1、力合肥学院HEFEI UNIVERSITY计算机科学与技术系实验报告专业名称计算机科学与技术课程名称计算机组成原理项目名称运算器实验班级15学 号姓名L同组人员无实验日期 2015/10/29一、实验目的与要求目的：了解运算器的组成结构。掌握运算器的工作原理。要求：实验之前，应认真准备，写出实验步骤和具体设计内容。应在实验前掌握所有控制信号的作用。实验过程中，应认真进行实验操作。实验之后，应认真思考总结，写出实验报告，包括实验步骤二、实验逻辑原理图与分析2.1 画实验逻辑原理图中.叼.II图3-1运算器原理图D70图3-4 ALU和外围电路连接原理图2.2 逻辑原理图分析如上图3-1 ,运算器
2、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（有些处理器 体系结构把移位运算器放于算术和逻辑运算部件之前，如ARM,各部件对操作数进行何种运算由控制信号 S3S0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。逻辑运算部件由逻辑门构成，较为简单，而后面又有专门的算术运算部件设计实验， 在此对这两个部件不再赘述。移位运算采用的是桶形移位器，一般采用交叉开关矩阵
3、来实 现，交叉开关的原理如图3-2所示。图中显示的是一个 4*4的矩阵（系统中是一个 8*8的矩阵）。每一个输入都通过开关与一个输出相连，把沿对角线的开关导通，就可实现移位功 能，即：对于逻辑左移或逻辑右移功能，将一条对角线的开关导通，这将所有的输入位与所使用的输出分别相连，而没有同任何输入相连的则输出连接0。对于循环右移功能，右移对角线同互补的左移对角线一起激活。歹U如，在 4位矩阵 中使用右1和左3对角线来实现右循环 1位。对于未连接的输出位，移位时使用符号扩展或是0填充，具体由相应的指令控制。使用另外的逻辑进行移位总量译码和符号判别。in(3)in(2)inin(0)图3-2交叉开关桶形
4、移位器原理图运算器部件由一片 CPL双现。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。请注意：实现箱上凡丝印标注有马蹄形标记1_一，表示这两根排针之间是连通的。图中除 T4和CLR其余信号士来自于 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CONII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。暂存器A和暂存器B的
5、数据能在LED灯上实时显示，原理如图3-3所示（以A0为例，其它相同）。进位标志FC、零标志FZ和总线总线D7D0的显示原理也是如此。1I-at图3-3 A0显示原理图ALU和外围电路白连接如图3-4所示，图中的小方框代表排针座。运算器的逻辑功能表如下表所示，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FG FZ表示当前运算会影响 到该标志。运算类型S3 S2 S1S0CN功能0000XF=A值通）0001XF=B值通）逻辑运算0010XF=AB0011XF=A+B0100XF=/A移位运算0101XF=A/、带进位循环右移B位01100F
6、=A逻辑右移一位1F=A带进位循环右移一位01110F=A逻辑左移一位1F=A带进位循环左移一位算术运算1000X置 FC=CN1001XF=A 加 B1010XF=A加B加FC1011XF=A 减 B1100XF=A 减 11101XF=A 加 11110X（保留）1111X（保留）三、数据通路图及分析连接好实验电路，并检查无误。将时序与操作台单元的开关KK2置为单拍档，开关KK KK3置为运行档。打开电源开关，如果听到有滴报警声， 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CONI元的CLR按钮，将运算器的A、B和FC FZ清零。用输入开关向暂存器A置数。拨
