运算器组成实验

第二节运算器组成实验一、实验目的（1）掌握算术逻辑运算加、减、乘、与的工作原理。（2）熟悉简单运算器的数据传送通路。（3）验证实验台运算器的8位加、减、与、直通功能。（4）验证实验台的4位乘4位功能。（5）按给定数据，完成几种指定的算术和逻辑运算。二、实验电路图6示出了本实验所用的运算器数据通路图。ALU由1片ispLSI1024构成。四片４位的二选一输入寄存器74HC298构成两个操作数寄存器DR1和DR2，保存参与运算的数据。DR1接ALU的B数据输入端口，DR2接ALU的A数据输入端口，ALU的输出在ispLSI1024内通过三态门发送到数据总线DBUS7—DBUS0上，进位信号C保存在ispLSI1024内的一个Ｄ寄存器中。当实验台下部的IR/DBUS开关拨到DBUS位置时，8个红色发光二极管指示灯接在数据总线DBUS上，可显示运算结果或输入数据。另有一个指示灯C显示运算器进位信号状态。由ispLSI1024构成的8位运算器的运算类型由选择端S2、S1、S0选择，功能如表3所示：表3运算器运算类型选择表选择操作S2S1S0000A&B001A&A（直通）010A+B011A-B100A(低4位)XB(低4位)进位C只在加法运算和减法运算时产生，与、乘、直通操作不影响进位C的状态，即进位C保持不变。减法运算采用加减数的反码再加以1实现。在加法运算中，C代表进位；在减法运算中，C代表借位。运算产生的进位在T4的上升沿送入ispLSI1024内的C寄存器保存。在SW_BUS#信号为0时,参与运算的数据通过一个三态门74HC244（SW_BUS）送到DBUS总线上，进而送至DR1或DR2操作数寄存器。输入数据可由实验台上的8个二进制数据开关SW0—SW7来设置，其中SW0是最低位，SW7是最高位。开关向上时为1，开关向下时为0。图中尾巴上带粗短线标记的信号都是控制信号，控制信号均为电位信号。T3、T4是脉冲信号，印制板上已连接到实验台的时序电路产生的T3、T4信号上。S2、S1、S0、ALU_BUS、LD_DR2、LDDR1、M1、M2、SW_BUS#各电位控制信号用电平开关K0—K15来模拟。K0—K15是一组用于模拟各控制电平信号的开关，开关向上时为1，开关向下时为0，每个开关无固定用途，可根据实验具体情况选用。S2、S1、S0、ALU_BUS、LDDR2、LDDR1为高电平有效，SW_BUS#为低电平有效。M1=1时，DR1选择D1—A1作为数据输入端；M1=0时，DR1选择D0—A0作为数据输入端。当LDDR1=1时，在T3的下降沿，选中的数据被打入DR1寄存器。M2=1时，DR2选择D1—A1作为数据输入端；M2=0时，DR2选择D0—A0作为数据输入端。当LD_DR2=1时，在T3的下降沿，选中的数据被打入DR2寄存器。B7B6B5B4B3B2B1B0A7A6A4A5A3A2A1A0CLKS0S1S2OECS2S1S0CT4ALU_BUSD0D1D2D3D4D5D6D7ALUB0C0D0A1B1C1D174HC298A0B0A1C1D174HC298A0C0D0B174HC29874HC298B0A1C1D1A0C0D0B1B0A1C1D1A0C0D0B1DR1HDR1LDR2HDR2L。。T3LDDR1LDDR2T3SM2SM18个指示灯SW_BUS74HC244SW7SW6SW5SW4SW3SW2SW1SW0。SW_BUS#........................图6运算器数据通路实验电路图3数据总线DBUS有5个数据来源：运算器ALU，寄存器堆RF，控制台开关SW0—SW7，双端口存储器IDT7132和中断地址寄存器IAR。在任何时刻，都不允许2个或者2个以上的数据源同时向数据总线DBUS输送数据,只允许1个(或者没有)数据源向数据总线DBUS输送数据。