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1、中国矿业大学计算机科学与技术学院计算机组织与体系结构 实验一目录1.实验目的 .22.实验设备 .23.实验内容和步骤 .34.实验步骤 .75.实验结果 .106.实验体会 .201.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。2.实验设备PC 机一台，TD-CMA 实验系统一套。3.实验内容和步骤本实验的原理如图 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辑运算部件之前，如 ARM） ，各部件对操作数进行何种运算由
2、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 FPGA 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 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：1）对于逻辑左移或逻辑右移功能
3、，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。图 1-1 运算器原理图运算器部件由一片 FPGA 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，表示这两根排针之间是连通的。
4、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（时序单元的介绍见附录二） ，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。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
5、数据总线 D7D0 的显示原理也是如此。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。图 1-4 ALU 和外围电路连接原理图表 1-1 运算器逻辑功能表4.实验步骤1）按图 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。图 1-5 实验接线图2）将时序与操作台单元的开关 KK2 置为单拍档,开关 KK1、KK3置为运行档。 3） 打开电源开
6、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 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。 5）用输入开关向暂存器 B 置数。 拨动 CON 单元的 SD2
7、7SD20 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 1-1-1 置 S3、S2、S1、S0 和 Cn的数值，并观察数据总线 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
8、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.实验结果表 1-2 运算结果表运算
9、类型 A B S3 S2 S1 S0 CN 结果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）65 A7 0 0 1 0 X F=（25）FC= （0）FZ=（0）65 A7 0 0 1 1 X F=（E7 ）FC=（0）FZ=（0）逻辑运算65 A7 0 1 0 0 X F=（9A）FC=（1 ）FZ= （0）65 A7 0 1 0 1 X F=（CA）FC= （1 ）FZ= （0）65 A7 0 F=（32）FC= （1）FZ=（0）移位运算65 A7 0 1 1 0 1 F=（B2 ）FC=（
10、1）FZ=（0）65 A7 0 F=（CA）FC= （1 ）FZ= （0）65 A7 0 1 1 1 1 F=（CA）FC= （0 ）FZ= （0）65 A7 1 0 0 0 X F=（65）FC= （0）FZ=（0）65 A7 1 0 0 1 X F=（0C）FC=（1）FZ=（0）65 A7 1 0 1 0（FC=0） X F=（0C）FC=（0）FZ=（0）65 A7 1 0 1 0（FC=1） X F=（0D）FC=（1）FZ=（0）65 A7 1 0 1 1 X F=（BE）FC= （1）FZ=（0）65 A7 1 1 0 0 X F=（64）FC= （0）FZ=（0）算术运算65 A7 1 1 0 1 X F=（66）FC= （0）FZ=（0）Fc=1Fc=06.实验体会本次实验有关运算器的实验，实验中通过和同学们的探讨，弄懂了各个运算的实现原理和步骤，知道了每个数据的用法，对运算器的内部结构及其运行原理有了更加深刻的了解。了解了计算机的主要的功能就是处理各种算数和逻辑运算，而这个功能是由 CPU 的运算器来完成。通过观看实验软件的过程，知道了运算器内部结构及其运算流程。通过实验将理论知识付诸于实践，加深了自己在课堂上所学到的理论知识。
