掌握运算器的组成及工作原理.docx
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掌握运算器的组成及工作原理
实验一 运算器实验
一、实验目得:
1。
掌握运算器得组成及工作原理;
2.了解4位函数发生器74LS181得组合功能,熟悉运算器执行算术操作与逻辑操作得具体实现过程;
3.验证带进位控制得74LS181得功能。
二、预习要求:
1复习本次实验所用得各种数字集成电路得性能及工作原理;
2 预习实验步骤,了解实验中要求得注意之处。
三、实验设备:
EL—JY-II型计算机组成原理实验系统一套,排线若干.
四、电路组成:
B0
B7
本模块由算术逻辑单元ALU74LS181(U29、U30)、暂存器74LS273(U27、U28)、三态门74LS244(U31)与进位控制电路GAL芯片(U32)等组成。
电路图见图1—1(a)、1-1(b).
图1-1(a)ALU电路
图1-1(b)GAL芯片进位控制电路
算术逻辑单元ALU就是由两片74LS181构成。
74LS181得功能控制条件由S3、S2、S1、S0、M、Cn决定。
高电平工作方式74LS181得功能、管脚分配与引出端功能符号详见表1—1、图1-2与表1-2。
两片74LS273构成两个八位数据暂存器,运算器得输出采用三态门74LS244。
它们得管脚分配与引出端功能符号详见图1-3与图1—4。
图1—2 74LS181管脚分配 表1-274LS181输出端功能符号
74LS181功能表见表1—1,其中符号“+”表示逻辑“或”运算,符号“*”表示逻辑“与"运算,符号“/"表示逻辑“非"运算,符号“加”表示算术加运算,符号“减”表示算术减运算。
选择
M=1
逻辑操作
M=0 算术操作
S3S2S1S0
Cn=1(无进位)
Cn=0(有进位)
00 0 0
F=/A
F=A
F=A加1
00 01
F=/(A+B)
F=A+B
F=(A+B)加1
00 1 0
F=/A*B
F=A+/B
F=(A+/B)加1
00 1 1
F=0
F=减1(2得补)
F=0
01 00
F=/(A*B)
F=A加A*/B
F=A加A*/B加1
0 1 0 1
F=/B
F=(A+B)加A*/B
F=(A+B) 加A*/B加1
0 11 0
F=(/A*B+A*/B)
F=A减B减1
F=A减B
0 11 1
F=A*/B
F=A*/B减1
F=A*/B
1 000
F=/A+B
F=A加A*B
F=A加A *B加1
10 0 1
F=/(/A*B+A*/B)
F=A加B
F=A加B加1
1 01 0
F=B
F=(A+/B)加A*B
F=(A+/B)加A*B加1
1 01 1
F=A*B
F=A*B减1
F=A*B
1 10 0
F=1
F=A加A
F=A加A 加1
1 10 1
F=A+/B
F=(A+B)加A
F=(A+B)加A加1
111 0
F=A+B
F=(A+/B)加A
F=(A+/B)加A加1
1 111
F=A
F=A减1
F=A
表1—1 74LS181功能表
图1-3(a)74LS273管脚分配 图1-3(b)74LS273功能表
图1—4(a)74LS244管脚分配 图1-4(b)74LS244功能
五、工作原理:
运算器得结构框图见图1—5:
算术逻辑单元ALU就是运算器得核心。
集成电路74LS181就是4位运算器,两片74LS181以并/串形式构成8位运算器.它可以对两个八位二进制数进行多种算术或逻辑运算,74LS181有高电平与低电平两种工作方式,高电平方式采用原码输入输出,低电平方式采用反码输入输出,这里采用高电平方式.
三态门74LS244作为输出缓冲器由ALU—G信号控制,ALU-G 为“0”时,三态门开通,此时其输出等于其输入;ALU-G 为“1”时,三态门关闭,此时其输出呈高阻.
