实验一：基本运算器实验

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1、第1章运算器计算机的一个最主要的功能就是处理各种算术和逻辑运算，这个功能要由CPU屮的运算器来完成，运算器也称作算术逻辑部件ALUo本章首先妥排一个基本的运算器实验，了解运算器的基本结构，然后再设计一个加法器和一个乘法器。1.1基本运算器实验1.1.1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。1.1.2实验设备PC机一台，TD-CMA实验系统一套。1.1.3实验原理本实验的原理如图1・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

2、和逻辑运算部件之前，如ARM)，各部件对操作数进行何种运算山控制信号S3...SO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1・1・2所示。图中显示的是一个4X4的矩阵(系统中是一个8X8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

3、位功能，即：(1)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。(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，具体山相应的指令控制。使用另外的逻辑进行移位总量译码和符号判别。图1・1・1运算器原理图nT4-cr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：实验箱上凡丝印标注有马

4、蹄形标记'I',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Tl、T2、T3、T4都连接至控制总线单元的Tl、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。右3右2右1不移位in

5、3]-,////左1in

6、2j///■inll)///店3in[0]仏out[0]out[l]out[2]out[3]图1・1・2交叉开关桶形移位器原理图

7、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・1・3所示（以A0为例，其它相同）。进位标志FC、零标志FZ和数据总线D7...D（）的显示原理也是如此。A0图1-1-3A0显示原理图ALU和外围电路的连接如图1・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亠1所示，其中S3S2S1SOCN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。I1—1T■TC1.T图1・1・4ALU和外围电路连接原理图表1-1-1运算器逻辑功能表运算类型S3S2SISOCN功能0000XF=A（直通）0001XF=B（直通）逻辑运

8、算0010XF=AB(FZ)0011XF二A+B(FZ)0100XF=/A(FZ)0101XF二A不带进位循环右移B（取低3位）位(FZ)01100F=A逻辑右移一位(FZ)移位运算1F=A带进位循环右移一位(FC,FZ)01110F=A逻辑左移一位(FZ)1F=A带进位循环左移一位(FC,FZ)1()0()X置FC=CN(FC)1001XF=A加B(FC,FZ)1010XF=A加B加FC(FC,FZ)算术运算1011XF二A减B(FC,FZ)1KX)XF二A减1(FC,FZ)1101XF=A加1(FC,FZ)1110X（保留）1111X（保留）*表中“X”为任意态，下同1.1.4实验步

9、骤（1）按图1・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（其它实验相同）。图1・1・5实验接线图⑵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。①拨动CON单元的SD27