微机原理及应用课程设计.doc

1、微机原理课程设计1吉林建筑工程学院电气与电子信息工程学院微机原理技术课程设计报告设计题目： 算术逻辑单元设计 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 设计时间： 2011.06.272011.07.08 教师评语：成绩 评阅教师 日期 微机原理课程设计2第 1 章 绪 论1.1 算 术 逻 辑 单 元 发 展 及 现 状算 术 逻 辑 单 元 （ arithmetic logic unit， 缩 写 ALU） 是 进 行 整 数 运算 的 结 构 。 现 阶 段 是 用 电 路 来 实 现 ， 应 用 在 电 脑 组 芯 片 中 。在 计 算 机 中 ， 算 术 逻 辑 单 元 （ AL

2、U） 是 专 门 执 行 算 术 和 逻 辑 运 算 的数 字 电 路 。 ALU 是 计 算 机 中 央 处 理 器 的 最 重 要 成 部 分 ， 甚 至 连 最 小 的微 处 理 器 也 包 含 ALU 作 计 数 功 能 。 在 现 代 CPU 和 GPU 处 理 器 中 已含 有 功 能 强 大 和 复 杂 的 ALU； 一 个 单 一 元 件 也 可 能 含 有 ALU。1945 年 数 学 家 冯 诺 伊 曼 在 一 篇 介 绍 被 称 为 EDVAC 的 一 种 新 型 电脑 的 基 础 构 成 的 报 告 中 提 出 ALU 的 概 念 。 早 期 发 展1946 年 ， 冯

3、 诺 伊 曼 与 同 事 合 作 为 普 林 斯 顿 高 等 学 习 学 院 (IAS)设 计 计 算 机 。 随 后 IAS 计 算 机 成 为 后 来 计 算 机 的 原 形 。 在 论 文 中 ， 冯 诺伊 曼 提 出 他 相 信 计 算 机 中 所 需 的 部 件 ， 其 中 包 括 ALU。 冯 诺 伊 曼 写到 ， ALU 是 计 算 机 的 必 备 组 成 部 分 ， 因 为 已 确 定 计 算 机 一 定 要 完 成 基 本的 数 学 运 算 ， 包 括 加 减 乘 除 。 于 是 他 相 信 （ 计 算 机 ） 应 该 含 有 专 门完 成 此 类 运 算 的 部 件 。 数

4、 字 系 统ALU 必 须 使 用 与 数 字 电 路 其 他 部 分 使 用 同 样 的 格 式 进 行 数 字 处 理 .对现 代 处 理 器 而 言 ,几 乎 全 都 使 用 二 进 制 补 码 表 示 方 式 。 早 期 的 计 算 机 曾 使用 过 很 多 种 数 字 系 统 ， 包 括 反 码 、 符 号 数 值 码 ， 甚 至 是 十 进 制 码 ， 每 一位 用 十 个 管 子 。 以 上 这 每 一 种 数 字 系 统 所 对 应 的 ALU 都 有 不 同 的 设计 ， 而 这 也 影 响 了 当 前 对 二 进 制 补 码 的 优 先 选 择 ， 因 为 二 进 制 补

5、码 能 简化 ALU 加 法 和 减 法 的 运 算 。 一 个 简 单 的 能 进 行 与 或 非 和 加 运 算 的2 位 ALU。 可 行 性 分 析绝 大 部 分 计 算 机 指 令 都 是 由 ALU 执 行 的 。 ALU 从 寄 存 器 中 取 出 数据 ， 数 据 经 过 处 理 将 运 算 结 果 存 入 ALU 输 出 寄 存 器 中 。 其 他 部 件 负 责微机原理课程设计3在 寄 存 器 与 内 存 间 传 送 数 据 。 控 制 单 元 控 制 着 ALU， 通 过 控 制 电 路来 告 诉 ALU 该 执 行 什 么 操 作 。 简 单 运 算大 部 分 ALU

