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1、计算机组成原理实验教程杭州师范大学国际服务工程学院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(右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S3...SO和CN来决定，任何时候，多路选择开关只选择三部件屮一个部件的结果作为ALU的输出。如果是影响进位
2、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，而后面乂右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图屮显示的是一个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岀相连，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
3、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亠1运算器原理图运算器部件由一片CPLD实现。ALU的输入和输岀通过三态门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Tl、T2、T3、T4,CLR都连接至CON单
4、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。图交叉开关桶形移位器原理图暂存器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。1K刁刁VCC
5、DIcx(]A0图1・1・3A0显示原理图・-图1亠1运算器原理图运算器部件由一片CPLD实现。ALU的输入和输岀通过三态门74LS245连到CPU内总线上，另外还有指示灯标明进位标志
6、FC和零标志FZ。请注意：实验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。图交叉开关桶形移位器原理图暂存器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、
7、零标志FZ和数据总线D7...D（）的显示原理也是如此。1K刁刁VCC
8、DIcx(]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S3S2S1S0CN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。图1-1・4ALU和外围电路连接原理图表M-1运算器逻辑功能表运算类型S3S2SISOCN功能0000XF=A（直通）0001XF=B（直通）逻辑运算0010XF=AB(FZ)0011XF=A+B(FZ)0100XF=/A(FZ)0101XF=A不带进位循环右移
9、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)1000X置FC=CN(FC)1001XF=A加B(FC,FZ)1010XF二A加B加FC(FC,FZ)算术运算1011XF=A减B(FC,FZ)1100XF=A减1(FC,FZ)1101XF=A加］(FC,FZ)1