在本实验中，为了保证数据的正确设置和观察，请令RS_BUS#=1,LRW=0,IAR_BUS#=1。为了在实验中，每次只产生一组T1、T2、T3、T4脉冲，需将实验台上的DP、DB、DZ开关进行正确设置。将DP开关置1，将DB、DZ开关置0，每按一次QD按钮，则顺序产生T1、T2、T3、T4各一个单脉冲。本实验中采用单脉冲输出。三、实验设备（1）TEC－４计算机组成原理实验系统1台（2）双踪示波器一台（3）直流万用表一只（4）逻辑测试笔一支四、实验任务（1）按图6所示，正确连接运算器模块与实验台上的电平开关K0—K15。由于运算器的C和C指示灯、８位数据开关SW0—SW7、T3、T4的连线已由印制电路板连好，故接线任务仅仅是完成有关控制信号与电平开关K0—K15的连线。正确设置开关DZ、DB、DP。用数据开关SW0—SW7向DR1和DR2寄存器置数。1．置ALU_BUS=0，关闭ALU向数据总线DBUS的输出；置SW_BUS#=0，开启数据开关SW0—SW7向数据总线DBUS的输出。注意，对于数据总线DBUS（或者其他任何总线）,在任一时刻，只能有一个数据源向它输出。置IR/DBUS开关于DBUS位置，在数据开关SW0—SW7上设置各种数据，观察数据指示灯状态是否与数据开关状态一致。2．置M1=1，选择DBUS作为DR1的数据源；置LDDR1=1，按QD按钮，则将DBUS的数据打入DR1。置M2=1，选择DBUS作为DR2的数据源；置LDDR2=1，按QD按钮，则将DBUS的数据打入DR2。向DR1存入０１０１０１０１，向DR2存入１０１０１０１０。3．置SW_BUS#=1，关闭数据开关SW0—SW7对数据总线DBUS的输出；置ALU_BUS=1，开启ALU对DBUS的输出。选择S2=0、S1=0、S1=1，使运算器进行直通运算，通过DBUS指示灯验证DR2中的内容是否为第２步设置的值。令S2=0、S1=1、S0=0，使运算器进行加运算，通过DBUS指示灯验证DR1中的内容是否为第２步设置的值。在表4中填入控制信号状态与DBUS显示状态。表4DR1、DR2设置值检查ALU_BUSSW_BUS#寄存器内容S2S1S0DBUSDR1(01010101)、DR2（）DR1(01010101)、DR2（）（2）验证运算器的算术运算和逻辑运算功能。1．令DR1=01100011B，DR2=B，正确选择S2、S1、S0，依次进行加、减、与、直通，乘实验，记下实验结果（数据和进位）并对结果进行分析。2．令DR1=B，DR2=01100011B，正确选择S2、S1、S0，依次进行加、减、与、直通，乘实验，记下实验结果（数据和进位）并对结果进行分析。43．令DR1=01100011B，DR2=01100011B，正确选择S2、S1、S0，依次进行加、减、与、直通，乘实验，记下实验结果（数据和进位）并对结果进行分析。4．令DR1=01001100B，DR2=B，正确选择S2、S1、S0，依次进行加、减、与、直通，乘实验，记下实验结果（数据和进位）并对结果进行分析。5．令DR1=B，DR2=B，正确选择S2、S1、S0，依次进行加、减、与、直通，乘实验，记下实验结果（数据和进位）并对结果进行分析。（3）M1、M2控制信号的作用是什么？改变M1、M2的高低电平，重复第（2）步，观察出现什么问题？五、实验步骤和实验结果分析：本实验主要实现，从总线输入数据，用运算器进行简单的运算。首先把数据手动输入到数据总线，然后分别存在DR1和DR2上，将数据送入运算器ALU中进行运算，最后将运算结果输出到数据总线上。下面是具体步骤：1．接线将IAR_BUS#接VCC，RS_BUS#接VCC，LRW接GND，IAR_BUS#和RS_BUS#都是低有效，因此接高电平，LRW接低电平，做端口进行写操作。这样可以禁止中断地址寄存器IAR、寄存器堆RF、双端口存储器向数据总线DBUS送数。