武汉理工组成原理实验报告文档格式.doc
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学期
实验课程名称：
_计算机组成原理
实验项目名称
运算器
实验成绩
实验者
专业班级
组别
同组者
实验日期
2015年5月30日
第一部分：
实验预习报告（包括实验目的、意义，实验基本原理与方法，主要仪器设备及耗材，实验方案与技术路线等）
1.实验目的
（1）了解运算器的组成结构。
（2）掌握运算器的工作原理。
2.实验设备
PC机一台，TD-CMA实验系统一套。
3.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，ARM）各部件对操作数进行何种运算由控制信号S3…S0如，
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。
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。
由时序单元的TS4提供T4（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。
图1-1-2交叉开关桶形移位器原理图
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。
图1-1-3A0显示原理图
ALU和外围电路的连接如图1-1-4所示，图中的小方框代表排针座。
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。
图1-1-4ALU和外围电路连接原理图
表1-1-1运算器逻辑功能表
运算类型
S3S2S1S0
CN
功能
逻辑运算
0000
X
F=A（直通）
0001
F=B（直通）
0010
F=AB（FZ）
0011
F=A+B（FZ）
0100
F=/A（FZ）
移位运算
0101
F=A不带进位循环右移B（取低3位）位（FZ）
0110
F=A逻辑右移一位（FZ）
1
F=A带进位循环右移一位（FC，FZ）
0111
F=A逻辑左移一位（FZ）
F=A带进位循环左移一位（FC，FZ）
算术运算
1000
置FC=CN（FC）
1001
F=A加B（FC，FZ）
1010
F=A加B加FC（FC，FZ）
1011
F=A减B（FC，FZ）
1100
F=A减1（FC，FZ）
1101
F=A加1（FC，FZ）
1110
（保留）
1111
*表中“X”为任意态，下同
第二部分：
实验过程记录（可加页）（包括实验原始数据记录，实验现象记录，实验过程发现的问题等）
1.实验步骤：
（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）。
图1-1-5实验接线图
（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。
ALU_B=0、置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。
如果实验箱和PC联机操作，则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果（软件使用说明请看附录一），方法是：
打开软件，选择联机软件的“【实验】—【运算器实验】，打开运算器”实验的数据通路图，如图1-1-6所示。
进行上面的手动操作，每按动一次ST按钮，数据通路图会有数据的流动，反映当前运算器所做的操作，或在软件中选择“【调试】—【单节拍】”，其作用相当于将时序单元的状态开关KK2置为‘单拍’档后按动了一次ST按钮，数据通路图也会反映当前运算器所做的操作。
重复上述操作，并完成表1-1-2。
然后改变A、B的值，验证FC、FZ的锁存功能。
图1-1-6数据通路图
2.实验结果
A
B
理论结果
实验结果
65
A7
F=（65）FC=（0）FZ=（0）
F=（A7）FC=（0）FZ=（0）
F=（25）FC=（0）FZ=（0）
F=（D7）FC=（0）FZ=（0）
F=（9A）FC=（0）FZ=（0）
F=（CA）FC=（0）FZ=（0）
F=（CA）FC=（0）FZ=（0）
F=（32）FC=（0）FZ=（0）
F=（B2）FC=
（1）FZ=（0）
F=（0C）FC=
（1）FZ=（0）
F=（0D）FC=
（1）FZ=（0）
F=（BE）FC=
（1）FZ=（0）
F=（64）FC=（0）FZ=（0）
F=（66）FC=（0）FZ=（0）
第三部分结果与讨论（可加页）
一、实验结果分析（包括数据处理、实验现象分析、影响因素讨论、综合分析和结论等）
1、数据处理：
实验结果与理论结果相同，实验正确。
2、实验现象分析：
输入A、B后，通过改变S3S2S1S0和CN的值进行不同的运算，通过观察输出的结果与理论结果进行比较得出结论。
3、影响因素讨论：
影响因素有接线是否正确，进制转换是否正确，读数是否正确。
二、小结、建议及体会
本次实验是计算机组成原理的第一次实验，实验内容是完成一个运算器的各种操作。
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