两片74LS273作为两个八位数据暂存器,其控制信号分别为LDR1与LDR2,当LDR1与LDR2 为高电平有效时,在T4脉冲得前沿,总线上得数据被送入暂存器保存。
六、实验内容:
验证74LS181运算器得逻辑运算功能与算术运算功能。
七、实验步骤:
Ⅰ、单片机键盘操作方式实验
注:
在进行单片机键盘控制实验时,必须把开关K4置于“OFF”状态,否则系统处于自锁状态,无法进行实验。
1、实验连线(键盘实验):
实验连线图如图1-6所示。
(连线时应按如下方法:
对于横排座,应使排线插头上得箭头面向自己插在横排座上;对于竖排座,应使排线插头上得箭头面向左边插在竖排座上.)
BD7……BD0
数据总线
C1…、、、C6E5E4F5E3F4
控制总线
图1—6 实验一键盘实验连线图
2。
实验过程:
在监控指示灯滚动显示【CLASSSELECt】时按【实验选择】键,显示【ES--__ 】输入01或1,按【确认】键,监控指示灯显示为【ES01】,表示准备进入实验一程序,也可按【取消】键来取消上一步操作,重新输入。
再按【确认】键,进入实验一程序,监控指示灯显示【InSt——】,提示输入运算指令,输入两位十六进制数(参考表1-3与表1-1),选择执行哪种运算操作。
按【确认】键,监控指示灯显示【Lo=0】,此处Lo相当于表1—1中得M,默认为“0”,进行算术运算,也可以输入“1”,进行逻辑运算.按【确认】,显示【Cn=0】,默认为“0”,由表1-1可见,此时进行带进位运算,也可输入“1”,不带进位运算(注:
如前面选择为逻辑运算,则Cn不起作用)。
按【确认】,显示【Ar=1】,不用改变,使用默认值“1”,按【确认】,显示【DATA】,提示输入第一个数据,输入十六进制数【34H】,按【确认】,显示【DATA】,提示输入第二个数据,输入十六进制数【B6H】,按【确认】键,监控指示灯显示【FINISH】,表示运算结束,可从数据总线显示灯观察运算结果.再按【确认】后监控显示灯显示【ES01】,可执行下一运算操作.
运算指令(S3S2S1S0)
输入数据(十六进制)
0 0 0 0
00或0
0 0 0 1
01或1
00 1 0
02或2
0 0 11
03或3
0 100
04或4
0 10 1
05或5
01 1 0
06或6
01 1 1
07或7
1 0 0 0
08或8
1 00 1
09或9
1 0 1 0
0A或A
10 1 1
0B或B
110 0
0C或C
1 1 0 1
0D或D
1 1 1 0
0E或E
11 11
0F或F
表1—3运算指令关系对照表
在给定LT1=34H、LT2=B6H得情况下,改变运算器得功能设置,观察运算器得输出,填入表中,并与理论值进行比较与验证:
LT1
LT2
S3S2S1S0
M=0(算术运算)
M=1(逻辑运算)
Cn=1(无进位)
Cn=0(有进位)
34H
B6H
00或0
F=
F=
F=
01或1
F=
F=
F=
02或2
F=
F=
F=
03或3
F=
F=
F=
04或4
F=
F=
F=
05或5
F=
F=
F=
06或6
F=
F=
F=
07或7
F=
F=
F=
08或8
F=
F=
F=
09或9
F=
F=
F=
0A或A
F=
F=
F=
0B或B
F=
F=
F=
0C或C
F=
F=
F=
0D或D
F=
F=
F=
0E或E
F=
F=
F=
0F或F
F=
F=
F=
Ⅱ、开关控制操作方式实验
注:
为了避免总线冲突,首先将控制开关电路得ALU-G与C—G拨到输出高电平“1”状态(所对应得指示灯亮.)
本实验中所有控制开关拨动,相应指示灯亮代表高电平“1”,指示灯灭代表低电平“0”.
1.按图1-7接线图接线:
连线时应注意:
为了使连线统一,对于横排座,应使排线插头上得箭头面向自己插在横排座上;对于竖排座,应使排线插头上得箭头面向左边插在竖排座上.