SW_BUS#接K0，ALU_BUS接K1，S0接K2，S1接K3，S2接K4，LDDR1接K5，LDDR2接K6，M1接VCC，M2接VCC。（M1和M2为低时，运算操作数寄存器接受来自数据总线的数据）2．置开关DB=0，DZ=0，DP=1，使实验系统处于单拍状态。3．合上实验台电源。按复位按钮CLR#，使实验系统处于初始状态。4．置K0（SW_BUS#）=0，K1（ALU_BUS）=0。置开关SW7—SW0为00000001B。将开关IR/DBUS拨到DBUS位置，红色数据指示灯应显示00000001B。它指示的是数据总线DBUS的值。（SW_BUS#是低有效，因此置0，使开关SW7—SW0上的数据输入到数据总线上。ALU_BUS是高有效，置0，关闭运算器向数据总线输送数据）5．置K5(LDDR1)=1，K6(LDDR2)=0。按一次QD按钮，将00000001B置入DR1。(LDDR1为1，DR1接收总线数据)6．置K5(LDDR1)=0，K6(LDDR2)=1。将数据开关SW7—SW0置为00000010B，红色数据指示灯应显示00000010B。按一次QD按钮，将00000010B置入DR2。(LDDR2为1，DR2接收总线数据)7．置K0(SW_BUS#)=1，关闭数据开关SW0—SW7对数据总线DBUS的输出；置K1(ALU_BUS)=1，开启ALU对DBUS的输出。置K2(S0)=1、K3(S1)=0、K4(S2)=0，使运算器进行直通运算。红色数据指示灯应显示00000010B。这表示DR2置数正确（在实验指导书上写的是，进行直通运算，结果为A&A，其实结果应为B&B）。置K2(S0)=0、K3(S1)=1、K4(S2)=0，使运算器进行加运算，红色数据指示灯应显示00000011B。(2)以上是实验内容（1）的实验步骤和实验结果，对于实验内容（2），可仿照办理。欲察看C的值，需按一次QD按钮。实验内容（2）的实验结果如下：1．令DR1=B，DR2=B，加的结果是00000000B，C=1；减的结果是00000001B，C=0；与的结果是B，C不变；直通的结果是B，C不变；乘的结果是00000000B，C不变。2．令DR1=B，DR2=01100011B，加的结果是00010111B，C=1；减的结果是B，C=1；与的结果是00100000B，C不变；直通的结果是01100011B，C不变；乘的结果是00001100B，C不变。53．令DR1=01100011B，DR2=01100011B，加的结果是B，C=0；减的结果是00000000B，C=0；与的结果是01100011B，C不变；直通的结果是01100011B，C不变；乘的结果是00001001B，C不变。4．令DR1=01001100，DR2=，加的结果是B，C=0；减的结果是01100111B，C=0；与的结果是00000000B，C不变；直通的结果是B，C不变；乘的结果是00100100B，C不变。5．令DR1=B，DR2=B，加的结果是B，C=1；减的结果是00000000B，C不变；与的结果是B，C不变；直通的结果是B，C不变；乘的结果是B，C不变。经过验证，以上结果经过验证都正确。(3)M1用于选择DR1的数据输入源。M1=1时，DR1选择D1—A1作为数据输入端，即从数据总线上输入数据；M1=0时，DR1选择D0—A0作为数据输入端，即从寄存器中输入数据。M2用于选择DR2的数据输入源。M2=1时，DR2选择D1—A1作为数据输入端，即从数据总线上输入数据；M2=0时，DR2选择D0—A0作为数据输入端，即从寄存器中输入数据。在做实验内容（2）时，如果将M1或者M2由接VCC改为接GND，则DR1或者DR2选择寄存器堆作为数据输入源。由于没有给寄存器堆中的寄存器置数，既不知道是哪个寄存器，也不知道寄存器里面的值，因此结果将是无法预知的。