计算机中的运算器部件实验

计算机中的运算器部件实验第1页，共66页，2023年，2月20日，星期四RESET,START按键运行功能选择开关两个12位的微型开关16位的手拨输入开关微程序控制器小板串行口接线座5V直流电源电源开关组合逻辑控制器运算器内存储器串口电路I8~6I5~3I2~0SSTSCISSHA口B口第2页，共66页，2023年，2月20日，星期四教学计算机运算器实例教学计算机运算器字长16位，用4片4位的位片结构的Am2901组成。Am2901芯片的内部组成和实现的功能怎样连接4片Am2901成为16位的运算器怎样解决运算器实用中的几个问题：(1)运算器最低位进位输入信号

Cin的形成(2)运算器4位标志位信号的接收与记忆线路(3)移位时最高、最低位的移位输入信号设计第3页，共66页，2023年，2月20日，星期四二选一

B16个A通用寄存器三选一二选一三选一三选一

ALUSRB锁存器A锁存器乘商寄存器QCn/OEQ3Q0RAM0RAM3F输出YF3F=0000OVRCn+4输入DA口地址B口地址Am2901内部组成组成算逻运算部件通用寄存器组乘商寄存器Q功能8种运算功能8种数据组合8种结果处理第4页，共66页，2023年，2月20日，星期四

ALUSRCnFF3F=0000OVRCn+4

Am2901芯片是一个4位的位片结构的运算器器件,其内部组成如下：第一个组成部分是算逻运算部件ALU,完成3种算术运算和5种逻辑运算，共计8种功能。其输出为F，两路输入为S、R，最低位进位Cn，4个状态输出信号如图所示符号位结果为零结果溢出进位输出R⊕SR⊕S8种运算功能0000010100111001011101113位功能选择码I5I4I3R+SSRRSR٧

SRSRS第5页，共66页，2023年，2月20日，星期四

B16个A通用寄存器

ALUSRB锁存器A锁存器CnFF3F=0000OVRCn+4A口地址B口地址第二个组成部分是通用寄存器组由16个寄存器构成，并通过B口与A口地址选择被读的寄存器，B口地址还用于指定写入寄存器通过B口地址、A口地址读出的数据将送到B、A锁存器，要写入寄存器的数据由一个多路选择器送来。（写入）第6页，共66页，2023年，2月20日，星期四

B16个A通用寄存器

ALUSRB锁存器A锁存器Q寄存器CnFF3F=0000OVRCn+4A口地址B口地址第三个组成部分是乘商寄存器Q它能对自己的内容完成左右移位功能，其输出可以送往ALU，并可接收ALU的输出结果。第7页，共66页，2023年，2月20日，星期四该芯片的第四个组成部分是5组多路选通门,包括

B16个A通用寄存器三选一二选一

ALUSRB锁存器A锁存器Q寄存器CnFF3F=0000OVRCn+4输入DA口地址B口地址一组三选一门和另一组二选一门用来选择送向ALU的R、S输入端的数据来源，包括Q寄存器、A口、B口、外部输入D数据的8种不同组合。8种数据组合(R，S)AQAB0Q0B0ADADQD03位数据选择码

000001010011100101110111I2I1I0第8页，共66页，2023年，2月20日，星期四

B16个A通用寄存器三选一二选一三选一三选一

ALUSRB锁存器A锁存器Q寄存器CnQ3Q0RAM0RAM3FF3F=0000OVRCn+4输入DA口地址B口地址一组三选一门完成把ALU的输出、或左移一位、或右移一位的值送往通用寄存器组，最高、最低位移位信号有双向入/出问题一组三选一门完成Q寄存器的左移一位、或右移一位、或接收ALU输出值的功能，最高、最低位移位信号有双向入/出问题。第9页，共66页，2023年，2月20日，星期四二选一

