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1、2007.7.2,计算机组成原理,1,第10章 实训, 实训一 运算器 实训二 存储器实训三 微控制器实验实训四 基本模型机设计与实现,2007.7.2,计算机组成原理,2,一、实训目的,1了解运算器的组成结构。2掌握运算器的工作原理。3掌握简单运算器的数据传输方式。4验证运算功能发生器(74LS181)及进位控制的组 合功能。,2007.7.2,计算机组成原理,3,二、实训要求,完成不带进位及带进位算术运算和逻辑运算训练，了解算术逻辑运算单元的运用。,三、实训原理,1运算器的设计原理（1）使用基本的门电路构成1位全加器。（2）利用进位传递逻辑将其构成N位并行加法器。（3）利用多路选择逻辑实现
2、多种输入输出组合选 择，使加法器扩展为多功能的算术逻辑运算。,2007.7.2,计算机组成原理,4,（4）利用多路选择逻辑实现移位功能。（5）使用加法器与移位器组合构成乘法器和除法器。（6）使用两个（定点）运算器部件的组合则可构成一个浮点运算器。274LS181运算器 74LS181是一个四位ALU单元，它是由4个一位全加器以及进位电路构成。下面给出了正逻辑74LS 181的逻辑图如图10-1所示，其功能表见表10-1。,2007.7.2,计算机组成原理,5,图10-1 正逻辑74LS181的逻辑图,2007.7.2,计算机组成原理,6,表10-1 74LS181逻辑功能表(注意：“”为算术加
3、，“|”为逻辑或，“”为算术减。),2007.7.2,计算机组成原理,7,四、实训电路,1. 基本运算部件 图10-2所示的是由两片74LS181芯片构成的8位字长的运算器。右方为低4位运算芯片，左方为高4位运算芯片。低位芯片的进位输出端Cn+4与高位芯片的进位输入端Cn相连，高位芯片的输出端Cn+4可连至进位锁存电路，以保存此进位。 两个芯片的控制端S0S3和M各自相连，其控制电平如表10-1。,2007.7.2,计算机组成原理,8,为进行双操作数运算，运算器的两个数据输入端分别由两个数据暂存器DR1、DR2（74LS273实现）来锁存数据。要将内总线上的数据锁存到DR1或DR2中，则锁存器
4、74LS273的控制端LDDR1或LDDR2须为高电平。当T4脉冲来到的时候，总线上的数据就被锁存进DR1或DR2中了。 为了控制运算器向内总线上输出运算结果，在其输出端连接了一个三态门（74LS245实现）。若要将运算结果输出到总线上，则要将三态门74LS245的控制端ALU-B置低电平。,2007.7.2,计算机组成原理,9,2进位控制运算部件 在图10-2的基础上增加进位控制部分,可设计出进位控制运算部件实训原理图如图10-3所示。其中181的进位进入一个74LS74锁存器，其写入是由T4和AR信号控制，T4是脉冲信号，实验时将T4连至“STATE UNIT”的微动开关KK2上。AR是电
5、平控制信号（低电平有效），可用于实现带进位控制实验，而T4脉冲是将本次运算的进位结果锁存到进位锁存器中。,2007.7.2,计算机组成原理,10,（下面两个图中S0、S1、S2、S3只和两片181连接，不连245）,图10-2 运算器实训原理图,2007.7.2,计算机组成原理,11,图10-3 进位控制实训原理图,2007.7.2,计算机组成原理,12,五、实训步骤,1算术逻辑运算（1）实训说明 实训电路如图10-2所示。其中运算器由两片74LS181构成8位字长的ALU。运算器的输出经过一个三态门（74LS245）到AUJ3插座，再通过连接排线连接到内总线上。运算器的两个数据输入端分别由两
