大连科技学院 计算机组成原理课程设计

大连科技学院计算机组成原理课程设计题目运算器实验学生姓名崔程宽专业班级计算机(Z)13-1指导教师姜志明职称教授所在单位信息科学系网络工程教研室教学部主任王立娟完成日期2016年1月8日课程设计报告单学号1306220201姓名崔程宽专业班级计算机（Z）13-1考核项目评分备注1平时工作态度及遵守纪律情况（10分）2掌握基本理论、关键知识、基本技能的程度和阅读参考资料的水平（10分）3独立工作能力、综合运用所学知识分析和解决问题能力及实际工作能力提高的程度（20分）4完成课程设计说明书及软件的情况与水平（小组分工情况、规范性、整洁清楚、叙述完整性、思路清晰程度、工作量及实际运行情况和创新性）（60分）总评成绩综合评定：（优、良、中、及格、不及格）指导教师签字：2016年1月11日《计算机组成原理课程设计》任务书一、课程设计任务及要求：任务：使用学过的知识设计一个简单计算机系统或者用单片机实现一最小系统，加深对冯诺依曼体系结构计算机组成及其各部分功能的理解，进一步建立整机的概念。要求：(1)能够利用课堂上学到的知识，以及所做过的实验，完成数据通路的设计。(2)在数据通路设计的基础上，增加机器指令部分，(3)在机器指令部分完成后，增加微指令部分，并自己定义微指令的字长(要求不低于8位)，手动完成系统的运算并能存储结果。(4)在手动微指令部分能够执行后，加上时序电路线路，使整个系统能够自动完成微指令部分的执行，从而使整个系统完善。(5)提交课程设计报告。(6)指标:要求完成课程设计报告3000字以上(约二十页)；画出电路原理图。二、工作量2周（10个工作日）时间三、计划安排第1个工作日：查找相关资料、书籍，阅读示例文档，选择题目。第2个工作日－第4个工作日：设计电路、画出模块图。第5个工作日－第9个工作日：完成电路的连接、调试、测试。穿插进行课程设计报告的撰写。第10个工作日：上交课程设计报告，由教师检查设计的电路、检查课程设计报告，给出学生成绩。指导教师签字：2015年12月22日目录运算器实验................................................错误!未定义书签。1.实验目的..........................................................................................错误!未定义书签。2.预习要求..........................................................................................错误!未定义书签。3.实验设备..........................................................................................错误!未定义书签。4.电路组成..........................................................................................错误!未定义书签。5.工作原理.........................................................................................................................46.实验内容.........................................................................................................................47.实验步骤.........................................................................................................................58.心得.................................................................................................................................91运算器实验一、实验目的：1．掌握运算器的组成及工作原理；2．了解4位函数发生器74LS181的组合功能，熟悉运算器执行算术操作和逻辑操作的具体实现过程；3．验证带进位控制的74LS181的功能。二、预习要求：１．复习本次实验所用的各种数字集成电路的性能及工作原理；２．预习实验步骤，了解实验中要求的注意之处。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：本模块由算术逻辑单元ALU74LS181（U7、U8、U9、U10）、暂存器74LS273（U3、U4、U5、U6）、三态门74LS244（U11、U12）和控制电路（集成于EP1K10内部）等组成。电路图见图1-1(a)、1-1(b)。图1-1（a）ALU电路2图1-1（b）ALU控制电路算术逻辑单元ALU是由四片74LS181构成。74LS181的功能控制条件由S3、S2、S1、S0、M、Cn决定。高电平方式的74LS181的功能、管脚分配和引出端功能符号详见表1-1、图1-2和表1-2。四片74LS273构成两个16位数据暂存器，运算器的输出采用三态门74LS244。它们的管脚分配和引出端功能符号详见图1-3和图1-4。图1-274LS181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。