6、都 可 以 完 成 以 下 运 算 整 数 算 术 运 算 （ 加 、 减 ， 有 时 还 包 括 乘 和 除 ， 不 过 成 本 较 高 ）位 逻 辑 运 算 （ 与 、 或 、 非 、 异 或 ）移 位 运 算 （ 将 一 个 字 向 左 或 向 右 移 位 或 浮 动 特 定 位 ， 而 无 符 号 延 伸 ） ，移 位 可 被 认 为 是 乘 以 2 或 除 以 2。复 杂 运 算工 程 师 可 设 计 能 完 成 任 何 运 算 的 ALU， 不 论 运 算 有 多 复 杂 ； 问 题 在 于运 算 越 复 杂 ， ALU 成 本 越 高 ， 在 处 理 器 中 占 用 的 空 间

7、越 大 ， 消 耗 的 电 能越 多 。 于 是 ， 工 程 师 们 经 常 计 算 一 个 折 中 的 方 案 ， 提 供 给 处 理 器 （ 或 其他 电 路 ） 一 个 能 使 其 运 算 高 速 的 ALU， 但 同 时 又 避 免 ALU 设 计 的 太复 杂 而 价 格 昂 贵 。 部 ALU。 工 程 师 一 般 认 为 ALU 是 处 理 整 数 型 （ 比如 补 码 和 BCD 码 ） 算 术 运 算 的 的 电 路 ， 而 对 更 为 复 杂 的 格 式 （ 比 如 浮点 型 、 复 数 型 ） 进 行 计 算 的 电 路 则 拥 有 一 个 更 加 匹 配 的 称 谓 。

8、1.2 实 验 目 的了 解 算 术 逻 辑 运 算 单 元 的 工 作 原 理 及 构 成 ， 掌 握 简 单 运 算 器 的 数 据 传输 方 式 ， 掌 握 74LS181 的 功 能 和 应 用 。 了 解 算 术 逻 辑 运 算 单 元 的 系 统设 计 ， 包 括 硬 件 设 计 和 软 件 设 计 ， 并 能 通 过 实 验 验 证 。1.3 实 验 原 理运 算 器 由 2 片 74 LS181 构 成 8 位 字 长 的 ALU 单 元 。 2 片74LS374 作 为 2 个 数 据 锁 存 器 （ DR1、 DR2） ， 8 芯 插 座 ALU-IN 作 为数 据 输 入

9、 器 ， 可 通 过 短 8 芯 扁 平 电 缆 ， 把 数 据 输 入 端 连 接 到 数 据 总 线上 。 运 算 器 的 数 据 输 出 端 由 一 片 74LS244（ 输 出 缓 冲 器 ） 来 控 制 ，8 芯 插 座 ALU-OUT 作 为 数 据 输 出 端 ， 可 通 过 短 8 芯 扁 平 电 缆 把 数 据 输出 端 连 接 到 数 据 总 线 上 。 算 术 逻 辑 单 元 可 完 成 数 据 的 算 术 、 逻 辑 运 算 ，如 不 带 进 位 的 位 逻 辑 或 运 算 ， 不 带 进 位 的 位 加 法 运 算 。微机原理课程设计4数 据 输 入 锁 存 器 DR

10、1 的 EDR1 为 低 电 平 ， 并 且 D1CK 有 上 升 沿时 ， 把 来 自 数 据 总 线 的 数 据 打 入 锁 存 器 DR1。 同 样 使 EDR2 为 低 电平 ， D2CK 有 上 升 沿 时 把 数 据 总 线 上 的 数 据 打 入 数 据 锁 存 器 DR2。算 术 逻 辑 运 算 单 元 的 核 心 是 由 2 片 74LS181 组 成 ， 它 可 以 进 行2 个 8 位 二 进 制 数 的 算 术 逻 辑 运 算 ， 74LS181 的 各 种 工 作 方 式 可 通 过设 置 其 控 制 信 号 来 实 现 （ S0、 S1、 S2、 S3、 M、 CN

