华中科技大学组原第一次实验报告运算器Word格式.docx
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1实验名称3
2实验目的3
3实验设备3
4实验任务3
5实验设计方案、电路实现与电路分析4
5.1基本芯片介绍4
5.2设计方案4
5.3电路实现与分析6
6实验结果与分析10
6.1基本运算的实现10
6.2加法器实现减法运算11
6.3溢出检测11
7实验中碰到的问题及解决办法13
8收获与体会13
9思考题14
10参考书目14
1实验名称
实验名称：
运算器组成实验
2实验目的
1、熟悉算术逻辑运算单元74LS181的逻辑功能与基本使用方法
2、掌握有符号数和无符号数的溢出检测原理及实现方法
3、通过实验理解有符号数和无符号数运算的区别
4、理解基于补码的加/减运算实现原理
5、熟悉运算器的数据传输通路
6、锻炼动手能力，和分析解决实际问题的能力
3实验设备
JZYL—Ⅱ型计算机组成原理实验仪一台
芯片：
1：
用作运算器和暂存器部件（第5部分会有相应分析）
74LS181运算器芯片2片
74LS3738D锁存器3片
2：
用作溢出检测部件（第5部分会有相应分析）
74LS04六输入反门1片
74LS86二输入四异或门1片
74LS10三输入三与非门1片
74LS32二输入四或门1片
74LS08二输入四与门1片
4实验任务
自己设计一个电路和利用实验参考电路进行实验，实验要求先将多个运算数据事先存入存储器中，再由地址选中，选择不同的运算指令，进行运算，并将结果显示，还可以进行连续运算和移位，最后将最终结果写入到存储器中。
并且能对输出的结果进行溢出检测。
图1.实验前预习给出的电路图
5实验设计方案、电路实现与电路分析
5.1基本芯片介绍
74LS181和74LS373的介绍（功能简介，管脚图，功能表等）详见参考文献：
...\组成实验（给学生）\整理后常用的芯片资料。
5.2设计方案
（1）主要目的：
熟悉算术逻辑运算单元74LS181的逻辑功能和有、无符号数的溢出检测。
（2）基本思路：
根据实验的主要目的及老师的相关要求，我们知道在实现只有八位数据位输入的情况下要能在181中实现两个八位数据位的相关运算，还要外加电路做溢出检测，所以需要用到两个181芯片作为基本运算部件，还有锁存器部件和溢出检测部件。
设计方案的基本思路如下：
用2片181实现基本运算功能；
将181的输出值存入锁存器部件中，锁存器还要实现累加的功能；
再外加溢出检测电路实现溢出检测功能。
（3）电路各部件架构：
A基本运算部件：
用两片74LS181串行连接实现数据的基本运算（这两片181的输入为两个8位二进制数，输出为一个8位二进制数）；
B锁存器部件：
对于锁存器的选择，我们用74LS373。
因为较其他锁存器而言，373用在本实验中位数兼容（都是八位）；
操作简单（只有LE和OE两个控制端）；
基本状态符合本实验对锁存器的要求（有直传，锁存，高阻三种基本状态）；
故综合考虑选用373作为本实验的锁存器部件。
基本连接如下：
将1片373的输入连到2片181的输出A（有8位）上，这片373的高四位和低四位的值再分别存入两片373中，并通过这2片373的输出端输入到181中再次参与运算，实现累加/减功能；
C溢出检测部件：
无符号：
我们注意到181中有一位输出端是进/借位的反：
，所以我们可以利用这一个输出端求反后就可判断无符号的加/减法是否溢出；
有符号：
有符号加法的溢出检测，利用书上的公式
；
当是有符号减法的时候，不能直接用上面的公式，如对于有符号数减法运算x-y，是要将[y]补的最高位求反后带入式中参与运算而不是将[-y]补的最高位代入式中。
因此我们设计一个求补的控制信号P，P与输入的加数/减数的最高位Y异或后作为上式的Yf，P置为高电平是做有符号减法溢出检测，P置为低电平是做有符号数加法溢出检测。
即有符号数的加/减法的溢出检测公式：
。
再连接一个二路选择器选择有无符号的溢出检测。
（4）电路基本结构图示
图2.电路基本结构图
5.3电路实现与分析
（1）基本运算部件：
由2片181组成。
这两片181分别接入了两个数据的低4位和高4位的输入信号（不妨将接低位的181芯片称为1号181，接高位的181芯片称为2号181，以下均同）。
具体实现如下：
1号181的
、
分别连接两个数据低4位的输入信号，2号181的
