计算机组成与系统结构实验报告1Word文件下载.docx
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1、了解运算器的组成结构。
2、掌握运算器的工作原理。
3、掌握静态随机存储器RAM工作特性及数据的读写方法。
二、实验内容：
1、基本运算器实验。
2、静态随机存储器实验。
三、项目要求及分析：
1、基本运算器实验：
要求：
验证和实现运算器的数据运算功能。
这些运算除了常规的加、减、乘、除等基本的算术运算之外,还包括能进行“逻辑判断”的逻辑处理能力,即“与”、“或”、“非”这样的基本逻辑运算以及数据的比较、移位等操作。
分析：
（1）运算器原理图如下图所示
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，各部件对操作数进行何种运算由控制信号S3…S0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。
如果是算术运算，还将置进位标志FC，在运算结果输出前，置ALU零标志。
（2）ALU和外围电路的连接如下图所示：
（图中的小方框代表排针座）
（3）运算器的逻辑功能表如表所示：
运算类型
S3S2S1S0
功能
逻辑运算
0000
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逻辑右移B（取低3位）位（FZ）
0110
F=A逻辑左移B（取低3位）位（FZ）
0111
F=A算术右移B（取低3位）位（FZ）
1000
F=A循环右移B（取低3位）位（FZ）
算术运算
1001
F=A加B（FC，FZ）
1010
F=A加B加Cn（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
2、静态随机存储器实验：
实现静态随机存储器的读写操作，通过软件中的数据通路图来观测实验结果。
（1）实验原理图如下图所示：
存储器数据线接至数据总线，数据总线上接有8个LED灯显示D7…D0的内容。
地址线接至地址总线，地址总线上接有8个LED灯显示A7…A0的内容，地址由地址锁存器（74LS273，位于PC&
AR单元）给出。
数据开关（位于IN单元）经一个三态门（74LS245）连至数据总线，分时给出地址和数据。
地址寄存器为8位，接入6116的地址A7…A0，6116的高三位地址A10…A8接地，所以其实际容量为256字节。
（2）实验中的读写控制逻辑如下图所示：
1
X
不选择
读
写
IOM用来选择是对I/O还是对MEM进行读写操作，RD=1时为读，WR=1时为写。
四、具体实现：
1、基本运算器实验:
（1）按下图连接实验电路，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）。
（2）将时序单元的状态开关置为‘单步’档,MEM单元的编程开关置为‘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，按动时序单元的TS按钮，产生一个T2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，按动时序单元的TS按钮，产生一个T2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。
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，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，如下图所示。
进行上面的手动操作，每按动一次TS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】—【单周期】”，其作用相当于将时序单元的状态开关置为‘单步’档后按动了一次TS按钮，数据通路图也会反映当前运算器所做的操作。
2、静态随机存储器实验：
（1）关闭实验系统电源，按下图连接实验电路，并检查无误，图中将用户需要连接的信号用圆圈标明。
（2）将时序单元的状态开关置为‘单步’档（时序单元的介绍见附录二）,MEM单元的编程开关置为‘运行’档。
（3）将CON单元的IOR开关置为1（使IN单元无输出），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。
（4）给存储器的00H、01H、02H、03H、04H地址单元中分别写入数据11H、12H、13H、14H、15H。
由前面的存储器实验原理图可以看出，由于数据和地址由同一个数据开关给出，因此数据和地址要分时写入，先写地址，具体操作步骤为：
先关掉存储器的读写（WR=0，RD=0），然后利用数据开关设定地址，输出地址到数据总线（IOR=0），最后打开地址寄存器门控信号（LDAR=1），按动TS产生T2脉冲，即将地址打入到AR中。
再写数据，具体操作步骤为：
先关掉存储器的读写（WR=0，RD=0）和地址寄存器门控信号（LDAR=0），然后利用数据开关给出要写入的数据，输出数据到数据总线（IOR=0），最后使存储器处于写状态（WR=1，RD=0，IOM=0），按动TS产生T2脉冲，即将数据打入到存储器中。
写存储器的流程如下图所示（以向00地址单元写入11H为例）：
（5）依次读出第00、01、02、03、04号单元中的内容，观察上述各单元中的内容是否与前面写入的一致。
同写操作类似，也要先给出地址，然后进行读，地址的给出和前面一样，而在进行读操作时，应先关闭IN单元的输出（IOR=1），然后使存储器处于读状态（WR=0，RD=1，IOM=0），此时数据总线上的数即为从存储器当前地址中读出的数据内容。
读存储器的流程如下图所示（以从00地址单元读出11H为例）：
（6）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，方法是：
打开软件，选择联机软件的“【实验】—【存储器实验】”，打开存储器实验的数据通路图，如下图所示。
进行上面的手动操作，每按动一次TS按钮，数据通路图会有数据的流动，反映当前存储器所做的操作（即使是对存储器进行读，也应按动一次TS按钮，数据通路图才会有数据流动），或在软件中选择“【调试】—【单周期】”，其作用相当于将时序单元的状态开关置为‘单步’档后按动了一次TS按钮，数据通路图也会反映当前存储器所做的操作。
3、用Verilog语言在Modelsim上实现：
源代码：
modulelogic_operation
#（parameterISA_WIDTH=4,DATA_WIDTH=8）（
inputsys_clock,
inputsys_reset,
input[ISA_WIDTH-1:
0]control,
input[DATA_WIDTH-1:
0]data_a,
0]data_b,
outputreg[DATA_WIDTH-1:
0]result
）;
integeri;
always@（posedgesys_clockorposedgesys_reset）begin
if（sys_reset==1'
b0）begin
result<
=4'
b0;
end
elsebegin
case（control）
4'
b0000:
begin
for（i=0;
i<
DATA_WIDTH;
i=i+1）
result[i]=data_a[i];
b0001:
result[i]=data_b[i];
b0010:
result[i]=data_a[i]&
data_b[i];
b0011:
result[i]=data_a[i]|data_b[i];
b0100:
result[i]=~data_a[i];
default:
;
endcase
end
endmodule
五、调试运行结果：
实验结果以表格方式呈现：
六、思考题的解答与分析：
（1）利用上述运算器能否实现大于8位二进制数的算术运算？
如果能，需要采取什么样的措施？
答：
可以利用上述运算器实现大于8位的二进制算数运算，前提是，将上述两个寄存器连接起来实现一个16位的寄存器，输入与输出都可以利用这个寄存器。
（2）给出一组数据，验证桶形移位器的功能。
答：
设计了一个8位桶形移位器，能左右进行循环移位，移位的数量
可以在0~7进行变化。
以下是源代码，3位选择移位数，还有一位是方向选择：
moduleshifter1（IN,S,d,out）;
input[7:
0]IN;
input[2:
0]S;
inputd;
output[7:
0]out;
reg[7:
always@（INorSord）
begin
if（~d）
case（S）
3'
b000:
out<
=
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