脉冲控制信号 送入名为DA2的第二操作数据寄存器。74LS181的运算结果数据由 ALU?B（ALU TO BUS）低电平控制信号送总线。S0—S3、M芯片模式控制信号同时与两片74LS181的S0—S3、M端相连，保证二者以同一工作模式工作。实验电路的 相连，用于接收外部进位信号。低4低端进位接收端Ci与低4位74LS181的 ???? 与高4位74LS181的 上相连，实现高、低4位之间进位信号为74LS181的 ????????的传递。高4位之间进位信号的传递。高4位74LS181的????4送进位Cy判别和进位指示电路。

表2-1 74LS181 芯片逻辑功能表

功能选择 输入、输出关系 M=H S3 S2 S1 S0 逻辑运算 0 0 0 0 F = A Cn = H F = A

M = L 算术运算 Cn = L F = A加 1

0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 F = A + B F = A? B F = 0 F = A? B F = B F = A⊕B F = A? B F = A + B F = A⊕B F = B F = A? B F = 1 F = A + B F = A + B F = A F = A + B F = A + B F = 0 - 1 F = A加（ A + B） F=( A+B)加(A+B) F = A减B减1 F =(A? B)减1 F = A加（A? B） F = A加B F=( A+B)加(A?B) F =(A? B)减1 F = A加A F=( A+B)加A F=( A+B)加A F = A减1 F =( A + B)加 1 F =( A + B)加 1 F = 0 F = A加（ A + B）加 1 F=( A+B)加(A+B)加1 F – A减B F = A? B F = A加（A? B）加1 F = A加B加1 F=( A+B)加(A?B)加1 F = A? B F = A加A加1 F=( A+B)加A加1 F=( A+B)加A加1 F = A 控制电平说明：“L”或“0”表示低电平，“H”或“1”表示高电平

逻辑操作符说明：“—”表示非操作，“+”表示“或”操作，“?”表示“与”操作，“⊕”表示“异或”

算术操作符说明：“加”表示加法操作，“减”表示减法操作

三、实验过程

1.连线

参照实验逻辑原理图进行连线，实验台上数据线用总线连接器连接好后一般不动，控制信号线需手工连接，本实验要连接的控制线如下。

、 （1）把输入、输出单元(INPUT/OUTPUT UNIT)的 IO?RIO?W与手动控 、 制开关单元（MANUAL UNIT）的 IO?RIO?W相连接。

（INPUT/OUTPUT UNIT)的Ai接地。

把算术逻辑部件(ALU UNIT)的S3—S0、M、Ci与手动控制开关单元(MANUALUNIT)的S3-S0、M、Ci相连接。

与手动控制开关单把算术逻辑部件(ALU UNIT)的B-DA1、B-DA2、ALU ?B 相连接。 元(MANUALUNIT)的B-DA1、B-DA2、 ALU?B

ALU TO BUS进位标志CY显示CLRT4零标志ZI显示D7 D4B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B074LS245判零电路算数运算时进位判别M S3 S2 S1 S0A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0D7 D4D7 D4ALU-BS3-S0MCyNCnCyCnD7 D4F3 F2 F1 F0 S3 S2 S1 S0 MCn4 74lS181 CnA3 A2 A1 A0 B3 B2 B1 B0D7 D0F3 F2 F1 F0 S3 S2 S1 S0 MCn4 74lS181 CnA3 A2 A1 A0 B3 B2 B1 B0CiD7 D4D3 D0D7 D4D3 D0Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q074LS273D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0D7 D0Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q074LS273D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0D7 D0B-DA1B-DA2D7 D0

图2 - 4 算数逻辑运算部件原理图

2.数据输入过程

、 (1)把开关 IO?RIO?W、B - DAI、B - DAI2、 ALU?B拔上，确保为高电平，使这些信号处于无效状态。

(2)在输入数据的开关上拨好数据代码，例如“00010001”，即16进制数11H(以后再许多情况下要使用16进制表达方式)。

开关拔下成低电平。(3)把输入控制信号 IO?R这时总线上显示的状态应该与输入数据一致。

(4)把第一组数据输入控制信号B - DAI的开关拨动一次，即实现“1 - 0 - 1”，

产生一个负脉冲，作用是把数据“11H”送第一数据寄存器DAI中。

3.数据输出过程

(1)为了检验数据送入的正确性，现把DAI中的内容送到总线上。 (2)把输入数据的开关上的输入数据代码拨成00H，与刚才送第一数据寄存器DAI的数据区分开。

开关拨上成高电平无效，(3)把输入控制信号 IO?R这是总线上的状态应该与输入数据无关，显示为FFH。

（4）把74LS181功能控制端S3—S0设置为1111，M为1，参照表2—1 74LS181逻辑功能表，其输出数据F等于第一组数据输入端A，既DA1上的数据。

（5）把 ALU?B控制信号拨成低电平，可以看到第一数据寄存器DA1中的数据“11H”经74LS181的A输入端传送到输出口F，再传送到总线BUS。

（6）使用类似的方法把“00100001”（即16进制数21H）用第二数据寄存器输入控制信号B－DA2，将其送到第二数据寄存器DA2，再把第二数据寄存器DA2中的数据送总线。74LS181的功能控制端S3-S0为“1010”，M为1的功能是把第二组数据输入端B的数据送输出端F。同样把——ALU－B控制信号拨成低电平，把数据传送到总线BUS。

4.数据运算过程

（1）在完成数据输入、输出的基础上进行数据运算操作。

（2）从LS181逻辑功能表上查得“A加B，不考虑低端进位”操作的功能控制码为S3—S0＝1001、M＝0、Ci＝1，把这些控制码拨好。

（3）把 ALU?B控制信号拨下呈低电平，这时运算结果（正常的运算结果应为“00110010”，即16进制数32H）送到总线，在总线指示灯上可观察到此数据。

（4）把 IO?W控制信号开关拨动一次，即实现“1—0—1”，产生一个负脉冲，这时总线上的数据就输出缓冲器，显示在LED指示灯L7—L0上。

（5）Ci是低端位进位输入，Ci＝1表示无进位，Ci＝0表示有进位。在进行“A加B”操作时，Ci＝1，操作结果是“00110010”，即16进制数32H；Ci＝0，操作结果是“00110011”，即即16进制数32H，从而可以验证低端位进位输入的作用。

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