11、） 。 当 实 验 者 正 确 设置 了 74LS181 的 各 个 控 制 信 号 ， 74LS181 会 运 算 数 据 锁 存 器DR1、 DR2 内 的 数 据 。 由 于 DR1、 DR2 已 经 把 数 据 锁 存 ， 只 要 74LS181的 控 制 信 号 不 变 ， 那 么 74LS181 的 输 出 数 据 也 不 会 发 生 改 变 。输 出 缓 冲 器 采 用 74LS244， 当 控 制 信 号 ALU-O 为 低 电 平 时 ，74LS244 导 通 ， 把 74LS181 的 运 算 结 果 输 出 到 数 据 总 线 ;当 ALU-O 为高 电 平 时 ， 74

12、LS244 的 输 出 为 高 阻。表 1-1 控 制 信 号 说 明信 号 名 称 作 用 有 效 电 平EDR1 选 通 DR1 寄 存 器 低 电 平 有 效EDR2 选 通 DR2 寄 存 器 低 电 平 有 效DR1CK DR1 寄 存 器 工 作 脉 冲 上 升 沿 有 效DR2CK DR2 寄 存 器 工 作 脉 冲 上 升 沿 有 效S0-S1 74LS181 工 作 方 式 选 择M 选 择 逻 辑 或 算 术 运 算CN 有 无 进 位 输 入CCK 进 位 寄 存 器 的 工 作 脉 冲 上 升 沿 有 效ALU-O 74LS181 计 算 结 果 输 出 至 总线低 电

13、 平 有 效微机原理课程设计51.4 实 验 意 义通 过 这 次 实 验 ， 使 我 明 白 了 算 术 逻 辑 单 元 的 组 成 以 及 组 成 它 的 各 种芯 片 的 图 及 引 脚 功 能 ， 掌 握 了 简 单 运 算 器 的 数 据 传 输 方 式 和74LS181 的 功 能 和 应 用 。 增 强 了 我 对 算 术 逻 辑 单 元 的 理 解 和 认 识 ， 同 时也 增 强 了 所 学 理 论 知 识 和 实 际 的 联 系 ， 增 加 了 对 微 机 原 理 及 应 用 这 门 课的 认 识 和 兴 趣 。微机原理课程设计6第 2 章 系 统 设 计2.1 硬 件 介

14、 绍2.1.1 芯 片 介 绍74LS181 为 算 术 逻 辑 单 元 /函 数 产 生 器 （ 32 个 功 能 ） ， 能 执 行 16中 算 术 运 算 和 16 种 逻 辑 运 算 。 当 工 作 方 式 控 制 端 （ M） 为 低 电 平 时 执行 算 术 运 算 ， 当 方 式 控 制 端 （ M） 为 高 电 平 时 执 行 逻 辑 运 算 。 运 算 功 能由 功 能 选 择 端 （ S0-S3） 决 定 。利 用 A 等 于 B 输 出 端 （ FA-B） ， 181 还 可 作 为 数 值 比 较 器 。 当M S0 S3 为 低 电 平 ， S1 S2 /CIn 为

15、高 电 平 时 ， 如 果 A 和 B 两 字 相等 ， 则 FA-B 为 高 电 平 。 由 于 FA-B 为 集 电 极 开 路 输 出 ， 可 以 线 与 连 接 ，因 而 可 做 大 于 4 位 的 比 较 。进 位 输 出 端 （ /COn+4） 也 可 用 来 提 供 相 对 信 息 的 大 小 ， 此 时M S0 S3 为 低 电 平 ， S1 S2 为 高 电 平图 2-1 74LS181 的引脚图 微机原理课程设计774LS181 引脚功能表 2-1 74LS181 的 功 能 表方 式 M=1 逻 辑 运 算 M=0 算 术 运 算S3 S2 S1 S0 逻 辑 运 算 C

16、N=1（ 无 进 位 ） CN=0（ 有 进 位 ）0000 F=/A F=A F=A 加 10001 F=/(A+B) F=A+B F=(A+B)加 10010 F=/AB F=A+/B F=(A+/B)加 10011 F=0 F=减 1（ 2 的 补 ） F=00100 F=/(AB) F=A 加 A/B F=A 加 A/B 加 1微机原理课程设计80101 F=/B F=(A+B)加 A/B F=(A+B)加 A/B加 10110 F=A B F=A 减 B 减 1 F=A 减 B 0111 F=A/B F=A/B 减 1 F=A 减 B1000 F=/A+B F=A 加 AB F=A