3选择M=1逻辑操作M=0算术操作S3S2S1S0Cn=1（无进位）Cn=0（有进位）0000F=/AF=AF=A加10001F=/(A+B)F=A+BF=(A+B)加10010F=/A*BF=A+/BF=(A+/B)加10011F=0F=－1F=00100F=/(A*B)F=A加A*/BF=A加A*/B加10101F=/BF=(A+B)加A*/BF=(A+B)加A*/B加10110F=(/A*B+A*/B)F=A减B减1F=A减B0111F=A*/BF=A*/B减1F=A*/B1000F=/A+BF=A加A*BF=A加A*B加11001F=/(/A*B+A*/B)F=A加BF=A加B加11010F=BF=(A+/B)加A*BF=(A+/B)加A*B加11011F=A*BF=A*B减1F=A*B1100F=1F=A加AF=A加A加11101F=A+/BF=(A+B)加AF=(A+B)加A加11110F=A+BF=(A+/B)加AF=(A+/B)加A加11111F=AF=A减1F=A表1-174LS181功能表4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：运算器的结构框图见图1-5：5算术逻辑单元ALU是运算器的核心。集成电路74LS181是4位运算器，四片74LS181以并／串形式构成16位运算器。它可以对两个16位二进制数进行多种算术或逻辑运算，74LS181有高电平和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。四片74LS273作为两个16数据暂存器，其控制信号分别为LDR1和LDR2，当LDR1和LDR2为高电平有效时，在T4脉冲的前沿，总线上的数据被送入暂存器保存。六、实验内容：验证74LS181运算器的逻辑运算功能和算术运算功能。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，应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上；对于竖排座，应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。注意：F4只用一个排线插头孔）图1－6实验一键盘实验连线图2、实验过程：（1）拨动清零开关CLR，使其指示灯灭。再拨动CLR，使其指示灯亮。运算器接口S3S2S1S0MCnALU-GARLDR1LDR2C1…...C6E5E4F5E3控制总线F4控制总线T46（2）在监控滚动显示【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。（3）再按【确认】键，进入实验一程序，监控显示【InSt--】，提示输入运算指令，输入两位十六进制数（参考表1－3和表1－1），选择执行哪种运算操作，按【确认】键。（4）监控显示【Lo=0】,此处Lo相当于表1－1中的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】，使用默认值“1”，关闭进位输出。也可输入“0”，打开进位输出，按【确认】。（5）监控显示【DATA】，提示输入第一个数据，输入十六进制数【1234H】，按【确认】，显示【DATA】，提示输入第二个数据，输入十六进制数【5678H】，按【确认】键，监控显示【FINISH】，表示运算结束，可从数据总线显示灯观察运算结果，CY指示灯显示进位输出的结果。按【确认】后监控显示【ES01】，可执行下一运算操作。运算指令（S3S2S1S0）输入数据（十六进制）000000或0000101或1001002或2001103或3010004或4010105或5011006或6011107或7100008或8100109或910100A或A10110B或B11000C或C11010D或D11100E或E11110F或F表1-3运算指令关系对照表在给定LT1=1234H、LT2=5678H的情况下，改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，填入表中，并和理论值进行比较和验证：LT1LT2S3S2S1S0M=0（算术运算）M=1（逻辑运算）Cn=1（无进位）Cn=0（有进位）1234H5678H00或0F=F=F=01或1F=F=F=02或2F=F=F=03或3F=F=F=704或4F=F=F=05或5F=F=F=06或6F=F=F=07或7F=F=F=08或8F=F=F=09或9F=F=F=0A或AF=F=F=0B或BF=F=F=0C或CF=F=F=0D或DF=F=F=0E或EF=F=F=0F或FF=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的ALU-G和C-G拨到输出高电平“1”状态(所对应的指示灯亮。)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，应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上；对于竖排座，应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。运算器接口S3S2S1S0MCnALU-GARLDR1LDR2BD15…….BD8数据总线BD7…….BD0DIJ1DIJ-GDIJ2数据输入电路C-GS3S2S1S0MCnALU-GARLDR1LDR2控制开关电路T+finf/8脉冲源及时序电路图1－7实验一开关实验接线图控制总线T482、通