计算机组成原理--实验二 算术逻辑运算实验

实验二算术逻辑运算实验一、实验目的（1）了解运算器芯片（74LS181）的逻辑功能。（2）掌握运算器数据的载入、读取方法，掌握运算器工作模式的设置。（3）观察在不同工作模式下数据运算的规则。二、实验原理1.运算器芯片（74LS181）的逻辑功能74LS181是一种数据宽度为4个二进制位的多功能运算器芯片，封装在壳中，封装形式如图2-3所示。74LS181123456789101112242322212019181716151413BOA0S3S2S1S0CnMF0F1F2GND5VA1B1A2B2A3B3Cn4F3图2-374LS181封装图主要引脚有：（1）A0—A3：第一组操作数据输入端。（2）B0—B3：第二组操作数据输入端。（3）F0—F3：操作结果数据输入端。（4）F0—F3：操作功能控制端。（5）𝐶𝑛̅̅̅̅：低端进位接收端。（6）𝐶𝑛4：高端进位输出端。（7）M：算数/逻辑功能控制端。芯片的逻辑功能见表2-1.从表中可以看到当控制端S0—S3为1001、M为0、𝐶𝑛̅̅̅̅为1时，操作结果数据输出端F0—F3上的数据等于第一组操作数据输入端A0—A3上的数据加第二组操作数据输入端B0—B3上的数据。当S0—S3、M、𝐶𝑛̅̅̅̅上控制信号电平不同时，74LS181芯片完成不同功能的逻辑运算操作或算数运算操作。在加法运算操作时，𝐶𝑛̅̅̅̅、𝐶𝑛4进位信号低电平有效；减法运算操作时，𝐶𝑛̅̅̅̅、𝐶𝑛4借位信号高电平有效；而逻辑运算操作时，𝐶𝑛̅̅̅̅、𝐶𝑛4进位信号无意义。2.运算器实验逻辑电路试验台运算器实验逻辑电路中，两片74LS181芯片构成一个长度为8位的运算器，两片74LS181分别作为第一操作数据寄存器和第二操作数据寄存器，一片74LS254作为操作结果数据输出缓冲器，逻辑结构如图2-4所示。途中算术运算操作时的进位Cy判别进位指示电路；判零Zi和零标志电路指示电路，将在实验三中使用。第一操作数据由B-DA1(BUSTODATA1)负脉冲控制信号送入名为DA1的第一操作数据寄存器，第二操作数据由B-DA2(BUSTODATA2)负脉冲控制信号送入名为DA2的第二操作数据寄存器。74LS181的运算结果数据由ALU−B̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅（ALUTOBUS）低电平控制信号送总线。S0—S3、M芯片模式控制信号同时与两片74LS181的S0—S3、M端相连，保证二者以同一工作模式工作。实验电路的低端进位接收端Ci与低4位74LS181的𝐶𝑛̅̅̅̅相连，用于接收外部进位信号。低4为74LS181的𝐶𝑛̅̅̅̅与高4位74LS181的𝐶𝑛̅̅̅̅上相连，实现高、低4位之间进位信号的传递。高4位之间进位信号的传递。高4位74LS181的𝐶𝑛4送进位Cy判别和进位指示电路。表2-174LS181芯片逻辑功能表功能选择输入、输出关系S3S2S1S0M=H逻辑运算M=L算术运算Cn=HCn=L0000F=AF=AF=A加1三、实验过程1.连线参照实验逻辑原理图进行连线，实验台上数据线用总线连接器连接好后一般不动，控制信号线需手工连接，本实验要连接的控制线如下。（1）把输入、输出单元(INPUT/OUTPUTUNIT)的IO−R̅̅̅̅̅̅̅̅̅、IO−W̅̅̅̅̅̅̅̅̅与手动控制开关单元（MANUALUNIT）的IO−R̅̅̅̅̅̅̅̅̅、IO−W̅̅̅̅̅̅̅̅̅相连接。（INPUT/OUTPUTUNIT)的Ai接地。0001F=A+BF=A+BF=(A+B)加10010F=A•BF=A+BF=(A+B)加10011F=0F=0-1F=00100F=A•BF=A加（A+B）F=A加（A+B）加10101F=BF=(A+B)加(A+B)F=(A+B)加(A+B)加10110F=A⊕BF=A减B减1F–A减B0111F=A•BF=(A•B)减1F=A•B1000F=A+BF=A加（A•B）F=A加（A•B）加11001F=A⊕BF=A加BF=A加B加11010F=BF=(A+B)加(A•B)F=(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控制电平说明：“L”或“0”表示低电平，“H”或“1”表示高电平逻辑操作符说明：“—”表示非操作，“+”表示“或”操作，“•”表示“与”操作，“⊕”表示“异或”算术操作符说明：“加”表示加法操作，“减”表示减法操作把算术逻辑部件(ALUUNIT)的S3—S0、M、Ci与手动控制开关单元(MANUALUNIT)的S3-S0、M、Ci相连接。把算术逻辑部件(ALUUNIT)的B-DA1、B-DA2、ALU−B̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅与手动控制开关单元(MANUALUNIT)的B-DA1、B-DA2、ALU−B̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅相连接。判零电路B7B6B5B4B3B2B1B074LS245A7A6A5A4A3A2A1A0Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q074LS273D7D6D5D4D3D2D1D0Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q074LS273D7D6D5D4D3D2D1D0F3F2F1F0S3S2S1S0MCn474lS181CnA3A2A1A0B3B2B1B0算数运算时进位判别MS3S2S1S0进位标志CY显示零标志ZI显示F3F2F1F0S3S2S1S0MCn474lS181CnA3A2A1A0B3B2B1B0CLRT4ALU-BS3-S0MCyNCnCyCnCiB-DA1B-DA2ALUTOBUSD7D4D7D4D7D4D7D4D7D4D7D4D7D0D7D0D7D0D7D0D3D0D3D0图2-4算数逻辑运算部件原理图2.