17、加 AB 加 11001 F=/(A B) F=A 加 B F=A 加 B 加 11010 F=B F=(A+/B)加 AB F=(A+/B)加 AB加 11011 F=AB F=AB 减 1 F=AB1100 F=1 F=A 加 A F=A 加 A 加 11101 F=A+/B F=(A+B)加 A F=(A+B)加 A加 11110 F=A+B F=(A+/B)加 A F=(A+/B)加 A加 11111 F=A F=A 减 1 F=A74LS244 为 3 态 8 位缓冲器，一般用作总线驱动器。74LS244 没有锁存的功能。地扯锁存器就是一个暂存器，它根据控制信号的状态，将总线上的地扯

18、代码暂存起来。图 2-2 74LS244 芯片引脚图微机原理课程设计974LS244 引脚功能/1G，/2G：控制端，控制 4 个三态门1A1-1A4,2A1-2A4：输入端1Y1-1Y4,2Y1-2Y4：输出端表 2-2 74LS244 真值表74LS374 为具有三态输出的八 D 边沿触发器。74LS374 的输出端 Q0-Q7 可直接与总线相连。当三态允许控制端 OE 为低电平时，可用来驱动负载或总线。当 OE为高电平时，Q0-Q7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。在时钟端 CP 脉冲上升沿的作用下，0 随数据 D 而变。微机原理课程设计10图

19、2-3 74LS374 芯 片 引 脚 图74LS374 引 脚 功 能OE： 三 态 允 许 控 制 端 （ 低 电 平 有 效 ）CP： 时 钟 输 入 端D0-D7： 数 据 输 入 端Q0-Q7： 输 出 端表 2-3 74LS374 真 值 表 Di CP OE* Qi1 0 10 0 0X X 1 高 阻2.1.2 原 理 图图 2-4 原 理 图2.2 软 件 设 计2.2.1 流 程 图 微机原理课程设计11不 带 进 位 为 逻 辑 或 运 算不 带 进 位 位 加 法 运 算开始把 33H 送 DR1把 55H 送 DR233H 与 55H 做不带进位为逻辑或运算把运算结果

20、输出结束开始把 33H 送 DR1微机原理课程设计122.2.2 编 程不 带 进 位 为 逻 辑 或 运 算MOV DR1,33HMOV DR2,55HOR DR1， DR2OUT DR1不 带 进 位 位 加 法 运 算CLR CMOV DR1,33HMOV DR2,55HADD DR1， DR2OUT DR1把 55H 送 DR233H 与 55H 做不带进位位加法运算把运算结果输出结 束微机原理课程设计13第 3 章 实 验 验 证3.1 实 验 验 证把 ALU-IN（ 8 芯 的 盒 型 插 座 ） 与 CPT-B 板 上 的 二 进 制 开 关 单 元中 J1 插 座 相 连 （

21、 对 应 二 进 制 开 关 H16-H23） ， 把 ALU-OUT（ 8 芯 的 盒型 插 座 ） 与 数 据 总 线 上 的 DJ2 相 连 。把 D1CK 和 D2CK 用 连 线 连 到 脉 冲 单 元 的 PLS1 上 ， 把EDR1、 EDR2、 ALU-O、 S0、 S1、 S2、 S3、 CN、 M 接 入 二 进 制 开 关 （ 请 按下 表 接 线 ）表 3-1信 号 定 义 接 入 开 关 信 号D1CK PLS1 孔D2CK PLS1 孔EDR1 H8 孔EDR2 H7 孔ALU-O H6 孔CN H5 孔M H4 孔S0 H3 孔S1 H2 孔S2 H1 孔S3 H