7、动CON元的SD27SD2彼据开关形成二进制数01100101（或其它数 值），数据显示亮为1,灭为0。置LDA=1 LDB=0连续按动时序单元的ST按钮，产生一个T4上沿，则将 二进制数01100101置入暂存器A中，暂存器A的值通过ALU单元的A7A0 八位LED灯显示。用输入开关向暂存器B置数。拨动CON元的SD27SD2彼据开关，形成二进制数10100111（或其它 数值）。置LDA=0 LDB=1,连续拨动时序单元的ST按钮，产生一个T4上沿，则将 二进制数10100111置入暂存器B中，暂存器B的值通过ALU单元的B7B0 八位LED灯显示。改变运算器的功能设置，观察运算器的输出。
8、置 ALU_B=0 LDA=0 LDB=0,然后按下表置S3、S2、S1、S0为0010,运算器作逻率?与运算，置 S& S2、S1、S0为1001,运算器作加法运算。改变 S3、S2、S1、S0的值就在下表中有对应 的操作。运算类型ABS3 S2 S1 S0CN功能逻辑运算65670000XF=65 FC=0 FZ=065670001XF=A7 FC=0 FZ=065670010XF=25 FC=0 FZ=065670011XF=E7 FC=0 FZ=065670100XF=A7 FC=0 FZ=0移位运算65670101XF=CA FC=0 FZ=0656701100F=32 FC=0 F
9、Z=065671F=B2 FC=1 FZ=0656701110F=CA FC=1 FZ=065671F=CA FC=0 FZ=0算术运算65A71000XF=CA FC=1 FZ=065A71001XF=0C FC=1 FZ=065A71010(FC=0)XF=0C FC=0 FZ=065A11010(FC=1)XF=0D FC=1 FZ=065A71011XF=BE FC=1 FZ=065A71100XF=64 FC=0 FZ=065A71101XF=66 FC=0 FZ=04.2结果数据分析用输入开关向暂存器 A置数为65 （01100101）,此时S3 S2 S1 S0为0000, F=
10、A （直通），ALU_B=0 ,使三态门有效|重炊t。段 MTU1 二用1卮!回罡二客除E Mi： ”出I 口电 碎IE 工1肿工1 耽 me aft.篁 WD 田口七）阳1已巨虐安，山f?1即1 B /了 L *飙 HFftiieltt!用输入开关向暂存器 B置数为A7 （10100111）,此时S3 S2 S1 S0为0000, F=A （直通）， 如果置S3 S2 S1 S0为0001就是F=B（直通）。|力 炊段MTU1二I 不 计0斌，用I回!呼 玩|二文降E iM(E K空 口值 *3| 4工I *工1 耽中口 DB的 Jtft.篁 IOJ fiDiii吃阳G同口西H 文，!*Pl
11、 1 HR”则=0此时S3 S2 S1 S0为0001进彳T A和B与运算，结果为 25AiHFmR nCT-cBi - iK3?sn：Ninj目吧 .多磬开关运算器实验皿二N二片降E iM圜 |江！ 口电 碎唱 4工1 tU12E SK的 4ft.直I WD fiDlLI因。中勺* - 二小1眠|卡制翻刊H #黑1辛|ALU.B：LM：此时S3 S2 S1 S0为0011进彳T A和B或运算，结果为 E7|力炊段MTU1二ly!g型蛉fcl 用l固!叵区二文降E IM圜 H(2：i -口色 碑度 4工I ,*工1 和二口 BK Afti吏11 田口Mil flH：y：吃阳G同口西H 文，!*
12、p| 1 HR”则工 口此时S3 S2 S1 S0为0100进彳T A非运算，结果为 9A此时S3 S2 S1 S0为0101,把A不带进位循环右移 B位，结果为CA,SHF为移位运算部件。|重炊段 MTU1 二 ly!g计fcl 用lWj回 国|二文降E iMQEJ H(2：i -口宜 S3|iE 4工i *如工1 率心:1 DB Jtft篁 |ii fiDiiiCi pQ回团I田屉文二J* - 再F 1匚 5H * * * B匚此时S3 S2 S1 S0为0110, CN=0, A逻辑右移一位，结果为 32|，；心:却生川。做，T111二信!g,卒嵯BtlflBI叵更席二 文曲E JMiE
13、： B普里 口里; 和唱 百口 看工| W12i U1I：i单形鱼Ki 口_ # Hj0此时S3 S2 S1 S0为1000, CN=1 ,置FC=CN=1 , ART为算术运算部件成Millt。段 ICTUl H I 场叵 克|二文除E 9汇： K型 口史 K3ii： MiZi *看工| 12! SKIE）君格直i 吏口 口i宜）对_ HCl网 回。出声文二寸-I再评I藤I*及刑* 、下世凯已豆理（1）用输入开关向暂存器 A置数。拨动CONM元的SD27SD2cM据开关形成二进制数 01100101 （或其它数值），数 据显示亮为1,灭为0。此时S3 S2 S1 S0为0000, F=A （
