《中山大学计算机组成原理实验报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《中山大学计算机组成原理实验报告（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、计算机组成原理与接口技术实验实 验 报 告实 验 人：郑熙霖 学 号：09388334 日 期：2011-04-10 院（系）：软件学院 专业（班级）：09软件工程（数字媒体技术） 实验题目：TEC-2实验计算机运算器实验 一. 实验目的1 了解和掌握Am2901运算器的组成结构和工作原理2 认识和掌握TEC-2机运算器的组成和工作原理3 了解和掌握TEC-2机运算器相关控制信号的含义和使用方法4 了解和掌握运算器的进位时间的测试方法，及进一步掌握双踪示波器的使用方法。二. 实验原理（一）概述运算器部件是计算器五大功能部件中的数据加工部件。运算器的首要功能是完成对数据的算术和逻辑运算，由算术逻
2、辑运算部件（ALU）实现，它在给出运算结果的同时，还给出运算结果的标志，如溢出否、进位否、结果为零否和符号正负等，这些标志都保存在一个状态寄存器中。运算器的第二项功能，是暂存将参加运算的数据和中间结果，由其内部的一组寄存器来承担。因为这些寄存器可以被汇编程序直接访问与使用，因此将他们称为通用寄存器，以区别于那些计算机内部设置的、不能为汇编程序员访问的专用寄存器。为了用硬件线路完成乘除指令运算，运算器内一般还有一个能自行左右移位的专用寄存器，称为乘商寄存器。TEC-2试验机的运算核心组成部分是Am2901。Am2901芯片是一个4位的位片结构的完整的运算器部件。（二）Am2901运算器1 Am2
3、901芯片内部组成结构图I Am2901内部结构图 4 位的ALU，实现实种运算功能，其每一位上的2个输入端数据分别用R和S表示，则这8种功能是R+S，S-R，R-S 3种算术运算和R S， R S， /R S， R S，/（R S）5咱逻辑运算，这8种功能的选择控制，是用外部送入的3位编码值I5I3实现的。ALU还能给出CN+4，F，OVR和F = 0000 4位状态信息，并能接收最低位的一个进位输入信号CN。ALU还给出了超前进位信号/G和/P。 16个4位的通用寄存器组，用R0-R15表示，和1个4位的Q寄存器。通用寄存器组为双端口读出（用A地址与B地址选取择每个寄存器）和单端口（用B地
4、址选取择）控制写入的运行方式，而且运算后的结果经一个移位器实现写入（左移，不移，右移）。Q寄存器本身具有左移，右移功能且能接收ALU的运算结果，左右移位时，就有移出，移入信号RAM3，RAM0，Q3，Q0， 4个入号，它们都通过具有双向传送功能的三态门实现的。 该芯片能接收外部送入的4位数据D3-D0，并输出奇制胜们的数据Y3-Y0。Y3-Y0可以是通用寄存器A端口上的输出或ALU的运算结果F，并还受输出允许控制信号/OE的控制，仅在/OE为低时，Y3-Y0才有输出，否则处于高阻态。 从图上可以看到，ALU的两个输入端R和S分别可以接收D输入，A端口或逻辑0数据，和A端口，B端口，Q寄存器或逻
5、辑0数据，Am2901器件只选取用了它们可能的全部12种组合中的8种，即A-Q，A-B，0-Q，0-B，0-A，D-A，D-Q，和D-0这8种，并用外部送来的3位控制码I2-I0来选择这是种组合。 Am2901还采用另外来货位外部送来的控制信号I8-I6，一是选择向外部送出的数据的来源（A口数据还是ALU运算结果），二是选择其内部的通用寄存器组和Q寄存器接收不接收和如何接收数据库写入（左移，右移，直送）。 通用寄存器组通过A端口，B端口读出内容的输出处均有锁存器线路支持，以保证在执行诸如A+B结果送B运算时操作的正确性。2 Am2901的操作时序Am2901芯片要用一个CLK（CP）时钟信号作
6、为芯片内通用寄存器、锁存器和Q寄存器的打入信号。其有关规定如图II所示。图II Am2901的时钟信号的作用3 Am2901芯片的控制信号及其控制码与操作Am2901芯片的控制信号有9个，即I8-I0，这回个控制信号分成三组，它们是：I8、I7、I6（B30-28）：选择运算结果或有关数据以何种方式送往何处；I5、I4、I3（B26-24）：选择ALU的运算功能，共8种；I2、I1、I0（B22-20）：选择送入ALU进行运算的两个操作数据R和S来源，共有8种组合。这三组控制信号与相应控制码的关系如下表：表III Am2901 9个控制信号I8I0控制码I8、I7、I6I5、I4、I3I2、I
7、1、I00 0 0FQFR + SAQ0 0 1无FS RAB0 1 0FBAR S0Q0 1 1FBFR S0B1 0 0F/2BQ/2QFR S0A1 0 1F/2BF/R SDA1 1 02FB2QQFR SDQ1 1 12FBFR SD0寄存器结果选择Y输出选择运算功能选择RS注：R、S中的“0”为逻辑0。4 TEC-2机运算器（1） TEC-2机运算器主体构造由4片Am2901 芯片级联构成TEC-2机的运算器，4片间的连接关系是：（1）16位的数据 输入由4片各自的D3-D0组成，其位序号人高位芯片向低位芯片顺序排成D15-D0（2）16位的数据 输出由4片各自的Y3-Y0组成，其