22、0 孔按 启 停 单 元 的 运 行 按 钮 ， 使 试 验 机 处 于 运 行 状 态 。二 进 制 开 关 H16-H23 作 为 数 据 输 入 ， 置 33H（ 对 应 开 关 如 下 表 ）微机原理课程设计14表 3-2H23 H22 H21 H20 H19 H18 H17 H16 数 据 总 线值D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 8 位 数 据0 0 1 1 0 0 1 1 33H置 各 控 制 信 号 如 下 ：表 3-3H8 H7 H6 H5 H4 H3 H2 H1 H0EDR1 EDR2 ALU-O CN M S3 S2 S1 S00 1 0 1 1 1 1 1

23、 0按 脉 冲 单 元 中 的 PLS1 脉 冲 按 键 ， 在 D1CK 上 产 生 一 个 上 升 沿 ， 把33H 打 入 DR1 数 据 锁 存 器 ， 通 过 逻 辑 笔 或 示 波 器 来 测 量 确 定 DR1 寄 存器 （ 74LS374） 的 输 出 端 ， 检 验 数 据 是 否 进 入 DR1 中 。二 进 制 开 关 H16-H23 作 为 数 据 输 入 ， 置 55H（ 对 应 开 关 如 下 表 ）表 3-4H23 H22 H21 H20 H19 H18 H17 H16 数 据 总 线值D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 8 位 数 据0 1 0 1

24、0 1 0 1 55H置 各 控 制 信 号 如 下 ：表 3-5H8 H7 H6 H5 H4 H3 H2 H1 H0EDR1 EDR2 ALU-O CN M S3 S2 S1 S01 0 0 1 1 1 1 1 0按 脉 冲 单 元 中 的 PLS1 脉 冲 按 键 ， 在 D2CK 上 产 生 一 个 上 升 沿 的 脉微机原理课程设计15冲 ， 把 55H 打 入 DR2 数 据 锁 存 器 。经 过 74LS181 的 计 算 ， 把 运 算 结 果 （ F=A 或 B） 输 出 到 数 据 总 线 上 ，数 据 总 线 上 的 LED 显 示 灯 IDB0-IDB7 应 该 显 示

25、为 77H不 带 进 位 位 加 法 运 算 实 验 与 上 述 实 验 步 骤 相 同 ， 只 是 结 果 为 88H3.2 实 验 表 格表 3-6M=0（ 算 术 运 算 ）DR1 DR2 S3 S2 S1 S0CN=1 CN=0M=1 逻辑 运 算65 A7 0 0 0 0 F=A7H F=A8H F=08H65 A7 0 0 0 1 F=F7H F=F8H F=08H65 A7 0 0 1 0 F=AFH F=B0H F=50H65 A7 0 0 1 1 F=FFH F=00H F=00H65 A7 0 1 0 0 F=49H F=4AH F=FAH65 A7 0 1 0 1 F=9

26、9H F=9AH F=AAH65 A7 0 1 1 0 F=51H F=52H F=F2H65 A7 0 1 1 1 F=A1H F=A2H F=A2H65 A7 1 0 0 0 F=ACH F=ADH F=5DH65 A7 1 0 0 1 F=FCH F=FDH F=0DH65 A7 1 0 1 0 F=B4H F=B5H F=55H65 A7 1 0 1 1 F=04H F=05H F=05H65 A7 1 1 0 0 F=4EH F=4FH F=FFH65 A7 1 1 0 1 F=9EH F=9FH F=AFH65 A7 1 1 1 0 F=56H F=57H F=F7H65 A7 1

27、 1 1 1 F=A6H F=A7H F=A7H微机原理课程设计16第 4 章 总 结总 结 与 体 会 ：以 前 从 没 有 学 过 关 于 汇 编 语 言 的 知 识 ， 当 初 学 起 来 感 觉 很 有 难 度 。当 知 道 要 做 课 程 设 计 的 时 候 心 里 有 些 害 怕 和 担 心 ， 担 心 自 己 不 会 活 着 做不 好 。 但 是 当 真 的 要 做 的 时 候 也 只 好 近 自 己 的 最 大 努 力 去 做 ， 做 到 自 己最 好 的 。 在 这 个 过 程 中 有 自 己 的 很 多 感 受 ， 从 开 始 的 担 心 和 害 怕 渐 渐 变成 了 享

