实验一：脱机运算器实验

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1、实验一 脱机运算器实验一、实验目的一、实验目的1、深入了解位片结构运算器 AM2901 的功能与用法； 2、学习 4 片 AM2901 组成一个 16 位运算器的级连方式，深化运算器部件的组成、设计、控制和使用等方面的知识。二、实验原理二、实验原理运算器是计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异 或等逻辑运算，以及传送、移位、比较等操作。运算器的组成除了 ALU 单元外，还包括必要的寄存器和移位器等部件。寄存器用 于存放操作数和运算结果，以节省访问存储器的时间；移位器实现数据的移位功能，以扩展 ALU 的运算功能，增加数据传送的灵 活

2、性。 AM2901 是一个 4 位的位片结构运算器，主要由 ALU、输入多路选择器、输出选择器、寄存器组和移位器等组成，如图 1-1 所 示。二选一ALUALUF=0000 Cn+4 OVR F3二选一三选一A 锁存器B 锁存器A B 16 个通用寄存器组B三选一44三选一Q 寄存器Q3Q0 RAM0RAM3输出 Y4A 口地址B 口地址数据 D4I I6 6 I I7 7 I I8 8I I3 3 I I4 4 I I5 5I I0 0 I I1 1 I I2 2OECnFRS图 1-1 AM2901 芯片的内部组成结构1 1）算术逻辑）算术逻辑 ALUALU ALU 为 4 位算术逻辑单元

3、，共有 8 种运算功能，由输入端 I5I4I3的编码值决定执行哪一种功能。 2 2）通用寄存器组）通用寄存器组 AM2901 内部有一个通用寄存器组，共有 16 个 4 位的寄存器。寄存器组有 A 和 B 两个端口，其中端口 A 只有读出数据功能， 端口 B 具有读出和写入两种功能。即数据可以从 A 口和 B 口输出，但只能从 B 口输入。 3 3）Q Q 寄存器寄存器 Q 寄存器位 4 位，在乘除运算中可用来存放乘数或商，故又称为乘商寄存器。Q 寄存器本身具有移位功能，可对数据进行左移 一位或右移一位的处理。 4 4）ALUALU 输入多路选择器输入多路选择器 AM2901 具有两个输入多路

4、选择器 R 和 S，为 ALU 提供两个操作数。R 可选择来自数据线的数据 D（来自外部）或寄存器组端口 A 的数据；S 可从寄存器组端口 A、B 和 Q 寄存器 3 个来源选取数据。两个操作数的组合由控制信号 I2I1I0的编码确定。 5 5）移位器）移位器 4 位，用于对 ALU 的输出实现直送、左移或右移处理。 6 6）输出选择器）输出选择器 选择 AM2901 输出数据 Y 的来源。输出数据 Y 有两个来源：一个是 ALU 的运算结果 F，另一个是直接来自寄存器组端口 A。输 出数据 Y 的选择，以及 ALU 的运算结果 F 如何传送给寄存器组端口 B 的输入或 Q 寄存器，由控制信号

5、 I8I7I6的编码值确定。 表 1-1、表 1-2 和表 1-3 为 ALU 操作运算、数据来源以及运算结果处理的选择情况。表1-1 选择8种运算 表1-2 选择ALU的8种输入数据组合 表1-3 选择运算器的8种结果的处置方案I5 I4 I3运算类型I2 I1 I0R 来源 S 来源I8 I7 I6寄存器组Q 寄存器Y 输出0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1RS SR RS RS RS RS RS RS0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1A Q A B 01 Q 0 B 0

6、 A D2 A D Q D 00 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1F BF B F/2 B F/2 B2F B2F BF QQ/2 QQ/2 QF F A F F F F F注：1 0 表示数值恒为 0；2D 表示外部数据。7）Am2901 需要用一个 CLK（CP）时钟信号作为内部通用寄存器、锁存器和 Q 寄存器的打入（锁存）信号，如图 1-2 所示。 CLK 为高电平时 A、B 锁存器即输入端的数据直通输出端，CLK 的下降沿将输入端的数据锁存。CLK 为低电平时通用寄存器从 B 口 接收数据，CLK 的上升沿将输入端的数据锁存，Q

7、 寄存器接收数据的情况与通用寄存器组相同。ALU 操作周期 系统时钟Q 寄存器接收通用寄存器接收A、B 口数据锁存图 1-2 Am2901 时钟 CLK 信号作用图三、实验内容与步骤三、实验内容与步骤1、实验说明 脱机运算器实验，是指把运算器部件完全脱离与计算机主机和其他部件正常的连接关系，在完全孤立出来的运算器上进行的 实验。此时，只能通过微型拨动开关和按键控制教学机的运算器完成指定的运算功能，并通过信号指示灯观察运算结果。 除 I8I0 的 9 个拨动开关之外，其余的拨动开关功能和作用如下： 1）A 口、B 口地址（各 4 位）：输入从 A 口、B 口对内部寄存器组的寄存器进行读、写操作的