B16个A通用寄存器三选一二选一三选一三选一

ALUSRB锁存器A锁存器Q寄存器Cn/OEQ3Q0RAM0RAM3F输出YF3F=0000OVRCn+4输入DA口地址B口地址一组二选一门，选择把A口数据或ALU结果送出芯片，以给出输出Y的数据，Y输出的有无还受输出使能/OE信号的控制，仅当/OE为低是才有Y输出，/OE为高，Y输出为高阻态。第10页，共66页，2023年，2月20日，星期四8种结果处理3位控制码通用寄存器Q寄存器Y输出

000QFF001F010BFA011BFF100BF/2QQ/2F101BF/2F110B2FQ2QF111B2FFI8I7I6第11页，共66页，2023年，2月20日，星期四Am2901的控制信号编码

I8I7I6I5I4I3I2I1I0000QFFR+SAQ001FS−RAB010BFAR−S0Q011BFFR٧S0B100BF/2QQ/2FRΛS0A101BF/2FRΛSDA110B2FQ2QFR⊕SDQ111B2FFR⊕SD0BQYRS第12页，共66页，2023年，2月20日，星期四存移输出巧安排存移输出巧安排存移输出巧安排存移输出巧安排二选一三选一二选一三选一三选一Q3Q0RAM0RAM3

ALUSRCnFF3F=0000OVRCn+4

B16个A通用寄存器B锁存器A锁存器A口地址B口地址运算器，三大件运算暂存乘除快多路选通连起来数据组合选择I2I1I0运算功能选择I5I4I3运算结果处理I8I7I6运算暂存乘除快数据组合有内外运算功能指明白多路选通连起来Q寄存器输入D/OE输出Y第13页，共66页，2023年，2月20日，星期四二选一

B16个A通用寄存器三选一二选一三选一三选一

ALUSRB锁存器A锁存器乘商寄存器QCn/OEQ3Q0RAM0RAM3F输出YF3F=0000OVRCn+4输入DA口地址B口地址Am2901内部组成组成算逻运算部件通用寄存器组乘商寄存器Q功能8种运算功能8种数据组合8种结果处理I5~I3I2~I0I8~I6第14页，共66页，2023年，2月20日，星期四“3+5”运算实例计算步骤将“3”送入寄存器R0将“5”送入寄存器R1R0+R1,结果送入R0第15页，共66页，2023年，2月20日，星期四“3+5”运算实例——步骤一SRF3OVRCn+4F=0000Cn二选一三选一I3I4I5I0I1I2I6I7I84/OE输出Y二选一FALUB地址A地址

0011输入“3”

Q寄存器A锁存器B锁存器44RAM3RAM0三选一Q0Q3

三选一A16个B通用寄存器第16页，共66页，2023年，2月20日，星期四“3+5”运算实例——步骤一SRF3OVRCn+4F=0000Cn二选一三选一I3I4I5I0I1I2I6I7I84/OE输出Y二选一FALUB地址A地址

Q寄存器A锁存器B锁存器44RAM3RAM0三选一Q0Q3

三选一A16个B通用寄存器0011第17页，共66页，2023年，2月20日，星期四“3+5”运算实例——步骤一SRF3OVRCn+4F=0000Cn二选一三选一I3I4I51

11I6I7I84/OE输出Y二选一FALUB地址A地址

Q寄存器A锁存器B锁存器44RAM3RAM0三选一Q0Q3

三选一A16个B通用寄存器00000011第18页，共66页，2023年，2月20日，星期四“3+5”运算实例——步骤一SRF3OVRCn+4F=0000Cn二选一三选一0

0

01

11I6I7I84/OE输出Y二选一FALUB地址A地址

Q寄存器A锁存器B锁存器44RAM3RAM0三选一Q0Q3

三选一A16个B通用寄存器00110011＋0000第19页，共66页，2023年，2月20日，星期四“3+5”运算实例——步骤一SRF3OVRCn+4F=0000Cn二选一三选一0

