原理实验指导书--41

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1、计算机组成原理实验教程西安唐都科教仪器公司CopyrightReserved2012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中的运算器來完成，运算器也称作算术逻辑部件ALUo木章首先安排一个基木的运算器实验，了解运算器的基木结构，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丄3实验原理本实验的原理如图1-1-1所示。运算器内部含冇三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，要处理的数

2、据存于暂存器A和暂存器B,三个部件同时接受来白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Z前，ARM)各部件对操作数进行何种运算由控制信号S3...SO如，和CN來决定，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，忐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，而后而乂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，一般采用交叉开关炬阵来实现，交叉开关的原理如图1・1・2所示。图中显示

3、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Oo(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位矩阵屮使用，右『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・1运算器原理图运算器部件由一片CPLD实现。ALU的输入和

4、输出通过三态门74LS245连到CPU内总线上，另外述有指示灯标明进位标志FC和零标志FZ。谙注意：实验箱上凡丝印标注有马蹄形标表否这两根排针Z间是连通的。图中除T4和CLR,其余信号均来自于ALU单元记’的排竝7*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。由时序单元的TS4提供T4（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・1・2交叉开关桶形移位器原理图愆存器A

5、和种存器B的数据能在LED灯上实时显示，原理如图1亠3所示（以A0为例,其它和同）。进位标志FC、零标志FZ和数据总线D7…DO的显示原理也是如此。vcc]<

6、A0图1・1・3A0显示原理图ALU和外围电路的连接如图M-4所示，图小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，表屮功能栏内的FC、FZ表示当前运算会影响到该标志。T・【1"1»11*2ekie"Ir<11>2ccr卩・・龄丄.■號T2£LU

7、I世IItI图1亠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S3

8、S2S1SOCN功能逻辑运算0000XF=A（直通）0001XF=B（直通）0010XF=AB(FZ)0011XF=A+B(FZ)0100XF=/A(FZ)移位运算0101XF=A不带进位循环右移B（取低3位）位（FZ）01100F二A逻辑右移-位（FZ）1F=A带进位循坏右移一位（FC,FZ）01110F=A逻辑左移一位（FZ）1F=A带进位循环左移一位（FC,FZ）算术运算1000X置FC=CN(FC)1001XF=A力【IB(FC,FZ)1010XF=A力FlB力HFC(FC,FZ)1011XF=A减B(FC,FZ)1100XF=A减1(FC,FZ)1101XF=

9、A力III(FC,FZ)1110X（保留）1111X（保留）水表中“X"为任意态，下同1.1.4实验步骤（1）按图1-1-5连接实验电路，并检查无误。图中将用八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，单抑档，开关KK1、KK3置为，运行，档。（3）打开电源开关，如果听到冇'嘀'报警声，说明冇总线竞争现彖，应立即关闭电源，重新检查接线，宜到错课排除。然示按动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...S