8、位序号人高位芯片向低位芯片顺序排成Y15-Y0.（3）有高低位进位关系的3组信号，在高低位相邻芯片间连接关系是：高位芯片的RAM0与低位芯片的RAM3相连：高位芯片的Q0与低位芯片的Q3相连：在串行进位方式下，高位芯片的Cn与低位芯片的Cn+4相连；若选用AM2902芯片（与74LS182芯片功能相同，两者可以互换使用）实现并行进位，则低位的3个芯片的并行进位信号/G和/P应送往Am2902的相并没有管脚，并将各自对应的片间进位输出信号送入相邻高位芯片Am2901的Cn管脚。同时支持串，并行丙种方式，有利于教学实验中方便地观察与测量每种进位方式的进位延迟时间。此时，最低位芯片的RAM0与Q0是
9、该16位的运算器的最低位的移入/出信号，最高位芯片的RAM3与Q3是运算器最高位的移入/出信号，均需有另外的逻辑电路与之连接，最低位的Cn是整个运算器的最低位进位输入信号。最高位的CN+4是16位完整运算器的进位输出信号。同理，只有最高们芯片的F3和OVR有意义，低位的3个芯片的F3和OVR不被使用。4个芯片的F=0000管脚连接在一起，并经一个电阻接到+5V电源，已得到16位的ALU的运算结果为“0”的标志位信号。（4）其它的几组输入信号，支4片Am2901器件来说应有相同的值，包括/OE（控制选 通Y的输出），A地址，B地址，I8-80（控制Am2901的运算功能，数据来源，结果的处置）和
10、工作脉冲CP,故应将4个芯片的这些的各对应管脚连接在一起。完整的16位运算器的组成框图如下：图 完整的16位运算器的组成框图（2） 通用寄存器16个16位通用寄存器R0R15，其中R4(SP)堆栈指针、R5(PC)程序计数器、R6(IP)指令地址寄存器（存放当前正在执行的指令地址）为系统所用。此外，还有一个Q寄存器。（3） 移位器运算的结果经一个移位器实现写入操作（左移、不移、右移），Q寄存器本身具有左、右移或不移功能且能接收ALU（F）的运算结果。左、右移位时，对于通用寄存器来说，就有移出、移入信号RAM15、RAM0；对于Q寄存器来说，有移出、移入信号Q15、Q0。移位否由I8I6控制信号
11、决定。5 TEC-2机运算器部件的辅助组成部分（1） 运算结果的标志位标志位的含义及取值：C：进/借位标志，有进/借位产生，则C=1，否则为C=0；Z：运算结果标志，运算结果为0，则Z=1，否则为Z=0；V：溢出标志，有溢出，则V=1，否则V=0；S：符号标志，结果为负数，则S=1，否则S=0。（2） 微指令中三位微码（SST）与标志位的关系三位微码与这8种处理的对应关系，已用表格形式给出。表 三位微码与状态位的关系表SST编码状态位输入说 明B34 B33 B32CZVS0 0 0CZVS四个标志位的值保持不变0 0 1CYF=0OVF15接收ALU的标志位输出值0 1 0IB7IB6IB5
12、IB4恢复标志位现场值0 1 10ZVS置C为0，另三个标志不变1 0 01ZVS置C为1，另三个标志不变1 0 1RAM0ZVS右移操作，另三个标志不变1 1 0RAM15ZVS左移操作，另三个标志不变1 1 1Q0ZVS联合右移，另三个标志不变（3） 运算器最低位进位信号的给出与控制（SCi）运算器最低位的进位信号Cin，可能为0、1、C标志的值，为了调试与实验的方便，有时可送入一个连续的方波信号，当运算器执行16位全1与这个最低位的进位方波信号相加时，则加法器每一位的输出结果均为方波，有利于观察与调试。表SCi编码（B11、B10）00011011Cin取值01CTCLK方波（4） 运算
13、器最高位、最低位的输入信号（SSH）移入通用寄存器中的移入信号RAM15和RAM0，以及乘商寄存器中的移入信号Q15和Q0。左移时，向RAM0，或者RAM0与Q0移入数据；右移时，向RAM15，或RAM15与Q15移入数据。我们把5条移位指令和剩除法计算中的联合移位都考虑进去，可以归纳出如下4种结果，并用两位微码SSH区分它们。移位控制码SSH如下表所示：表控制码SSH左 移右 移说 明B9 B8RAM0 Q0RAM15 Q150 00 X0 X通用寄存器逻辑位移0 1C XC X通用寄存器与C循环移位1 0Q15 /F15CY RAM0原码除（左移）乘（右移）1 1X XF15OVR RAM0右移用于补码乘法说明： 表中“X”为任意值，表示取任意值都不受影响 当通用寄存器本身移位时，Q寄存器不受影响 乘除法运算要求通用寄存器与Q寄存器联合移位，没有Q寄存器单独移位功能 左右移是由指令功能确定的 SSH为0，用于逻辑移位指令为1，用于循环移位指令为2，用于乘除法运算的联合移位及上商为3，用于算术右移指令，或补码乘法计算三. 实验内容1 脱机实验实验中所述将开关置为“1”，即表示将开关向上拨；将某开关置为“0”，