0

01

110114/OE输出Y二选一FALUB地址A地址

Q寄存器A锁存器B锁存器44RAM3RAM0三选一Q0Q3

三选一A16个B通用寄存器00110011第20页，共66页，2023年，2月20日，星期四“3+5”运算实例——步骤一SRF3OVRCn+4F=0000Cn二选一三选一0

0

01

110114/OE输出Y二选一FALUB地址A地址

Q寄存器A锁存器B锁存器44RAM3RAM0三选一Q0Q3

三选一A16个B通用寄存器00110011第21页，共66页，2023年，2月20日，星期四“3+5”运算实例——步骤一SRF3OVRCn+4F=0000Cn二选一三选一0

0

01

110114/OE输出Y二选一FALUB地址A地址

Q寄存器A锁存器B锁存器44RAM3RAM0三选一Q0Q3

三选一A16个B通用寄存器00110011第22页，共66页，2023年，2月20日，星期四“3+5”运算实例——步骤一SRF3OVRCn+4F=0000Cn二选一三选一0

0

01

110114/OE输出Y二选一FALUB(R0)A地址

Q寄存器A锁存器B锁存器44RAM3RAM0三选一Q0Q3

三选一AB通用寄存器R0=001100110000第23页，共66页，2023年，2月20日，星期四“3+5”运算实例——步骤二SRF3OVRCn+4F=0000Cn二选一三选一I3I4I5I0I1I2I6I7I84/OE输出Y二选一FALUB地址A地址

0101输入“5”

Q寄存器A锁存器B锁存器44RAM3RAM0三选一Q0Q3

三选一A16个B通用寄存器第24页，共66页，2023年，2月20日，星期四“3+5”运算实例——步骤二SRF3OVRCn+4F=0000Cn二选一三选一I3I4I5I0I1I2I6I7I84/OE输出Y二选一FALUB地址A地址

Q寄存器A锁存器B锁存器44RAM3RAM0三选一Q0Q3

三选一A16个B通用寄存器0101第25页，共66页，2023年，2月20日，星期四“3+5”运算实例——步骤二SRF3OVRCn+4F=0000Cn二选一三选一I3I4I51

11I6I7I84/OE输出Y二选一FALUB地址A地址

Q寄存器A锁存器B锁存器44RAM3RAM0三选一Q0Q3

三选一A16个B通用寄存器00000101第26页，共66页，2023年，2月20日，星期四“3+5”运算实例——步骤二SRF3OVRCn+4F=0000Cn二选一三选一0

0

01

11I6I7I84/OE输出Y二选一FALUB地址A地址

Q寄存器A锁存器B锁存器44RAM3RAM0三选一Q0Q3

三选一A16个B通用寄存器01010101＋0000第27页，共66页，2023年，2月20日，星期四“3+5”运算实例——步骤二SRF3OVRCn+4F=0000Cn二选一三选一0

0

01

110114/OE输出Y二选一FALUB地址A地址

Q寄存器A锁存器B锁存器44RAM3RAM0三选一Q0Q3

三选一A16个B通用寄存器01010101第28页，共66页，2023年，2月20日，星期四“3+5”运算实例——步骤二SRF3OVRCn+4F=0000Cn二选一三选一0

0

01

110114/OE输出Y二选一FALUB地址A地址

Q寄存器A锁存器B锁存器44RAM3RAM0三选一Q0Q3

三选一A16个B通用寄存器01010101第29页，共66页，2023年，2月20日，星期四“3+5”运算实例——步骤二SRF3OVRCn+4F=0000Cn二选一三选一0

0

01

110114/OE输出Y二选一FALUB地址A地址

Q寄存器A锁存器B锁存器44RAM3RAM0三选一Q0Q3

三选一A16个B通用寄存器01010101第30页，共66页，2023年，2月20日，星期四“3+5”运算实例——步骤二SRF3OVRCn+4F=0000Cn二选一三选一0