14、直通），ALU_B=0 ,使 三态门有效置LDA=1, LDB=Q连续按动时序单元的 ST按钮，产生一个 T4上沿，则将 二进制数01100101置入暂存器 A中，暂存器A的值通过ALU单元的A7A0八位LED 灯显示。旭炊BHFttit。段 MTU1 二 1y;1?用10号二文降E IM啕 K型I -口值 *3| HHTI !：! 和二口 me 价.篁田口Mil H：U：(2)用输入开关向暂存器 B置数。拨动CONII元的SD27SD20数据开关，形成二进制数10100111 (或其它数值)置LDA=Q LDB=1,连续拨动时序单元的 ST按钮，产生一个 T4上沿，则将二进制数 101001
15、11置入暂存器 B中，暂存器B的值通过ALU单元的B7B0八位LED灯显示。 此时 S3 S2 S1 S0为 0001, F=B(直通)。E AR IFNIIK n% Stir-EILI -1瑞弋0注用 I二文图E MI啕 K型 -口值 初1度-IHtaTi ,虹口 和二口 SK的 面t篁 |1里 0口1_ M4.2结果数据分析(1)、根据S3 S2 S1 S0的值对运算器进行逻辑、算术、移位运算进行运算器运算日将控制信号ALU_B、LDA LDB,置000, S3 S2 S1 S0为0001进行A和B与运算，结果为25二文卧出 iMKEl H(2：l 口宴 ratlE MliTl *工1 和
16、二1 mem Jtft.篁 电口 fiDlLl flH：y：Di 阳 n EQPl下效胤已扉出愀则 NbJHMHLXB区电些?C 叵-龟 far* R(2)、进行运算器运算时将控制信号ALU_B 、 LDA LDB,置 000,此时 S3 S2 S1 S0 为0011进彳T A和B或运算，结果为 E7二文ME IM啕 K里I 口宴 碎唱-IHtaTi ,虹口 率心: SK)面t.直I KMPlB Mhi NFftneitt!卜 H-JS(3)、进行运算器运算时将控制信号ALU_B 、 LDA LDB,置 000,此时 S3 S2 S1 S0 为0100进彳T A非运算，结果为9A二文降E IM
17、啕 Hi 口电 碎胤 MliTi 1Mti口 和二口 OK吏11 田口I宜I flH：y：吃阳G同口西H 文，!*p| 1 HR”则工 口(4)、进行运算器运算时将控制信号ALU_B、LDA LDB,置000,此时S3 S2 S1 S0为0101 ,把A不带进位循环右移 B位，结果为CA,SHF为移位运算部件。(5)、进行运算器运算时将控制信号ALU_B、LDA LDB,置000,此时S3 S2 S1 S0为0110, CN=0, A逻辑右移一位，结果为 32二客除E 9汇： HI口史 ratif： -IHtaZi *虹口 j2! me的 君格篁 吏粕 口的 知_Hrn x日。出声文二J *
18、- I再F匚8H *刮修 、(6)、进行运算器运算时将控制信号ALU_B、LDA LDB,置000,此时S3 S2 S1 S0为1000, CN=1 ,置FC=CN=1 , ART为算术运算部件、进行运算器运算时将控制信号ALU_B、LDA LDB,置000,此时S3 S2 S1 S0为1001 , F=A+B ,结果为 0C二文降E IM啕 Hl 口宴 碎制 MliTi 1Mti工| iMJiE OK Aftl IOJ 口的 flH：y：Cl pQ回团I田屉文二J* - 西F 1 I：5H * * * i (8)、进行运算器运算日将控制信号ALU_B、LDA LDB置000,此时S3 S2
19、S1 S0为1001 , F=A+B ,结果为 0C二文降E IM啕 Hi 口宴 碎IE MliTi 1Mti工| iMJiE OK口的 flH：y：Cl pQ回团I田屉文二J* - 西F 1 I：5H * * * n fa (9)、进行运算器运算日将控制信号ALU_B、LDA, LDR置000,此时S3 S2 S1 S0为1010 ,F=A+B+FC ,结果为 0D,FC=1二文降E iM圜 |出 口电 碎胤 4工1 1冗口 和郃 SK的 4ft.直I吏11的出：re p en寸piH成RIFHI。较4ETALK115驾，+立木=用I(10)、进行运算器运算日将控制信号ALU_B、LDA L
