组成原理-基本运算器实验

计算机与信息工程学院实验报告·1·计算机与信息工程学院实验报告姓名李迪学号20092103399专业计算机科学与技术班级09蒙班联系电话[phone]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。计算机与信息工程学院实验报告·2·附录1：硬件类实验报告一、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S3…S0和CN来决定，任何时候，多路选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由时序单计算机与信息工程学院实验报告·3·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D7…D0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S3S2S1S0CN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。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）。运算类型S3S2S1S0CN功能逻辑运算0000XF=A(直通)0001XF=B(直通)0010XF=AB（FZ）0011XF=A+B（FZ）0100XF=/A（FZ）移位运算0101XF=A不带进位循环右移B（取低3位）位（FZ）01100F=A逻辑右移一位（FZ）01101F=A带进位循环右移一位（FC，FZ）01110F=A逻辑左移一位（FZ）01111F=A带进位循环左移一位（FC，FZ）算数运算1000X置FC=CN（FC）1001XF=A加B（FC，FZ）1010XF=A加B加FC（FC，FZ）1011XF=A减B（FC，FZ）1100XF=A减1（FC，FZ）1101XF=A加1（FC，FZ）1110X（保留）1111X（保留）计算机与信息工程学院实验报告·4·(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。①拨动CON单元的SD27…SD20数据开关，形成二进制数01100101（或其它数值），数据显示亮为‘1’，灭为‘0’。②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01100101置入暂存器A中，暂存器A的值通过ALU单元的A7…A0八位LED灯显示。(5)用输入开关向暂存器B置数。①拨动CON单元的SD27…SD20数据开关，形成二进制数10100111（或其它数值）。②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10100111置入暂存器B中，暂存器B的值通过ALU单元的B7…B0八位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、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ABS3S2S1S0CN结果逻辑运算65A70000XF=(65)FC=(0)FZ=(0)65A70001XF=(A7)FC=(0)FZ=(0)0010XF=(25)FC=()FZ=(0)0011XF=(E7)FC=()FZ=(0)0100XF=(9A)FC=()FZ=(0)移位运算0101XF=(CA)FC=(0)FZ=(0)01100F=(32)FC=(0)FZ=(0)01101F=(B2)FC=(1)FZ=(0)01110F=(CA)FC=(1)FZ=(0)01111F=(CA)FC=(0)FZ=(0)算数运算1000XF=(65)FC=(0)FZ=(0)1001XF=(0C)FC=(1)FZ=(0)1010(FC=0)XF=(0D)FC=(1)FZ=(0)1011XF=(BE)FC=(1)FZ=(0)1100XF=(64)FC=(0)FZ=(0)1101XF=(66)FC=(0)FZ=(0)1110X1111X计算机与信息工程学院实验报告·5·七、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，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；ｂ．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，一般不应再列出图和表格。讨论是对思考题的回答，对异常现象或数据的解释，对实验方法及装置提出改进建议。通常分条进行讨论，说明也比较简单，如影响实验的根本因素是什么？提高与扩大实验结果的途径是什么？实验中发现了哪些规律？实验中观察到哪些现象？将实验结果与理论结果相对照，解释它们之间存在的差异，测量的误差分析。如果认为没有必要讨论，那么也可以不写。对整个实验的数据、波形、实验现象用所学的知识进行分析讨论，并加以总结。