连接这两个数据高4位的输入信号；
1号181的
连到连接2号181的
接在加减选择开关上（开关打至1进行减法运算，否则进行加法运算）；
两片181相应的M端，
端两两连接并接到开关上作为运算控制端，共4个开关；
两片181的输出
分别依次接到373的输入端D。
图3.74LS181在实验中的电路连接
（2）锁存器部件：
将1片373的输入连到2片181的输出上（不妨将这片373称为1号373，以下均同）；
1号373的低四位和高四位的值再分别存入两片373中（将存放低位值的373称为2号373，将存放高位值的373称为3号373，以下均同），并通过这2片373的输出端输入到181中再次参与运算，具体实现如下：
1号373的
接到1号181的
，
接到2号181的
连接指示灯，OE和LE端作为控制端分别连接开关；
2号373的
接到1号373的
，3号373的
，2号373的
，将两个373相应的OE和LE端两两连接并接到开关上作为控制端，此处有两个开关。
图4.74LS373中的电路连接
（3）溢出检测部件：
由5.2设计方案的分析，溢出检测部件需要用到74LS04六输入反门，74LS86二输入四异或门，74LS10三输入三与非门，74LS32二输入四或门，74LS08二输入四与门。
无符号运算直接将2号181芯片的进/借位
经过反门后连接到二路选择器上；
有符号运算则需要修正后的公式
，即
（
均来自2号181，P接开关作为有符号数的加/减法溢出检测选择端），依式子连接电路之后再将结果送入二路选择器中。
此处的二路选择器是将与门和或门的组合来达到二路选择器的效果，其原理公式为
为无符号数溢出检测信号，
为有符号数溢出检测信号，C接开关作为有/无符号数溢出检测信号选择端，当C拨到0时，选择无符号数检测信号，当C拨到1时，选择有符号数检测信号）。
图5.溢出检测部分的电路逻辑图示
图6.溢出检测部分的电路连接
图7..总电路图
说明：
本电路图由三部分构成，分别是基本运算部件，锁存器部件和溢出检测部件，可实现算术逻辑运算单元74LS181的逻辑功能和有、无符号数的溢出检测。
6实验结果与分析
6.1基本运算的实现
（1）直传10到AC。
其操作过程是：
先将数据开关拨为10，再设置好181的一个适当的运算方式，然后存入暂存器，最后存入AC：
检测记录表
S3S2S1S0
数据A
数据B
运算结果
M
1010
----------
00001010
1
------
该记录表明：
锁存器以及逻辑运算结果正确。
（2）直传5到送AC。
先将数据开关拨为5，再存入暂存器，最后存入AC，会看到AC的内容由10直接变成5：
00000101
（3）AC算术加1100，得结果00010001，送回AC：
1001
00001100
00010001
算数运算结果正确。
（4）用181的求反功能将AC求反，得结果11101110，送回AC：
0000
---------
11101110
逻辑运算结果正确。
（5）AC算术减01001111，得结果10011111，送回AC：
0110
01001111
10011111
6.2加法器实现减法运算
关于加法实现，由于电路没有设置求补器，故此处手动求补。
送00110111到AC，实现AC减00010101，得结果00100010：
--------
00110111
1001（算数加）
11101011
00100010
此处运算结果是正确的，溢出检测也是如此。
6.3溢出检测
（1）加法的检测：
①送10100110到AC，送10110101到数据开关，将181置为算术加，得结果01011011，可以观察到无符号数运算时有溢出，补码运算时也有溢出；
②送01010110到AC，送01100010到数据开关，得结果10111000，可以观察到无符号数运算时无溢出，补码运算时有溢出；
③送10110001到AC，送01101010到数据开关，得结果00011011，可以观察到无符号数运算时有溢出，补码运算时无溢出；
④送01001001到AC，送00100100到数据开关，得结果01101101，可以观察到无符号数运算时无溢出，补码运算时无溢出。
检测记录表
项目
有符号溢出
无符号溢出
①
10100110
---
----
10110101
01011011
②
01100010
10111000
③
01010110