数据输入过程(1)把开关IO−R̅̅̅̅̅̅̅̅̅、IO−W̅̅̅̅̅̅̅̅̅、B-DAI、B-DAI2、ALU−B̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅拔上，确保为高电平，使这些信号处于无效状态。(2)在输入数据的开关上拨好数据代码，例如“00010001”，即16进制数11H(以后再许多情况下要使用16进制表达方式)。(3)把输入控制信号IO−R̅̅̅̅̅̅̅̅̅开关拔下成低电平。这时总线上显示的状态应该与输入数据一致。(4)把第一组数据输入控制信号B-DAI的开关拨动一次，即实现“1-0-1”，产生一个负脉冲，作用是把数据“11H”送第一数据寄存器DAI中。3.数据输出过程(1)为了检验数据送入的正确性，现把DAI中的内容送到总线上。(2)把输入数据的开关上的输入数据代码拨成00H，与刚才送第一数据寄存器DAI的数据区分开。(3)把输入控制信号IO−R̅̅̅̅̅̅̅̅̅开关拨上成高电平无效，这是总线上的状态应该与输入数据无关，显示为FFH。（4）把74LS181功能控制端S3—S0设置为1111，M为1，参照表2—174LS181逻辑功能表，其输出数据F等于第一组数据输入端A，既DA1上的数据。（5）把ALU−B̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅控制信号拨成低电平，可以看到第一数据寄存器DA1中的数据“11H”经74LS181的A输入端传送到输出口F，再传送到总线BUS。（6）使用类似的方法把“00100001”（即16进制数21H）用第二数据寄存器输入控制信号B－DA2，将其送到第二数据寄存器DA2，再把第二数据寄存器DA2中的数据送总线。74LS181的功能控制端S3-S0为“1010”，M为1的功能是把第二组数据输入端B的数据送输出端F。同样把——ALU－B控制信号拨成低电平，把数据传送到总线BUS。4.数据运算过程（1）在完成数据输入、输出的基础上进行数据运算操作。（2）从LS181逻辑功能表上查得“A加B，不考虑低端进位”操作的功能控制码为S3—S0＝1001、M＝0、Ci＝1，把这些控制码拨好。（3）把ALU−B̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅控制信号拨下呈低电平，这时运算结果（正常的运算结果应为“00110010”，即16进制数32H）送到总线，在总线指示灯上可观察到此数据。（4）把IO−W̅̅̅̅̅̅̅̅̅控制信号开关拨动一次，即实现“1—0—1”，产生一个负脉冲，这时总线上的数据就输出缓冲器，显示在LED指示灯L7—L0上。（5）Ci是低端位进位输入，Ci＝1表示无进位，Ci＝0表示有进位。在进行“A加B”操作时，Ci＝1，操作结果是“00110010”，即16进制数32H；Ci＝0，操作结果是“00110011”，即即16进制数32H，从而可以验证低端位进位输入的作用。（6）变换操作功能控制码S3—S0＝1001、M＝0，进行A－B操作，进行减法操作时，Ci＝0表示无进位，用上面的数据做减法运算，结果为16进制数10H（21H减11H减借位＝10H）。（7）变换不同的操作数据，观察不同的运算结果；变换不同的功能控制码S3—S0，M，进行不同的操作过程，观察不同的结果。四、结果与总结（1）在实验过程中把实验步骤用时序图的形式表示出来。（2）变换不同的操作数据和不同的运算模式，把观察到的数据填入算术逻辑运算表2-2中。表2-2实验记录DA1DA2S3-S0M=1(算术运算)M=0（逻辑运算）Ci=1Ci=065H0A7H0000F=（01100101）F=（01100110）F=（10011010）65H0A7H0001F=（11100111）F=（11101000）F=（00011000）65H0A7H0010F=（01111101）F=（01111110）F=（10000010）65H0A7H0011F=（11111111）F=（00000000）F=（00000000）65H0A7H0100F=（10100101）F=（10100110）F=（11011010）65H0A7H0101F=（00100101）F=（00101000）F=（01011000）65H0A7H0110F=（10111101）F=（10111110）F=（11000010）65H0A7H0111F=（00111111）F=（01000000）F=（01000000）65H0A7H1000F=（10001010）F=（10001011）F=（10111111）65H0A7H1001F=（00001100）F=（00001101）F=（00111101）65H0A7H1010F=（10100010）F=（10100011）F=（10100111）65H0A7H1011F=（00100100）F=（00100101）F=（00100111）65H0A7H1100F=（11001010）F=（11001011）F=（11111111）65H0A7H1101F=（01001100）F=（01001101）F=（01111110）65H0A7H1110F=（11100010）F=（11100011）F=（11100111）65H0A8H1111F=（01100100）F=（01100101）F=（01100101）（3）分析试验中出现的问题，总结解决问题的方法和过程，结合上面两个问题，把观察到的现象和对课本上原理的理解写入实验报告。