20、DB,置000,此时S3 S2 S1 S0为1011,F=A-B ,结果为BEZZETTW(11)、进行运算器运算日将控制信号ALU_B、LDA LDB置000,此时S3 S2 S1 S0为1100, F=A-1 ,结果为 64AR4FNIR .的BCTH1 I 场3? .举目更画二片降E iM啕口色 碎胤 4工1 肿和9 SKl Aft.直I BOJ通阳口同口荡而而记1*Pl 1 修日”书H 0Fftneitt!/ 0 步 尸Miffllhpm瞄.自道! 1 *= %尸 lb =(12)、进行运算器运算时将控制信号ALU_B、LDA LDB,置000,此时S3 S2 S1 S0为1101,
21、F=A+1 ,结果为 66二文ME Mig： K型I 口比 K3ii：百工1 ,虹口me的 君格直I 吏粕 口 RAM_ HCi网 回。出声文二寸-I再F匚 8H 刮*2运算类型ABS3 S2 S1 S0CN功能逻辑运算65A70000XF=65 FC=0 FZ=065A70001XF=A7 FC=0 FZ=065A70010XF=25 FC=0 FZ=065A70011XF=E7 FC=0 FZ=065A70100XF=A7 FC=0 FZ=0移位运算65A70101XF=CA FC=0 FZ=065A701100F=32 FC=0 FZ=065A71F=B2 FC=1 FZ=065A701
22、110F=CA FC=1 FZ=065A71F=CA FC=0 FZ=0算术运算65A71000XF=CA FC=1 FZ=065A71001XF=0C FC=1 FZ=065A71010(FC=0)XF=0C FC=0 FZ=065A11010(FC=1)XF=0D FC=1 FZ=065A71011XF=BE FC=1 FZ=065A71100XF=64 FC=0 FZ=065A71101XF=66 FC=0 FZ=0总的运算结果图四、实验问题分析、思考题与小结分析：(1)、74181ALU有两种工作方式，对正逻辑操作来说，算术运算称正逻辑操作，对于负逻辑操作数来说，正好相反。由于S0S3
23、有16种状态组合，因此对正逻辑输入与输出而言，有16种算术运算功能和16种逻辑算术功能。(2)、经比较，实验结果与理论值只有一处是不一样的，算术运算 F=A+B+FC的进位标 志FC应为0,而实验结果为1,最后证明实验结果是错的。思考题：1、CON单元的SD27.SD20数据开关置一个二进制(任意)、LDA=1、 LDB=0 ,连续按动时序单元的 ST按钮，实现什么数据通路？答：将SD27.SD20数据开关置的二进制数置入暂存器A。2、CON单元的SD27.SD20数据开关置一个二进制(任意)、LDA=1、LDB=0,连续按动时序单元的ST按钮，实现什么数据通路？答：将SD27.SD20数据开
24、关置的二进制数置入暂存器Bo3、置 ALU_B=0、LDA=0、LDB=0、只（S3、S2、S1、S0 M）=11111 ,实 现了什么数据通路，进行什么运算。答：允许结果输出，禁止向暂存器A、B写入数据，且当S3、S2、S1、S0=1111时，为实现任何功能，保留。4 、置 ALU_B=0、LDA=0、LDB=0、只（S3、S2、S1、SR M）=10101 ,实 现了什么数据通路，进行什么运算。答：允许结果输出，禁止向暂存器A、B写入数据，且实现了算术运算 F=A+B+FC 功能。5、置 ALU_B=0、LDA=0、LDB=0、只（S3、S2、S1、S0、M） =10101 运 算结果是多少？答：F=OD FC=Q FZ=0.6、多74181的功能有哪些认识？答：74181是4位的算逻单元，其中红色的标示为输入信号；绿色的标示为输出信号；其中 A/B为两个输入的操作数据；F为输出的结果；S为ALU 功能选择线：包括各种算术元算和逻辑运算等；Cn为低位向他的进位，Cn+4 为他向高位的进位； G为进位产生函数；P为进位传递函数；A=B指示A与B相等的输出信号。利用它可以组成多位全加器。小结：通过本次实验了解了运算器的组成结构以及本次实验中用到的一些芯片，掌握了运算 器的工作原理。得分（百分制）实验报告分析评价课程名称班级实验名称时间实验报告情况分析：经验总结及进一步改进措施：