6、个锁存器（74LS373）锁存，锁存器的输入端已经连接到内总线上了。,2007.7.2,计算机组成原理,13,数据输入单元用以给出参与运算的数据。其中输入开关经过一个三态门（74LS245）和内总线相连，该三态门的控制信号位SW-B，取低电平时，开关上的数据则通过三态门而送入内总线中。 总线显示灯（在BUS UNIT单元中）已与内总线相连，用来显示内总线上的数据。 控制信号中除T4为脉冲信号，其它信号均为电平信号。,2007.7.2,计算机组成原理,14,由于实训电路中的时序信号均已连至“JT UNIT”单元中的相应时序信号引出端，因此，需要将“JT UNIT”单元中的T4接至“STATE U
7、NIT”单元中的微动开关KK2的输出端。在进行实验时，按动微动开关，即可获得实验所需的单脉冲，如图10-4所示。 S3、S2、S1、S0、Cn、M、LDDR1、LDDR2、ALU-B，SW-B各电平控制信号则使用“SWTICH UNIT”单元中的二进制数据开关来模拟，其中Cn、ALU-B、SW-B为低电平有效，LDDR1、LDDR2为高电平有效。上述实训信号连接情况如图10-4所示。,2007.7.2,计算机组成原理,15,图10-4 运算器实训接线图,2007.7.2,计算机组成原理,16,（2）操作步骤 按图10-4连接实训电路并检查无误后打开电源开关。图中将用户需要连接的信号线用小圆圈标
8、明。 用输入开关向暂存器DR1置数，操作流程如图10-5所示。 a. 拨动输入开关形成二进制数01100101（或其它数值）。（数据显示灯亮为0，灭为1）。 b. 使SWITCH UNIT单元中的开关SW-B=0（打开数据输入三态门）、ALU-B=1（关闭ALU输出三态门）、LDDR1=1（为打开DR1输入准备）、LDDR2=0（关闭DR2输入）。,2007.7.2,计算机组成原理,17,c. 按动微动开关KK2（产生T4脉冲信号），与LDDR1信号一起，将二进制数01100101置入DR1中。 输入开关向暂存器DR2置数，操作流程如图10-5所示。 a. 拨动输入开关形成二进制数101001
9、11（或其它数值）。（数据显示灯亮为0，灭为1）。 b. 使SWITCH UNIT单元中的开关SW-B=0（打开数据输入三态门）、ALU-B=1（关闭ALU输出三态门）、LDDR1=0（关闭DR1输入）、LDDR2=1（为打开DR2输入准备）。,2007.7.2,计算机组成原理,18,c. 按动微动开关KK2（产生T4脉冲信号），与LDDR2信号一起，将二进制数01100101置入DR2 中。 检查DR1和DR2中存在的数是否正确。 a. 使SWITCH UNIT单元中的开关SW-B=1（关闭数据输入三态门）、ALU-B=0（关闭ALU输出三态门）、LDDR1=0（关闭DR1输入）、LDDR2
10、=0（关闭DR2输入）。 b. 置S3、S2、S1、S0、M为11111，总线显示灯则显示DR1中的数。 c. 置S3、S2、S1、S0、M为10101，总线显示灯则显示DR2中的数。,2007.7.2,计算机组成原理,19,改变运算器的功能设置，观察运算器的输出。 a. 保持SW-B、ALU-B=0保持不变。 b. 按表1.1置S3、S2、S1、S0、M、Cn的数值，并观察总线显示灯显示的结果。例如：置S3、S2、S1、S0、M、Cn为100101，运算器作加法运算置S3、S2、S1、S0、M、Cn为011000，运算器作减法运算。,2007.7.2,计算机组成原理,20,图10-5 向DR
11、1和DR2寄存器置数操作流程,2007.7.2,计算机组成原理,21,2. 进位控制运算 （1）实训说明 进位控制运算器的实训原理如图10-3所示，在算术逻辑运算实训的基础上增加进位控制部分，使ALU的进位进入到进位锁存器中。其写入是由T4和AR信号控制。T4为脉冲信号；AR是电平控制信号，低电平有效。当T4脉冲来到时，则将本次运算的进位结果锁存到进位锁存器中。,2007.7.2,计算机组成原理,22,图106 进位控制实训接线 （上图方格内竖线不需要）,2007.7.2,计算机组成原理,23,（2）操作步骤 按图10-6连接实验电路并检查无误。 打开电源开关。 用输入开关向暂存器DR1和DR