8、地址。 2）SCI（2 位）：选择最低位进位输入信号 C0的形成，可取 0、1，也可取进位标志 C 的值（用于带进位的加、减运算） 。 3）SSH（2 位）：选择移位器左移、右移操作时最高位或最低位的移入信号。 4）SST（3 位）：选择运算器的操作结果对状态标志寄存器的影响，即选择某个操作结果将对状态寄存器的标志有什么影响。2、实验内容 在运算器脱机环境下，以手工方式，通过拨动开关向运算器提供运算操作所需的控制信号和数据，完成运算器的运算操作。3、实验步骤 1）打开电源开关后，将教学机左下方的 5 个拨动开关置为 1XX00（单步、16 位、脱机方式） ；先按一下“RESET”按键，再按 一

9、下“START”键（每按一下“START”键，时钟电路发出一个负脉冲） ，进行初始化。 2）将 SST 设置为“001” ，通过拨动开关向运算器提供控制信号。 3）按下表所列的操作进行脱机运算器实验，将结果填入表中。其中 D1 取为 0101H，D2 取为 1010H；D1、D2 通过 16 位数据开 关向运算器提供数据；通过指示灯观察运算结果及状态标志。 4）特别说明：下表的运算实际上分两步完成：第一步完成数值运算，第二步完成赋值以及将标志状态送到标志寄存器。当设 置好 I8-I0、SCI、SSH 的值以及 A 口和 B 口的地址后，运算器进行运算，按下 START 键后进行赋值（包括标志寄

10、存器）操作。压 START 前压 START 后 运算I8-I0ABSCISSHALU 输出CZVSALU 输出CZVS*D1+0-R0011000111不用000000001212随机1212 0*D2+0-R1011000111不用000100003131031310R0+R1-R00110000010001000000004343074740R0-R1-R001100100100010000010012120E0E11000R1-R0-R10110010010000000101001F1F10000D0D1000R0R1-R10110110010000000100001F1F10001F

11、1F1000R0R1-R00111000010001000000001212100012121000R0R1-R00111100010001000000000D0D100012121000R0R1-R0011111001000100000000EDED10000D0D10012*R0-R0111000011不用00000000EDED1001DBDA0001R0/2-R0101000011不用00000000DBDA00016DED0001注：用*标记的运算，表示 D1、D2 的数据来自外部，由拨动开关 SW 给出。四、实验要求四、实验要求1、认真写出预习报告，包括实验用的全部数据，实验操作步

12、骤等。 2、实验之后写出实验报告，包括实验过程中遇到的问题，解决方法，实验后的心得体会及对该次实验的建议与意见。五、思考题五、思考题1、请举例说明，为何有的运算在按下 START 键之前和按下 START 键之后运算器的输出 F 相同，有的运算在按下 START 键之前 和按下 START 键之后运算器的输出 F 不同？ 在进行运算器脱机实验时，若通过指示灯检查运算器的每次运算结果，得到运算结果是在 START 之前，而得到状态寄存器中 存入的状态标志结果是在 START 键之后。 参照 ALU 的操作周期的时序知 A、B 口数据锁存是在时钟下降沿，而寄存器的接收是在低电平，按 START 能

13、得到低电平。所以 按 START 前后结果不同，它们得到的是不同的东西。 六、实验心得六、实验心得 本次实验是第一次了解位片结构运算器 AM2901 的功能与用法，一开始对实验的仪器毫无了解，后来经过老师讲解与介绍逐渐 的了解了工作原理与实验内容。 本次实验最大的收获就是基本理解 Am2901 的工作原理。对于 Am2901，认识到它是用来实现算数和逻辑运算的，结合这次实 验设计 4 位 ALU，明白 ALU 只是一个组合逻辑电路，它能直接对输入的数据进行运算，不会受到时钟信号的影响。 芯片有 16 个 4 位通用寄存器，通过 A、B 地址的选择，可以选择其中的两个寄存器参与当前的运算，但这两个寄存器的内容 在传入 ALU 前，还必须经过对应的 A、B 锁存器才能进入 ALU 的两个输入端口，这是用来确保运算过程中数据一致性的问题的。而 锁存器只有在脉冲信号的边沿端才会起作用，因此实验中会涉及到按压 STEP 手动产生脉冲信号，使数据锁存。另外，对于 ALU 的 运算结果，它可以输出到 Y，同时又可以将结果保存在 B 通用寄存器或 Q 寄存器中。立即数数据不可以经过寄存器传入 ALU，它必 须直接通过 R 输入端进入 ALU。