01101010
00011011
④
01001001
00100100
01101101
注：
将有符号数的加/减法溢出检测选择端P一直置为低电平（即选择加法的检测）；
当溢出检测电路是检测有符号数时，将有/无符号数溢出检测信号选择端C置为高电平，而溢出检测电路是检测无符号数时，将有/无符号数溢出检测信号选择端C置为低电平。
除了第一次无符号溢出检测失败，有符号溢出检测成功以外，其余三次均是无符号溢出检测成功，有符号溢出检测成功。
达到预期效果。
（2）减法的检测
由于无符号数的减法不会产生溢出，故此处只讨论有符号数的减法的溢出。
①送01011011到AC，送10010011到数据开关，得结果11001000，可以观察到补码运算时有溢出；
②送01001001到AC，送00100100到数据开关，得结果00100101，可以观察到补码运算时无溢出。
0110（算数减）
10010011
11001000
00100101
将有符号数的加/减法溢出检测选择端P一直置为高电平（即选择减法的检测）；
将有/无符号数溢出检测信号选择端C一直置为高电平（即选择有符号的检测）。
无符号溢出检测成功，有符号溢出检测成功。
7实验中碰到的问题及解决办法
由于本次实验是组成原理的第一次实验，所以遇到了很多的问题。
具体如下：
1.无符号数溢出检测的原理：
我们最开始选取的《计算机组成原理》上67页的有符号数的溢出检测公式：
但我们注意到此公式只适用于加法。
于是我们就开始推算有符号数减法的溢出检测公式，但都不宜实现。
受此页书图3.1的启发，我们设计了一个对减数的最高位
与加/减法检测选择端P的异或电路，与原电路整合后即得
，这样通过加/减法溢出选择选择端就可以直接对两种计算进行检测，无需针对加法和减法各自设计一个检测电路；
2.二路选择器的实现：
在设计溢出检测电路的最后，要用到二路选择器。
但是当时找不到二路选择器。
我们注意到只需要再增加一个74LS08二输入四与门，并使用公式
就可以实现与二路选择器一样的功能，C接开关作为有/无符号数溢出检测信号选择端；
3.实验前的预习和准备工作不够，并且对试验台的了解不够，因此在展开实验的前期，对试验台和181，373芯片的连接和使用耗费了一段时间；
4.无符号的溢出检测出现了问题，检测结果时而对时而错。
我们在对电路测试，检查了多次以后仍然如此，最后没有能解决这个问题，留下了一个很大的遗憾。
8收获与体会
1.这次试验虽然说是第一次实验，但是老师给了我们充分的时间去做准备，而我们的预习工作还没有做到位，以至于试验中浪费了一定时间，下次应该做好充分的准备；
2.我们的电路是按照几大部件的顺序来连接的，在每一个模块完成以后我们都对电路进行了简单的检测，这是一个好的方法，下次一定要保持好模块设计的思路；
在具体连接电路时，我们注意到每一个芯片插座总是少了两个引脚，后来才发现是少了Vcc和GND端，对此连接芯片时也要做相应的调整；
3.其实2号和3号373芯片的功能只用一个373就可以完全实现，只是老师给的基本电路是如此，所以我们没怎么考虑就一起用了三片373，以后应该在保证功能的前提下尽量简化电路；
4.有一次检测溢出检测电路时，结果总是不对，我们后来请来了实验室老师帮我们检查，才发现是一根导线坏了，当时我们是每一根导线都检查过了才用在电路上，可能是由于没有认真检查的原因，下一次对于细小的地方我们也应该认真对待。
总结：
本次实验有很多收获，也有很多不足。
不足之处总结来说，就是对电路的整体把握不够，对细节不够认真，还不会静下心来认真思考问题所在。
有了不足，我们才知道自己错在哪儿，反思自己的不足，我们才能更好地在实验中积累经验。
通过这一次的实验，我学会了很多，吸取了很多经验教训。
在下一次的实验之前一定做好充分的准备，为实验的成功奠定坚实的基础！
9思考题
问：
为什么要在电路中增加溢出检测部分？
答：
因为溢出检测部分是作为181和373组成的基本运算部件的必要补充部分，有了这个部分，从小的方面来看，可以检查出基本运算部件的每一次有/无符号数的加/减法运算结果是否正确；
从大的方面来看，提高了整个电路的健全性和适用范围。
10参考书目
《计算机组成原理》秦磊华吴非莫正坤编著
《计算机组成原理实验及课程设计》秦磊华王小兰编著
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