ALUJ1 运算器电路
S3S2S1S0MCnALU-GAR LDR1 LDR2
读写控制电路
T4
BD7……、BD0
数据总线
BD7……、BD0
DIJ1DIJ-G
数据输入电路
C-GS3S2S1S0MCn ALU—GARLDR1 LDR2
控制开关电路
T+ fin f/8
脉冲源及时序电路
图1—7 实验一开关实验接线图
2、通过数据输入电路得拨开关开关向两个数据暂存器中置数:
注意:
本实验中ALU-G与C-G不能同时为0,否则造成总线冲突,损坏芯片!
故每次实验时应时刻保持只有一路与总线相通.
1)置ALU—G=1:
关闭ALU得三态门U31(74LS244);再置C-G=0:
打开数据输入电路得三态门;
2)向数据暂存器LT1(U27,74LS273)中置数:
(1)设置数据输入电路得数据开关“D7……D0”为要输入得数值,如“01010101”;
(2)置LDR1=1:
使数据暂存器LT1(U27,74LS273)得控制信号有效,置 LDR2=0:
使数据暂存器LT2(U28,74LS273)得控制信号无效;
(3)按一下脉冲源及时序电路得【单脉冲】按钮,给暂存器LT1(U27,74LS273)送时钟,上升沿有效,把数据存在LT1中.
3)向数据暂存器LT2(U28,74LS273)中置数:
(1)设置数据输入电路得数据开关“D7……D0”为想要输入得数值,如“10101010”;
(2)置LDR1=0:
数据暂存器LT1得控制信号无效;置LDR2=1:
使数据暂存器LT2得控制信号有效。
(3) 按一下脉冲源及时序电路得“单脉冲”按钮,给暂存器LT1(U27,74LS273)送时钟,上升沿有效,把数据存在LT2中.
(4)置LDR1=0、LDR2=0,使数据暂存器LT1、LT2得控制信号无效。
4)检验两个数据暂存器LT1与LT2中得数据就是否正确:
(1)置C-G=1,关闭数据输入电路得三态门,然后再置ALU-G=0,打开ALU得三态门 ;
(2)置“S3S2S1S0M"为“11111",数据总线显示灯显示数据暂存器LT1中得数“0101 0101”,表示往暂存器LT1置数正确;
(3)置“S3S2S1S0M”为“10101”,数据总线显示灯显示数据暂存器LT2中得数“10101010” ,表示往暂存器LT2置数正确。
3.验证74LS181得算术与逻辑功能:
LT1
LT2
S3S2S1S0
M=0(算术运算)
M=1(逻辑运算)
Cn=1(无进位)
Cn=0(有进位)
34H
B6H
000 0
F=
F=
F=
0001
F=
F=
F=
001 0
F=
F=
F=
0011
F=
F=
F=
0100
F=
F=
F=
01 01
F=
F=
F=
0110
F=
F=
F=
01 11
F=
F=
F=
1000
F=
F=
F=
1001
F=
F=
F=
1010
F=
F=
F=
1011
F=
F=
F=
1100
F=
F=
F=
1 10 1
F=
F=
F=
1110
F=
F=
F=
1111
F=
F=
F=
按实验步骤2往两个暂存器LT1与LT2分别存十六进制数“34H"与“B6H”,在给定LT1=34H、LT2=B6H得情况下,通过改变“S3S2S1S0MCn”得值来改变运算器得功能设置,通过数据总线指示灯显示来读出运算器得输出值F,填入下表中,参考表1-1得功能表,分析输出F值就是否正确。
4.验证带进位控制得算术运算功能发生器得功能:
1)进位标志CY清零:
进位标志指示灯CY初始状态为灭,表示当前进位为“1”,可按如下步骤对它进行清零操作。
(1)置S3S2S1 S0M=“ 00000",AR=0(AR为进位控制信号);
(2)按一下脉冲源及时序电路得【单脉冲】按钮,进位标志指示灯CY亮,表示当前进位为“0”。
2)验证带进位运算及进位得锁存功能:
(1)首先将控制开关电路得所有开关拨到输出高电平“1”状态,所有对应得指示灯亮。
(2)置ALU—G=1:
