《計(jì)算機(jī)組成原理》運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙?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。二. 實(shí)驗(yàn)?zāi)K及實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)的原理如圖1-1-1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(lái)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(duì)操作數(shù)進(jìn)行何種運(yùn)算由控制信號(hào) S3S0和CN來(lái)決定，任何時(shí)候，多路選擇開(kāi)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。ALU中所有模塊集成在一片CPLD 中。 邏輯運(yùn)算部件由邏輯門構(gòu)成，較為簡(jiǎn)單，而后面又有專門的算術(shù)運(yùn)算部件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在此對(duì)這兩個(gè)部件不再贅述。移位運(yùn)算采用的是桶形移位器，一般采用交叉開(kāi)關(guān)矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)，交叉開(kāi)關(guān)的原理如圖1-1-2所示。圖中顯示的是一個(gè) 4X4 的矩陣（系統(tǒng)中是一個(gè) 8X8 的矩陣）。每一個(gè)輸入都通過(guò)開(kāi)關(guān)與一個(gè)輸出相連，把沿對(duì)角線的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，就可實(shí)現(xiàn)移位功能，即： (1) 對(duì)于邏輯左移或邏輯右移功能，將一條對(duì)角線的開(kāi)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(méi)有同任何輸入相連的則輸出連接0 。 (2) 對(duì)于循環(huán)右移功能，右移對(duì)角線同互補(bǔ)的左移對(duì)角線一起激活。例如，在4 位矩陣中使用右1 和左 3 對(duì)角線來(lái)實(shí)現(xiàn)右循環(huán) 1 位。 (3) 對(duì)于未連接的輸出位，移位時(shí)使用符號(hào)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(hào)判別。運(yùn)算器部件由一片CPLD 實(shí)現(xiàn)。ALU的輸入和輸出通過(guò)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。請(qǐng)注意：實(shí)驗(yàn)箱上凡絲印標(biāo)注有馬蹄形標(biāo)記 ，表示這兩根排針之間是連通的。圖中除 T4和CLR ，其余信號(hào)均來(lái)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（時(shí)序單元的介紹見(jiàn)附錄二），其余控制信號(hào)均由CON單元的二進(jìn)制數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)模擬給出?？刂菩盘?hào)中除T4為脈沖信號(hào)外，其余均為電平信號(hào)，其中ALU_B為低有效，其余為高有效。暫存器A 和暫存器B 的數(shù)據(jù)能在LED 燈上實(shí)時(shí)顯示，原理如圖1-1-3所示（以A0為例，其它相同）。進(jìn)位標(biāo)志 FC、零標(biāo)志FZ和數(shù)據(jù)總線D7D0的顯示原理也是如此。ALU和外圍電路的連接如圖1-1-4所示，圖中的小方框代表排針座。 運(yùn)算器的邏輯功能表如表1-1-1所示，其中 S3 S2 S1 S0 CN 為控制信號(hào)，F(xiàn)C為進(jìn)位標(biāo)志，F(xiàn)Z為運(yùn)算器零標(biāo)志，表中功能欄內(nèi)的FC、FZ表示當(dāng)前運(yùn)算會(huì)影響到該標(biāo)志。三. 實(shí)驗(yàn)步驟與結(jié)果(1) 按圖1-1-5連接實(shí)驗(yàn)電路，并檢查無(wú)誤。圖中將用戶需要連接的信號(hào)用圓圈標(biāo)明（其它實(shí)驗(yàn)相同）。 (2) 將時(shí)序與操作臺(tái)單元的開(kāi)關(guān)KK2 置為單拍檔, 開(kāi)關(guān)KK1 、KK3 置為運(yùn)行檔。 (3) 打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，如果聽(tīng)到有嘀報(bào)警聲，說(shuō)明有總線競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，應(yīng)立即關(guān)閉電源，重新檢查接線，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(kāi)關(guān)向暫存器A 置數(shù)。 撥動(dòng)CON單元的SD27SD20 數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)，形成二進(jìn)制數(shù) 01100101 （或其它數(shù)值），數(shù)據(jù)顯示亮為1 ，滅為0 。 置LDA=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(guò)ALU單元的A7A0八位 LED 燈顯示。 (5) 用輸入開(kāi)關(guān)向暫存器B 置數(shù)。 撥動(dòng)CON單元的SD27SD20 數(shù)據(jù)開(kāi)關(guān)，形成二進(jìn)制數(shù)10100111 （或其它數(shù)值）。 置LDA=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(guò) ALU單元的B7B0八位 LED 燈顯示。 (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 1-1-1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。如置 S3、S2、S1、S0為0010 ，運(yùn)算器作邏輯與運(yùn)算，置 S3、S2、S1、S0為1001 ，運(yùn)算器作加法運(yùn)算。 如果實(shí)驗(yàn)箱和PC聯(lián)機(jī)操作，則可通過(guò)軟件中的數(shù)據(jù)通路圖來(lái)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，方法是：打開(kāi)軟件，選擇聯(lián)機(jī)軟件的“【實(shí)驗(yàn)】【運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)】”，打開(kāi)運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)通路圖，如圖 1-1-6所示。進(jìn)行上面的手動(dòng)操作，每按動(dòng)一次 ST按鈕，數(shù)據(jù)通路圖會(huì)有數(shù)據(jù)的流動(dòng)，反映當(dāng)前運(yùn)算器所做的操作，或在軟件中選擇“【調(diào)試】【單節(jié)拍】”，其作用相當(dāng)于將時(shí)序單元的狀態(tài)開(kāi)關(guān)KK2 置為單拍檔后按動(dòng)了一次ST按鈕，數(shù)據(jù)通路圖也會(huì)反映當(dāng)前運(yùn)算器所做的操作。 重復(fù)上述操作，并完成表1-1-2。然后改變 A、B 的值，驗(yàn)證 FC、FZ的鎖存功能。 表1-1-2 運(yùn)算結(jié)果表運(yùn)算類型 A B S3S2S1S0 CN 結(jié)果 65 A7 0 0 0 0 X F=（65）FC=（0）FZ=（0） 65 A7 0 0 0 1 X F=（A7）FC=（0）FZ=（0）邏輯運(yùn)算 0 0 1 0 X F=（25）FC=（0）FZ=（0） 0 0 1 1 X F=（E7）FC=（0）FZ=（0） 0 1 0 0 X F=（9A）FC=（0）FZ=（0） 0 1 0 1 X F=（CA）FC=（0）FZ=（0） 0 1 1 0 0 F=（32）FC=（0）FZ=（0）移位運(yùn)算 1 F=（B2）FC=（1）FZ=（0） 0 1 1 1 0 F=（CA）FC=（0）FZ=（0） 1 F=（CA）FC=（0）FZ=（0） 1 0 0 0 X F=（65）FC=（0）FZ=（0） 1 0 0 1 X F=（0C）FC=（1）FZ=（0） 1 0 1 0（FC=0）X F=（0D）FC=（1）FZ=（0）算術(shù)運(yùn)算 1 0 1 0（FC=1）X F=（0D）FC=（1）FZ=（0） 1 0 1 1 X F=（BE）FC=（1