1、0实验一 运算器实验计算机的一个最主要的功能就是处理各种算术和逻辑运算，这个功能要由 CPU 中的运算器来完成，运算器也称作算术逻辑部件 ALU。本章首先安排一个基本的运算器实验，了解运算器的基本结构，然后再设计一个加法器和一个乘法器。一、 实验目的(1) 了解运算器的组成结构。(2) 掌握运算器的工作原理。二、 实验设备PC 机一台，TD-CMA 实验系统一套。三、 实验原理本实验的原理如图 1-1 所示。运算器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
2、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来实现，交叉开关的原理如图 1-2所示。图中显示的是一个 44 的矩阵（系统中是一个 88 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
3、通，就可实现移位功能，即：(1) 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。(2) 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。例如，在 4 位矩阵中使用右1和左 3对角线来实现右循环 1 位。(3) 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。1A ( 2 7 3 ) B ( 2 7 3 )I N 7 . . 0 显示 A 显示 BS 3 . . 0 C nL D AT 4L D BT 4三选一开关三态控制 ( 2 4
4、5 )D 7 . . 0 A L U _ B移位运算部件逻辑运算部件算术运算部件C Y 1C L R译码器L O G I CS H I F TA D D _ S U BP R NC L RQV C CT 4F CF 7F 0F ZC L RP R NC L RDQV C CF CC nF CDC Y 2T 4C Y 2C NS H I F TA D D _ S U B图 1-1 运算器原理图运算器部件由一片 CPLD 实现。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：实验箱上凡丝印标注有马蹄形标记 ，表示这两
5、根排针之间是连通的。图中除 T4 和 CLR，其余信号均来自于 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 CON 单元的 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。2右 3 右 2 右 1不 移 位左 1左 2左 3in3in2in1in0out0out1out2out3图 1-2 交叉开关桶形移位器原理图暂存器 A 和暂存器 B 的数据能在 LED 灯
6、上实时显示，原理如图 1-3 所示（以 A0 为例，其它相同） 。进位标志 FC、零标志 FZ 和数据总线 D7D0 的显示原理也是如此。VC A01K图 1-3 A0 显示原理图ALU 和外围电路的连接如图 1-4 所示，图中的小方框代表排针座。运算器的逻辑功能表如表 1-1 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 FC、FZ 表示当前运算会影响到该标志。A ( 2 7 3 ) B ( 2 7 3 )I N 7 . . 0 显示 A 显示 BS 3 . . 0 C NL D AT 4L D BT 4三态控制 ( 2 4 5
7、 )D 7 . . 0 A L U _ BA L UF CF Z显示 F Z显示 F CR E G 堆R 2 R 3R 1R 0O U T 7 . . 0 L D R 2T 4L D R 1T 4L D R 3T 4L D R 0T 4R 0 _ BR 1 _ BR 3 _ BR 2 _ B图 1-4 ALU 和外围电路连接原理图3表 1-1 运算器逻辑功能表运算类型 S3 S2 S1 S0 CN 功 能0000 X F=A（直通） 0001 X F=B（直通） 0010 X F=AB （FZ）0011 X F=A+B （FZ）逻辑运算0100 X F= （FZ）A0101 X F=A 不带进
8、位循环右移 B（取低 3 位）位 （FZ）0 F=A 逻辑右移一位 （FZ）01101 F=A 带进位循环右移一位 （FC，FZ）0 F=A 逻辑左移一位 （FZ）移位运算01111 F=A 带进位循环左移一位 （FC，FZ）1000 X 置 FC=CN （FC）1001 X F=A 加 B （FC，FZ ）1010 X F=A 加 B 加 FC （FC，FZ ）1011 X F=A 减 B （FC，FZ ）1100 X F=A 减 1 （FC，FZ）1101 X F=A 加 1 （FC，FZ）1110 X （保留）算术运算1111 X （保留）*表中“X”为任意态，下同四、实验步骤(1) 按
9、图 1-5 连接实验电路，并检查无误。图中将用户需要连接的信号用圆圈标明（其它实验相同） 。A L U & R E G 单元A L U _ B S 3 . . . S 0 C n L D A L D B I N 7 . . . I N 0C O N 单元A L U _ B S 3 . . . S 0 C n L D A L D B S D 2 7 . . . S D 2 0. . . . . .时序与操作台单元 控制总线单元T S 3T S 4T 3T 4D 7 . . . D 0O U T 7 . . . O U T 0. . .D 7 . . . D O. . .C P U 内总线单元C
10、L K 03 0 H Z图 1-5 实验接线图(2) 将时序与操作台单元的开关 KK2 置为单步档,开关 KK1、KK3 置为运行档。 (3) 打开电源开4关，如果听到有嘀报警声，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 CON 单元的 CLR 按钮，将运算器的 A、B 和 FC、FZ 清零。(4) 用输入开关向暂存器 A 置数。 拨动 CON 单元的 SD27SD20 数据开关，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 01100
11、101 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。(5) 用输入开关向暂存器 B 置数。 拨动 CON 单元的 SD27SD20 数据开关，形成二进制数 10100111（或其它数值） 。 置 LDA=0，LDB=1，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 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。 (6) 改变运算器的功能设置，观察运算器的输出。置 ALU_B=0、LDA=0、LDB=0，然后按表 1-1 置S3、S2、S1、S0 和 Cn 的数值，并观
12、察数据总线 LED 显示灯显示的结果。如置 S3、S2、S1、S0 为 0010，运算器作逻辑与运算，置 S3、S2、S1、S0 为 1001，运算器作加法运算。如果实验箱和 PC 联机操作，则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果（软件使用说明请看附录一） ，方法是：打开软件，选择联机软件的“【实验】【运算器实验】 ”，打开运算器实验的数据通路图，如图 1-6 所示。进行上面的手动操作，每按动一次 ST 按钮，数据通路图会有数据的流动，反映当前运算器所做的操作，或在软件中选择“【调试】【单节拍】 ”，其作用相当于将时序单元的状态开关 KK2 置为单拍档后按动了一次 ST 按钮，数据通路图也会
13、反映当前运算器所做的操作。重复上述操作，并完成表 1-2。然后改变 A、B 的值，验证 FC、FZ 的锁存功能。图 1-6 数据通路图5表 1-2 运算结果表运算类型 A B S3 S2 S1 S0 CN 结果65 A7 0 0 0 0 X F=( 65 ) FC=( ) FZ=( )65 A7 0 0 0 1 X F=( A7 ) FC=( ) FZ=( )0 0 1 0 X F=( ) FC=( ) FZ=( )0 0 1 1 X F=( ) FC=( ) FZ=( )逻辑运算0 1 0 0 X F=( ) FC=( ) FZ=( )0 1 0 1 X F=( ) FC=( ) FZ=(
14、)0 F=( ) FC=( ) FZ=( )0 1 1 01 F=( ) FC=( ) FZ=( )0 F=( ) FC=( ) FZ=( )移位运算0 1 1 11 F=( ) FC=( ) FZ=( )1 0 0 0 X F=( ) FC=( ) FZ=( )1 0 0 1 X F=( ) FC=( ) FZ=( )1 0 1 0（FC=0）X F=( ) FC=( ) FZ=( )1 0 1 0（FC=1）X F=( ) FC=( ) FZ=( )65 65 1 0 1 1 X F=( ) FC=( ) FZ=( )1 1 0 0 X F=( ) FC=( ) FZ=( )算术运算1 1 0 1 X F=( ) FC=( ) FZ=( )
