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：①了解运算器的组成结构。 ②掌握运算器的工作原理。
要求：①实验之前，应认真准备，写出实验步骤和具体设计内容。 ②应在实验前掌握所有控制信号的作用。 ③实验过程中，应认真进行实验操作。
④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
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S3……S0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：
⑴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。
⑵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’对角线来实现右循环1位。
⑶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D7……D0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。
三、 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。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SD27……SD20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A7……A0八位LED 灯显示。
用输入开关向暂存器B 置数。
拨动CON 单元的SD27……SD20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B7……B0八位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。
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 S1 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SD27……SD20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A7……A0八位LED 灯显示。
（2）用输入开关向暂存器B 置数。
拨动CON 单元的SD27……SD20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B7……B0八位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
进行运算器运算时将控制信号ALU_B、LDA ，LDB ，置000，S3 S2 S1 S0 为0001进行 A 和B 与运算，结果为25
(2)、 进行运算器运算时将控制信号ALU_B、LDA ，LDB ，置000，此时S3 S2 S1 S0 为0011进行A 和B 或运算，结果为
E7
(3)、 进行运算器运算时将控制信号ALU_B、LDA ，LDB ，置000，此时S3 S2 S1 S0 为0100进行A 非运算，结果为9A
(4)、进行运算器运算时将控制信号ALU_B、LDA ，LDB ，置000，此时S3 S2 S1 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。
(5)、进行运算器运算时将控制信号ALU_B、LDA ，LDB ，置000，此时S3 S2 S1 S0 为0110，CN=0，A 逻辑右移一位，结果为32
(6)、进行运算器运算时将控制信号ALU_B、LDA ，LDB ，置000，此时S3 S2 S1 S0 为1000，CN=1，置FC=CN=1，ART 为算术运算部件
(7)、进行运算器运算时将控制信号ALU_B、LDA ，LDB ，置000，此时S3 S2 S1 S0 为1001，F=A+B，结果为0C
（8）、进行运算器运算时将控制信号ALU_B、LDA ，LDB ，置000，此时S3 S2 S1 S0 为1001，F=A+B，结果为
0C
（9）、进行运算器运算时将控制信号ALU_B、LDA ，LDB ，置000，此时S3 S2 S1 S0 为1010， F=A+B+FC，结果为0D,FC=1
（10) 、进行运算器运算时将控制信号ALU_B、LDA ，LDB ，置000，此时S3 S2 S1 S0 为1011，F=A-B，结果为
BE
（11）、进行运算器运算时将控制信号ALU_B、LDA ，LDB ，置000，此时S3 S2 S1 S0 为1100，F=A-1，结果为
64
（12）、进行运算器运算时将控制信号ALU_B、LDA ，LDB ，置000，此时S3 S2 S1 S0 为1101，F=A+1，结果为
66
总的运算结果图
四、 实验问题分析、思考题与小结 分析：
(1)、74181ALU 有两种工作方式，对正逻辑操作来说，算术运算称正逻辑操作，对于 负逻辑操作数来说，正好相反。由于S0－S3有16种状态组合, 因此对正逻辑输入与输 出而言，有16种算术运算功能和16种逻辑算术功能。
(2)、经比较，实验结果与理论值只有一处是不一样的，算术运算F=A+B+FC的进位标 志FC 应为0，而实验结果为1, 最后证明实验结果是错的。
思考题：
1、CON 单元的SD27.....SD20数据开关置一个二进制(任意) 、LDA=1、 LDB=0，连续按动时序单元的ST 按钮，实现什么数据通路？ 答：将SD27.....SD20数据开关置的二进制数置入暂存器A 。
2、CON 单元的SD27.....SD20数据开关置一个二进制(任意) 、LDA=1、
LDB=0，连续按动时序单元的ST 按钮，实现什么数据通路？
答：将SD27.....SD20数据开关置的二进制数置入暂存器B 。
3、置ALU_B=0、LDA=0、LDB=0、只（S3、S2、S1、S0、M ）=11111，实 现了什么数据通路，进行什么运算。
答：允许结果输出，禁止向暂存器Ａ、Ｂ写入数据，且当S3、S2、S1、 S0=1111时，为实现任何功能，保留。
4、置ALU_B=0、LDA=0、LDB=0、只（S3、S2、S1、S0、M ）=10101，实 现了什么数据通路，进行什么运算。
答：允许结果输出，禁止向暂存器Ａ、Ｂ写入数据，且实现了算术运算 F=A+B+FC 功能。
５、置ALU_B=0、LDA=0、LDB=0、只（S3、S2、S1、S0、M ）=10101运 算结果是多少？
答：F=OD，FC=0，FZ=0.
6、多74181的功能有哪些认识？ 答：74181是4位的算逻单元，其中红色的标示为输入信号；绿色的标 示为输出信号；其中A/B为两个输入的操作数据；F 为输出的结果；S 为 ALU功能选择线：包括各种算术元算和逻辑运算等；Cn 为低位向他的进位， Cn+4为他向高位的进位；G 为进位产生函数；P 为进位传递函数；A=B指 示A 与B 相等的输出信号。利用它可以组成多位全加器。
小结：
通过本次实验了解了运算器的组成结构以及本次实验中用到的一些芯片，掌握了运算器的工作原理。
得分（百分制）
实验报告分析评价