计算机组成原理运算器实验.docx
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计算机组成原理运算器实验
计算机组成原理运算器实验
LT
实验一:
运算器实验
实验环境
PC机+Win2007(旗舰版+proteus仿真器
实验日期
2017.6.6
一.实验内容
[基本要求]
1.熟悉proteus仿真系统
2.设计并验证4位算数逻辑单元的功能
[扩展要求]
1.实现8位二进制算数逻辑单元
[思考内容]
思考单总线,双总线和三总线结构在设计上的异同
二.理论分析或算法分析
(1)理论分析:
ALU能进行多种算术运算和逻辑运算。
4位ALU-74LS181能进行16种算术运算和逻辑运算,功能表如下所示:
工作选择
逻辑运算(M=1)
算术运算(M=0)
S3S2S1S0
逻辑运算
CN=1(无进位)
CN=0(有进位)
0000
F=/A
F=A
F=A加1
0001
F=/(A+B)
F=(A+B)
F=(A+B)加1
0010
F=(/A)B
F=A+/B
F=(A+/B)加1
0011
F=0
F=负1(补码形式)
F=0
0100
F=/(AB)
F=A加A(/B)
F=A加A/B加1
0101
F=/B
F=(A+B)加A/B
F=(A+B)加A/B加1
0110
F=A⊕B
F=A减B减1
F=A减B
0111
F=A/B
F=A(/B)减1
F=A(/B)
1000
F=/A+B
F=A加AB
F=A加AB加1
1001
F=/(A⊕B)
F=A加B
F=A加B加1
1010
F=B
F=(A+/B)加AB
F=(A+/B)加AB加1
1011
F=AB
F=AB减1
F=AB
1100
F=1
F=A加A
F=A加A加1
1101
F=A+/B
F=(A+B)加A
F=(A+B)加A加1
1110
F=A+B
F=(A+/B)加A
F=(A+/B)加A加1
1111
F=A
F=A减1
F=A
(2)基本要求和扩展要的主要区别:
基本只利用了一个74ls181,由A和B两个操作数,实现基本的4位2进制数的运算。
而扩展要求使用了2个74ls181,1个位AB操作数的第四位第2个是AB操作数的高四位,低位芯片的进位输出端Cn+4与高位芯片的进位输入端Cn相连,使低4位运算产生的进位送进高4位运算中。
实现8位二进数的16中操作。
三.实现方法(含实现思路、程序流程图、实验电路图和源程序列表等)
(1)设计并验证4位算数逻辑单元的功能:
ALU-74LS181引脚说明:
M=1逻辑运算,M=0算术运算
引脚
说明
M状态控制端
M=1逻辑运算;M=0算术运算。
S3S2S1S0运算选择控制
S3S2S1S0决定电路执行哪一种算术
A3A2A1A0
运算数1,引脚3为最高位
B3B2B1B0
运算数2,引脚3为最高位
Cn最低位进位输入
Cn=0有进位,Cn=1无进位;
Cn+4本片产生的进位信号
Cn+4=0有进位,Cn+4=1无进位;
F3F2F1F0
F3F2F1F0运算结果,F3为最高位
(2)74LS181的A3A2A1A0,B3B2B1B0作为输入端口,分别输入二进制数值,然后用运算选择控制端口S3S2S1S0来选择执行什么操作,通过改变控制端口的操作来观察输出结果的不同。
(3)实现输入输出锁存
输入设备数据开关经一个三态门(74LS273)和数据总线相连。
输出设备经一锁存器(74LS273)实现,盖锁存起的输入端和数据总线相连,输出端以二进制的形式输出结果。
实验电路如下图所示:
四.实验结果分析(含执行结果验证、输出显示信息、图形、调试过程中所遇的问题及处理方法等)
(一)
1.基本实验
验证74LS181型4位ALU的逻辑算术功能,填写下表(下表中的“/”表示求反):
S3S2
S1S0
A3A2A1A0
B3B2B1B0
算术运算(M=0)
逻辑运算
(M=1)
CN=1(无进位)
CN=0(有进位)
1001
0001
1001
F=A加B(图1)
F=A加B加1(图2)
F=/(A⊕B)(图3)
图1
图2
图3
2.扩展实验
扩展电路图:
S0S1
S2S3
数据A
数据B
算术运算(M=0)
逻辑运算
(M=1)
CN=1(无进位)
CN=0(有进位)
1001
00011001
00011001
F=00110010
(图1)
F=00110011
(图2)
F=11111111
(图3)
实验结果验证
图1
图2
图3
(二)思考问题:
思考单总线,双总线和三总线结构在设计上的异同
1.单总线结构:
只有一条系统总线,所有部件通过系统总线接入。
各大部件都连接在单一的一组总线上,故将这个单总线称为系统总线。
2.双总线结构:
在单总线的基础上增加一条专用于CPU和主存之间的数据传送通路。
这种结构保持了单总线系统简单、易于扩充的优点,但又在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线,使CPU可通过专用总线与存储器交换信息,减轻了系统的负担。
3.三总线结构:
在双总线系统的基础上增加I/O总线形成的。
其中,系统总线是CPU、主存和通道(IOP)之间进行数据传送的公共通道,而I/O总线是多个外部设备与通道之间进行数据传送的公共通道。
五.结论
通过这次实验的完成,我学会了系统的应用,以及怎样绘制一个74LS181的寄存器,从而在寄存器中实验算数运算的过程。
完成了本次实验要求的设计并验证了4位算数逻辑单元、实现输入输出锁存、实现8位算数逻辑单元的实验内容。
虽然这是计算机组成原理的第一个实验,但是经过老师的示范基本熟悉了整个实验系统的基本结构,了解了寄存器的添加和绘制,最重要的是通过实验掌握了运算器工作原理,熟悉了算术/逻辑运算的运算过程以及控制这种运算的方法。
经过了这次实验的认真学习相信在下一次的实验中会更加顺利的。
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