0

01

110114/OE输出Y二选一FALUB(R1)A地址

Q寄存器A锁存器B锁存器44RAM3RAM0三选一Q0Q3

三选一AB通用寄存器R1=010101010001第31页，共66页，2023年，2月20日，星期四“3+5”运算实例——步骤三SRF3OVRCn+4F=0000Cn二选一三选一I3I4I5I0I1I2I6I7I84/OE输出Y二选一FALUB(R0)A(R1)

Q寄存器A锁存器B锁存器44RAM3RAM0三选一Q0Q3

三选一A16个B通用寄存器0101001100010000第32页，共66页，2023年，2月20日，星期四SRF3OVRCn+4F=0000Cn二选一三选一I3I4I5001I6I7I84/OE输出Y二选一FALUB(R0)A(R1)

Q寄存器A锁存器B锁存器44RAM3RAM0三选一Q0Q3

三选一A16个B通用寄存器0101“3+5”运算实例——步骤三001100010000第33页，共66页，2023年，2月20日，星期四SRF3OVRCn+4F=0000Cn二选一三选一000001I6I7I84/OE输出Y二选一FALUB(R0)A(R1)

Q寄存器A锁存器B锁存器44RAM3RAM0三选一Q0Q3

三选一A16个B通用寄存器0101+0011“3+5”运算实例——步骤三100000010000第34页，共66页，2023年，2月20日，星期四SRF3OVRCn+4F=0000Cn二选一三选一0000010114/OE输出Y二选一FALUB(R0)A(R1)

Q寄存器A锁存器B锁存器44RAM3RAM0三选一Q0Q3

三选一A16个B通用寄存器“3+5”运算实例——步骤三1000000100001000第35页，共66页，2023年，2月20日，星期四SRF3OVRCn+4F=0000Cn二选一三选一0000010114/OE输出Y二选一FALUB(R0)A(R1)

Q寄存器A锁存器B锁存器44RAM3RAM0三选一Q0Q3

三选一A16个B通用寄存器“3+5”运算实例——步骤三1000000100001000第36页，共66页，2023年，2月20日，星期四SRF3OVRCn+4F=0000Cn二选一三选一0000010114/OE输出Y二选一FALUB(R0)A(R1)

Q寄存器A锁存器B锁存器44RAM3RAM0三选一Q0Q3

三选一A16个B通用寄存器“3+5”运算实例——步骤三1000000100001000第37页，共66页，2023年，2月20日，星期四SRF3OVRCn+4F=0000Cn二选一三选一0000010114/OE输出Y二选一FALUB(R0)A(R1)

Q寄存器A锁存器B锁存器44RAM3RAM0三选一Q0Q3

三选一AB通用寄存器“3+5”运算实例——步骤三1000000100001000第38页，共66页，2023年，2月20日，星期四运算器芯片Am2901实例表4.1运算功能选择说明编码运算功能I5I4I3LLLR+SLLHS-RLHLR-SLHHR∨SHLLR∧SHLH/R∧SHHLR⊕SHHHR⊙SSRF3OVRCn+4F=0000Cn二选一三选一I3I4I54/OE输出Y二选一FALUB地址A地址

4输入D

Q寄存器A锁存器B锁存器44RAM3RAM0三选一Q0Q3

三选一A16个B通用寄存器第39页，共66页，2023年，2月20日，星期四运算器芯片Am2901实例HHHLHHHLHLLHHHLLHLHLLLLLI0I1I2编码表4.2数据来源选择说明数据来源RSAAAADDDQQQBB0000SRF3OVRCn+4F=0000Cn二选一三选一I0I1I24/OE输出Y二选一FALUB地址A地址

4输入D

Q寄存器A锁存器B锁存器44RAM3RAM0三选一Q0Q3

三选一A16个B通用寄存器第40页，共66页，2023年，2月20日，星期四运算器芯片Am2901实例表4.3数据处理方式选择说明编码处理方式I8I7I6通用寄存器组Q寄存器Y输出LLLF→QFLLHFLHLF→BALHHF→BFHLLF/2→BQ/2→QFHLHF/2→BFHHL2F→B2Q→QFHHH2F→BF第41页，共66页，2023年，2月20日，星期四运算器的时钟脉冲信号运算器的时钟脉冲信号CP教学计算机的主频:1.8432MHz/6A、B口锁存通用寄存器接受Q接受周期和低电平的作用