关闭ALU得三态门U31(74LS244);再置C—G=0:
打开数据输入电路得三态门;
(3)置数据输入电路得数据开关“D7……D0”=“1000 0000”,置LDR1=1,使数据暂存器LT1(U27,74LS273)得控制信号有效,置LDR2=0,使数据暂存器LT2(U28,74LS273)得控制信号无效,按一下脉冲源及时序电路得【单脉冲】往暂存器LT1存入数据“1000 0000”。
(4)置数据输入电路得数据开关“D7……D0”=“01111111”,置LDR1=0,使数据暂存器LT1(U28,74LS273)得控制信号无效,置LDR2=1,使数据暂存器LT2(U27,74LS273)得控制信号有效,按一下脉冲源及时序电路得【单脉冲】往暂存器LT2存入数据“01111111”,然后置LDR2=0,使数据暂存器LT2(U27,74LS273)得控制信号无效,准备执行下一步操作。
(5)置C-G=1,关闭数据输入电路得三态门,然后再置ALU—G=0,打开ALU得三态门,置“S3S2S1S0M”为“11111”,数据总线显示灯显示数据暂存器LT1中得数“10000000”,表示往暂存器LT1置数正确;置“S3S2S1S0M"为“10101”,数据总线显示灯显示数据暂存器LT2中得数“0111 1111” ,表示往暂存器LT2置数正确。
(6)置ALU-G=0(注意先使C-G=1),S3S2S1S0M=“10010",Cn=1,不带进位操作,AR=0,参考表1-1可知此时执行“F=A加B”操作,数据总线上显示“11111111",即“10000000”加“01111111”得结果。
保持LDR1=0与LDR2=0,检查就是否产生进位溢出,按一下【单脉冲】,进位指示灯CY亮,表示无进位溢出;
(7)置ALU-G=0(注意先使C-G=1),S3S2S1S0M=“10010”,Cn=0,即当前进位为1,AR=0,参考表1-1可知此时执行“F=A加B加1”操作,数据总线上显示“00000000”,即“10000000"加“01111111”加“1”得结果,保持LDR1=0与LDR2=0,检查就是否产生进位溢出,按一下【单脉冲】,进位指示灯CY熄灭,表示有进位溢出;
Ⅲ、PC机联机操作方式实验
1.实验连线:
实验连线图与采用单片机键盘操作方式实验连线图一样,如图1—6所示。
2.实验步骤:
1)、将实验系统与计算机串口用实验系统得通讯电缆连接;
3)、打开实验系统上得电源开关,启动实验软件:
启动过程为开始菜单→程序→计算机组成原理试验系统→计算机组成原理试验系统,也可以为该系统软件在桌面上建立快捷方式;
根据提示设置相应参数(下图):
(本系统为8位机)
选择与计算机相连得串口,按【确定】进入下一步骤。
4)、在下面得界面中,按【确定】后,再按键盘上【联机】键,系统监控指示灯上显示【Pc—Con】,然后显示【8】,表示联机通讯成功,如果没有显示【Pc—Con】就显示【8】,则联机通讯没有成功,可检查系统.
5)、 联机通讯成功后,自动进入实验选择界面:
点击试验一前面得“+”号,再点击试验说明,查瞧试验步骤过程,然后点击试验步骤,出现下面得界面:
(1)、在数据总线上输入有效十六进制数据,按"Ldr1",数据送入暂存器1,观察数据得走向;
(2)、在数据总线上输入有效十六进制数据,按”Ldr2",数据送入暂存器2,观察数据得走向;
(3)、参考实验一得功能表表1—1,在S3、、上输入有效数据组合,然后点击其上面得红色区域进行运算,运算器按规定进行运算,运算结果送入三态门,观察数据得走向;
(4)、按”ALUG”,运算结果送入数据总线,观察数据得走向,观察数据总线指示灯显示得结果就是否正确.
八、实验报告要求:
1.实验记录:
所有得运算结果,故障现象及排除经过;
2.通过本次实验得收获及想法。
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- 关 键 词:
- 掌握 运算器 组成 工作 原理