12、2置数。操作流程如图10-5所示。 关闭数据输入三态门（SW-B=1），打开ALU输出三态门（ALU-B=0），并使LDDR1=0、LDDR2=0，关闭寄存器。 对进位标志清零。 置S3、S2、S1、S0、M的状态为0 0 0 0 0，置AR的状态为0。（清零时DR1中的数不应等于FF）。按动微动开关KK2。 注：进位标志指示灯CY亮时表示进位标志为“0”，无进位；标志指示灯CY灭时表示进位为“1”，有进位。,2007.7.2,计算机组成原理,24,验证带进位运算及进位锁存功能。 使Cn=1，AR=0，进行带进位算术运算。 例如，进行加法运算，使ALU-B=0，S3 S2 S1 S0 M状态为
13、10010，此时数据总线上显示的数据为DR1加DR2加当前进位标志，这个结果是否有进位产生，则要按动微动开关KK2，若进位标志灯亮，则无进位，反之则有进位。因为做加法运算时数据总线一直显示的数据为DR1+DR2+CY，所以当有进位输入到进位锁存器后，总线显示的数据为加上进位位的结果。,思考：在8位运算器的基础上，如何设计16位运算器？,2007.7.2,计算机组成原理,25,六、练习,验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能： 在给定DR1=65H、DR2=A7H的情况下，改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，填入下表中，并和理论分析进行比较、验证。,2007.7.2,计算机组成原理,26
14、,2007.7.2,计算机组成原理,27,实训二 存储器,1熟悉存储器和总线组成的硬件电路。 2掌握静态随机存储器RAM工作特性及数据的读写方法。,一、实训目的,2007.7.2,计算机组成原理,28,按照实训步骤完成实训项目，利用存储器和总线进行数据传输。,二、实训要求,三、实训原理,半导体存储芯片采用超大规模集成电路制造工艺，其结构如图10-7所示。,2007.7.2,计算机组成原理,29,图10-7 半导体存储芯片结构,存储芯片通过地址总线、数据总线和控制总线与外部连接。地址线是单向输入，数据线是双向输入输出，数据线和地址的位数共同反映存储芯片的容量。例如：地址线为10根，数据线为8根，
15、则芯片容量为210840964KB。,2007.7.2,计算机组成原理,30,控制线主要有读/写控制线WE与片选线CE两种。读/写控制线决定芯片进行读/写操作，片选线用来选择存储芯片（通常主存由多个存储芯片构成）。,四、实训电路,所用的半导体静态存储器电路原理如图10-8所示。实训中的静态存储器由一片6116（2K8）构成，其数据线接至数据总线，地址总线由地址锁存器（74LS273）给出，地址灯AD0AD7与地址线相连，显示地址线内容。数据开关经一三态门（74LS245）连至数据总线，分时给出地址和数据。,2007.7.2,计算机组成原理,31,因为地址寄存器为8位，接入6116的地址A7A0，而高三位A8A10接地，所以其实际容量为256字节。6116有三个控制线：CE（片选线）、OE（读线）、WE（写线）。当片选有效（CE=0）时，OE=0时进行读操作，WE=0时进行写操作。本实验中将OE常接地，在此种情况下，当CE=0、WE=0时进行读操作，CE=0、WE=1时进行写操作，其写时间与T3脉冲宽度一致。 操作时将T3脉冲接至实验板上时序电路模块的TS3相应插孔中，其脉冲宽度可调，其它电平控制信号由“SWITCH UNIT”单元的二进制开关模拟，其中SW-B为低电平有效，LDAR为高电平有效。,