注意两个跳变沿第42页，共66页，2023年，2月20日，星期四Am2901的操作使用操作功能控制信号B口A口I8I7I6I5I4I3I2I1I0CnR0R0+R1R2R2R0QR0右移R0R0+R1R0R0R1YA口YF00000110001000001000100000010001001100001010001000001000000000001000/000001000011000010R0R0R1YF000001100011000010第43页，共66页，2023年，2月20日，星期四入出信号及引脚Y3~Y0D3~D0RAM3Q3RAM0Q0CPOECnCn+4F=0OverF3Am2901A3~A0B3~B0I8~I6

I5~I3

I2~I0第44页，共66页，2023年，2月20日，星期四Am2901Y11~8Y3~0D11~8D7~4D3~0CinRAM0Q0Y7~4高位Am2901Y15~12D15~12OVERF=0F15CyCPRAM15Q15A口B口I8~6I5~3I2~04片Am2901之间的连接Am2901低位Am2901VccR第45页，共66页，2023年，2月20日，星期四片间高速进位用Am2902高位Am2901Am2901Am2901低位Am2901

Am2902Cn+zCn+yCn+x

/G/PY15~12Y11~8Y7~4Y3~0D15~12D11~8D7~4D3~0OVERF=0F15CyCinCPRAM15Q15RAM0Q0A口B口I8~6I5~3I2~0VccR第46页，共66页，2023年，2月20日，星期四入出信号及引脚Y15~Y0D15~D0RAM15Q15RAM0Q0CPOECinCyF=0OverF15运算器部件A3~A0B3~B0I8~I6I5~I3I2~I0第47页，共66页，2023年，2月20日，星期四运算器实用中的几个问题运算器最低位进位输入信号Cin的形成运算器4位标志位信号的接收与记忆线路移位时最高、最低位的移位输入信号设计第48页，共66页，2023年，2月20日，星期四4片Am2901芯片之外的线路设计标志寄存器的接收与保持规定（见表4.4）表4.4标志寄存器的接收与保持选择码SST状态位输入说明CZVS000CZVS4个标志位的值保持不变001CyF=0OVRF15接收ALU的标志位输出的值010内部总线对应的一位恢复标志位原来的现场值0110ZVS置“0”C，令3个标志位不变1001ZVS置“1”C，令3个标志位不变101RAM0ZVS右移操作，令3个标志位不变110RAM15ZVS左移操作，令3个标志位不变111Q0ZVS联合右移，令3个标志位不变第49页，共66页，2023年，2月20日，星期四4片Am2901芯片之外的线路设计最低位进位输入信号Cin的形成左右移位时，最高、最低位的移位输入信号设计表4.5形成最低位进位输入信号Cin的逻辑2位选择码SCI编码指令Cin取值00ADD,DEC001INC,SUB110ADC,SBBC表4.6最高、最低位的移位输入信号的形成逻辑2位控制码SSH编码左移右移说明RAM0Q0RAM15Q15000×0×通用寄存器逻辑移位01C×C×通用寄存器与C循环移位10Q15/F15CyRAM0原码除（左移）乘（右移）11××F15⊕OVRRAM0右移用于补码乘法第50页，共66页，2023年，2月20日，星期四如何提供ALU最低位进位信号不同指令需求Cin例子最低位进位控制码ADD指令0R0+R1+0INC指令1R0+0+1ADC指令CR0+R1+CSUB指令1R0+/R1+1DEC指令0R0+/0+0SBB指令（原理）CR0+/R1+C加运算减运算SCI最低位进位信号由

