组成原理-基本运算器实验

1、精选优质文档-倾情为你奉上计算机与信息工程学院实验报告姓 名 李迪学 号专 业计算机科学与技术班 级09蒙班联 系 电 话Email同 组实验者王娜实验室名 称实 验日 期2011-10-20课 程名 称组成原理实 验 序 号01实 验项 目基本运算器实验主 讲教 师辅 导教 师指 导教 师实验心得：课后写出对本次实验的体会。学到了什么知识、加深了对什么知识内容的理解等。学生签名： 李迪 2011 年 10 月 20 日成绩评定及教师评语：成绩： 教师签名： 年 月 日注：硬件类实验报告请按附录1的格式填写；软件类实验报告请按附录2的格式填写。填写时应去掉红色的提示语。附录1：硬件类实验报告一

2、、 实验内容 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 中的运算器来完成，运算器也称作算术逻辑部件ALU。因此本次实验内容要了解基本的运算器和运算器的基本结构。二、 实验目的及要求(1)了解运算器的组成结构。(2)掌握运算器的工作原理。三、 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（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S3S0和CN 来决定，任何时候，多路选

3、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1-1-2 所示。图中显示的是一个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

4、别相连,而没有同任何输入相连的则输出连接0。(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 1-1-1 运算器原理图 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

5、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（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。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 D7D0 的显示原理也是如此。运算器的逻辑功能表如表 1-1-1 所示，其中 S3 S2 S1 S0 CN

6、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。运算类型S3 S2 S1 S0CN功能逻辑运算0 0 0 0XF=A(直通)0 0 0 1XF=B(直通)0 0 1 0XF=AB （FZ）0 0 1 1XF=A+B （FZ）0 1 0 0XF=/A （FZ）移位运算0 1 0 1XF=A 不带进位循环右移 B（取低 3 位）位（FZ）0 1 1 00F=A 逻辑右移一位 （FZ）0 1 1 01F=A 带进位循环右移一位 （FC，FZ）0 1 1 10F=A 逻辑左移一位 （FZ）0 1 1 11F=A 带进位循环左移一位 （FC，

7、FZ）算数运算1 0 0 0X置 FC=CN （FC）1 0 0 1XF=A 加 B （FC，FZ）1 0 1 0XF=A 加 B 加 FC （FC，FZ）1 0 1 1XF=A 减 B （FC，FZ）1 1 0 0XF=A 减 1 （FC，FZ）1 1 0 1XF=A 加 1 （FC，FZ）1 1 1 0X（保留）1 1 1 1X（保留）表 1-1-1 运算器逻辑功能表*表中“X”为任意态，下同四、 使用实验设备、仪器、材料PC 机一台，TD-CMA 实验系统一套。五、 实验方法过程（步骤） (1)按图 1-1-5 连接实验电路，并检查无误。图中将用户需要连接的信号用圆圈标明（其它实验 相同

8、）。 (2)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。 (3)打开电源开关，如果听到有嘀报警声，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。 (4)用输入开关向暂存器 A 置数。 拨动 CON 单元的 SD27SD20 数据开关，形成二进制数 （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 置入暂存器 A 中，暂存器 A 的值通过 ALU 单元的 A7A0 八位

9、LED 灯显示。 (5)用输入开关向暂存器 B 置数。 拨动 CON 单元的 SD27SD20 数据开关，形成二进制数 （或其它数值）。 置 LDA=0，LDB=1，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 置入暂存器 B 中，暂存器 B 的值通过 ALU 单元的 B7B0 八位 LED 灯显示。 (6)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，然后按表 1-1-1 置 S3、S2、S1、S0 和 CN 的数值，并观察数据总线 LED 显示灯显示的结果。如置 S3、S2、S1、 S0 为 0010，运算器作逻辑与运算，置 S3

10、、S2、S1、S0 为 1001，运算器作加法运算。六、 实验过程原始记录(数据、图表、计算等)运算类型ABS3 S2 S1 S0CN结果逻辑运算65A70 0 0 0XF=(65) FC=(0) FZ=(0)65A70 0 0 1XF=(A7) FC=(0) FZ=(0)0 0 1 0XF=(25) FC=() FZ=(0)0 0 1 1XF=(E7) FC=() FZ=(0)0 1 0 0XF=(9A) FC=() FZ=(0)移位运算0 1 0 1XF=(CA) FC=(0) FZ=(0)0 1 1 00F=(32) FC=(0) FZ=(0)0 1 1 01F=(B2) FC=(1)

11、FZ=(0)0 1 1 10F=(CA) FC=(1) FZ=(0)0 1 1 11F=(CA) FC=(0) FZ=(0)算数运算1 0 0 0XF=(65) FC=(0) FZ=(0)1 0 0 1XF=(0C) FC=(1) FZ=(0)1 0 1 0(FC=0)XF=(0D) FC=(1) FZ=(0)1 0 1 1XF=(BE) FC=(1) FZ=(0)1 1 0 0XF=(64) FC=(0) FZ=(0)1 1 0 1XF=(66) FC=(0) FZ=(0)1 1 1 0X1 1 1 1X七、 实验结果及分析在实验中，由于实验条件、测量仪器、测量方法以及测量技术等因素的影响，

12、使得测量值与客观真值之间存在着差值，这个差值叫做误差。因此，要对测量值与真值进行误差分析。误差分析可从下面两方面着手进行。（1）系统误差。其特点是：在相同实验条件下，对同一量进行反复多次测量时，误差总保持不变，或者测业条件改变时，误差可按一定规律变化。它产生的原因有：a由于仪器本身缺陷或者没有按规定条件使用造成的误差；方法误差；c由于实验者生理上的缺欠，如估计读数时始终偏大或偏小，反应总是快或慢造成的误差。消除系统误差，可用等精度测量，或者通过多次测量。（2）随机误差。其特点是：在相同条件下，对同一量进行多次测量时，在极力消除或者改正一切明显误差后，每次测量的误差以不可预知的方式变化着，这叫做

13、随机误差。对于非测量的实验，当然无须记录数据、分析误差、进行计算。其结果部分，主要描述和分析实验中所发生的现象，例如化学实验中反应速度的快慢，放热还是吸热，生成物的形态、颜色及气味；金相或岩相实验，拍摄的显微照片；电学实验，观察到的波形图，等等。因实验结果部分是整个实验的核心和成果，在写作前，一般应将数据整理好，并列出表格，写作时分好类，按一定顺序安排好数字、表格及图，并做必要的说明。为了准确起见，最好采用专业术语来描写，不许任何夸张，引用的数据必须是真实的，结论必须可靠，图与表格要符合规范要求，数字的记录方法和处理方法必须符合规定，否则，将会使整个实验报告丧失价值。结论是根据实验结果所做出的最后判断，并将实验结果逐条列出，叙述时应该采用肯定的语言，可以引用关键性数据，一般不应再列出图