28、受 ， 享 受 着 微 机 原 理 带 给 我 的 快 乐 以 及 自 己 动 手 的 充 实 感 。 通 过这 次 课 程 设 计 ， 不 仅 加 深 和 巩 固 了 我 的 课 本 知 识 ， 而 且 增 强 了 我 的 动 手 动 脑 能 力 。 同 时 ， 这 次 课 程 设 计 也 增 强 我 的 整 体 把 握 能 力 ， 从 绪 论 到系 统 设 计 还 有 实 验 验 证 ， 都 是 在 老 师 的 指 导 下 自 己 独 立 完 成 的 。微 机 原 理 与 接 口 技 术 是 一 门 很 有 趣 的 课 程 ， 任 何 一 个 计 算 机 系 统都 是 一 个 复 杂 的

29、整 体 ， 学 习 计 算 机 原 理 是 要 涉 及 到 整 体 的 每 一 部 分 。 讨论 某 一 部 分 原 理 时 又 要 涉 及 到 其 他 部 分 的 工 作 原 理 。 这 样 一 来 ， 不 仅 不能 在 短 时 间 内 较 深 入 理 解 计 算 机 的 工 作 原 理 ， 而 且 也 很 难 孤 立 的 某 一 部分 的 工 作 原 理 。 所 以 ， 在 循 序 渐 进 的 课 堂 教 学 中 ， 我 总 处 于 “学 会了 一 些 新 知 识 ， 弄 清 了 一 些 原 来 保 留 的 问 题 ， 又 出 现 一 些 新 问 题 ”的 循 环 中 ， 直 到 课 程

30、结 束 时 ， 才 把 保 留 的 问 题 弄 清 楚 。 这 次 课 程 设 计 让 我 对 算 术 逻 辑 单 元 有 了 足 够 的 理 解 ， 并 且 知 道 了 实验 台 上 ALU 单 元 的 使 用 方 法 。 知 道 了 算 术 逻 辑 单 元 的 工 作 原 理 以 及 组 成它 的 各 种 芯 片 ， 知 道 了 这 些 芯 片 的 引 脚 图 还 有 引 脚 功 能 。 掌 握 了 算术 逻 辑 单 元 的 软 件 设 计 ， 通 过 画 流 程 图 和 自 己 编 程 序 ， 巩 固 了 课 堂 上 所学 的 理 论 知 识 。 最 后 通 过 实 验 验 证 ， 验

31、证 了 算 术 逻 辑 单 的 正 确 性 。微机原理课程设计17总 之 ， 这 次 课 程 设 计 对 我 有 很 大 的 帮 助 ， 通 过 课 程 设 计 ， 我 更 加 深入 的 理 解 了 微 机 原 理 课 程 上 讲 到 的 各 种 芯 片 的 功 能 ， 以 及 引 脚 的 作 用 ，同 时 加 深 了 对 于 主 要 芯 片 的 应 用 和 认 识 ， 同 时 在 实 验 室 的 环 境 里 熟 悉 了汇 编 程 序 的 编 写 过 程 和 运 行 过 程 ， 最 后 提 高 了 自 己 的 动 手 能 力 。 最 后 感谢 同 学 的 帮 助 和 老 师 的 悉 心 指 导 。参 考 文 献 ：1 微 型 计 算 机 原 理 与 接 口 技 术 /冯 博 琴 ， 吴 宁 主 编 .清 华 大 学 出 版社 ， 2007 年 8 月 第 二 版2 微 机 原 理 与 接 口 技 术 /梁 建 武 中 国 水 利 水 电 出 版 社 ， 2010,93 汇 编 语 言 与 微 机 原 理 教 程 /顾 元 刚 ， 周 燕 主 编 北 京 ： 电 子 工 业出 版 社 ， 2000微机原理课程设计18