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1、计算机科学与技术系 实 验 报 告专业名称 计算机科学与技术 课程名称 计算机组成原理 项目名称 运算器实验 班 级 15 学 号 姓 名 L 同组人员 无 实验日期 2015/10/29 一、实验目的与要求目的：了解运算器的组成结构。 掌握运算器的工作原理。要求：实验之前，应认真准备，写出实验步骤和具体设计内容。 应在实验前掌握所有控制信号的作用。 实验过程中，应认真进行实验操作。 实验之后，应认真思考总结，写出实验报告，包括实验步骤 二、实验逻辑原理图与分析2.1 画实验逻辑原理图 图3-1 运算器原理图D70 B(273)显示B显示FC显示FZ三态控制（245）A(273)显示A OUT
2、70PCCN ALUFZS30 LDR3 LDR2 LDR1R1R4R3R0 LDR0 T4 T4 T4 T4LDAT4LDBT4 图3-4 ALU和外围电路连接原理图 2.2 逻辑原理图分析如上图3-1，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A
3、LU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3-2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：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。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。列如，在4位矩阵中使用右1和左3对角线来实
4、现右循环1位。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。 右3 右2 右1 不移位in(3)in(2)in(1)in(0)左1左2左3 图3-2 交叉开关桶形移位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：实现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。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
5、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。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3-3所示（以A0为例，其它相同）。进位标志FC、零标志FZ和总线总线D7D0的显示原理也是如此。 图3-3 A0 显示原理图ALU和外围电路的连接如图3-4所示，图中的小方框代表排针座。运算器的逻辑功能表如下表所示，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。
6、运算类型S3 S2 S1 S0CN 功能逻辑运算0000XF=A(直通)0001XF=B(直通)0010XF=AB0011XF=A+B0100XF=/A移位运算0101XF=A不带进位循环右移B位01100F=A逻辑右移一位1F=A带进位循环右移一位01110F=A逻辑左移一位1F=A带进位循环左移一位算术运算1000X置FC=CN1001XF=A加B1010XF=A加B加FC1011XF=A减B1100XF=A减11101XF=A加11110X(保留)1111X(保留)3、 数据通路图及分析 连接好实验电路，并检查无误。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。
7、打开电源开关，如果听到有滴报警声，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。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。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
8、=1，连续拨动时序单元的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。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,然后按下表置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。改变S3、S2、S1、S0的值就在下表中有对应的操作。运算类型ABS3 S2 S1 S0CN 功能逻辑运算65670000XF=65 FC=0 FZ=065670001XF=A7 FC=0 FZ=065670010XF=25 FC=0 FZ=065
9、670011XF=E7 FC=0 FZ=065670100XF=A7 FC=0 FZ=0移位运算65670101XF=CA FC=0 FZ=06567 01100F=32 FC=0 FZ=065671F=B2 FC=1 FZ=0656701110F=CA FC=1 FZ=065671F=CA FC=0 FZ=0算术运算65A71000XF=CA FC=1 FZ=065A71001XF=0C FC=1 FZ=065A71010(FC=0)XF=0C FC=0 FZ=065A11010(FC=1)XF=0D FC=1 FZ=065A71011XF=BE FC=1 FZ=065A71100XF=64
10、 FC=0 FZ=065A71101XF=66 FC=0 FZ=0 4.2 结果数据分析 用输入开关向暂存器A置数为65（01100101），此时S3 S2 S1 S0为0000，F=A（直通），ALU_B=0，使三态门有效用输入开关向暂存器B置数为A7（10100111），此时S3 S2 S1 S0为0000，F=A（直通），如果置S3 S2 S1 S0为0001就是F=B(直通)。此时S3 S2 S1 S0 为0001进行A和B与运算，结果为25此时S3 S2 S1 S0 为0011进行A和B或运算，结果为E7此时S3 S2 S1 S0 为0100进行A非运算，结果为9A此时S3 S2 S
11、1 S0 为0101，把A不带进位循环右移B位，结果为CA,SHF为移位运算部件。此时S3 S2 S1 S0 为0110，CN=0，A逻辑右移一位，结果为32此时S3 S2 S1 S0 为1000，CN=1，置FC=CN=1，ART为算术运算部件（1）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。此时S3 S2 S1 S0为0000，F=A（直通），ALU_B=0，使三态门有效置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。 （2）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，连续拨动时序单元的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。此时S3 S2 S1 S0为0001，F=B(直通)。4.2 结果数据分析 (1)、根据S3 S2 S1 S0 的值对运算器进行逻辑、算术、移位运算