SCI

编码决定000110010010第51页，共66页，2023年，2月20日，星期四最低位进位信号Cin的逻辑表达式Cin=/SCI1*SCI0+SCI1*/SCI0*C

第52页，共66页，2023年，2月20日，星期四

16位的运算器16位运算器最低位进位输入信号Cin

CyF=0OVRF15RAM15Q15RAM0Q0最低位进位GAL3SCI01CY15~0D15~0B口A口I8~I0Cin第53页，共66页，2023年，2月20日，星期四如何处理计算结果标志位算术与逻辑的运算指令结果产生标志位的值该标志位的值只在执行运算步骤接收输入算术运算指令的结果会影响C、Z、V、S

逻辑运算指令的结果只影响Z、S其他指令或其他执行步骤不接受标志位的值由此可见:

若设置标志位寄存器,

会有依据什么指令的什么时刻接收或不接收ALU输出的标志位的值这样两种处理第54页，共66页，2023年，2月20日，星期四几条影响C触发器的指令指令中有STC（C1）、CLC指令（C0

）指令中有RCL、RCR、SHL、SHR指令，它们的移位输出要传送进C，还需要决定寄存器的移位输入是什么值。C通用寄存器通用寄存器C00RCLRCRSHRSHLRAM15RAM0RAM0RAM15第55页，共66页，2023年，2月20日，星期四对乘除法指令的支持指令中MULSR指令，DIVSR指令它们的运行用到了移位输出要传送进C（还决定寄存器的移位输入）C通用寄存器通用寄存器

Q寄存器乘法，联合右移位

Q寄存器除法，联合左移位/F15Q0Cy第56页，共66页，2023年，2月20日，星期四状态寄存器的控制用3位码控制有8处来源SST2~0CZVS000不变三位不变(C,Z,V,S)001接受ALU状态输出（Cy,ZR,OV,F15）010接收内部总线输出(IB7654)0110三位不变1001三位不变101RAM0三位不变110RAM15三位不变111Q0三位不变第57页，共66页，2023年，2月20日，星期四状态寄存器的逻辑表达式C:=/SST2*/SST1*/SST0*CV:=/SST2*/SST1*/SST0*V+/SST2*/SST1*SST0*Cy+/SST2*/SST1*SST0*OV+/SST2*SST1*/SST0*IB7+/SST2*SST1*/SST0*IB5+SST2*/SST1*/SST0+/SST2*SST1*SST0*V+SST2*/SST1*SST0*RAM0+SST2*V+SST2*SST1*/SST0*RAM15+SST2*SST1*SST0*Q0Z:=/SST2*/SST1*/SST0*ZS:=/SST2*/SST1*/SST0*S+/SST2*/SST1*SST0*ZR+/SST2*/SST1*SST0*F15+/SST2*SST1*/SST0*IB6+/SST2*SST1*/SST0*IB4+/SST2*SST1*SST0*Z+/SST2*SST1*SST0*S+SST2*Z+SST2*S第58页，共66页，2023年，2月20日，星期四0,1,RAM0Q0,RAM15

16位的运算器16位运算器的状态寄存器四位标志位GAL1

SSTCZVSCyF=0OVF15来自内部总线IBRAM15Q15RAM0Q0Y15~0D15~0B口A口I8~I0Cin第59页，共66页，2023年，2月20日，星期四寄存器移位输入信号

2位控制码左移(I7)右移(/I7)指令

SSH1~0RAM0Q0RAM15Q15000/0/SHLSHR01C/C/RCLRCR10Q15/F15CyF0DIVMUL实现中，具体移位输入信号是用SSH编码和ALU中的结果处理控制信号I7

（移位方向）共同决定的。

第60页，共66页，2023年，2月20日，星期四左右移位输入信号逻辑表达式RAM15=/SSH1*SSH0*C+SSH1*/SSH0*CyQ15=SSH1*/SSH0*F0RAM0=/SSH1*SSH0*C+SSH1*/S