掌握运算器的组成及工作原理.docx

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掌握运算器的组成及工作原理

实验一　运算器实验

一、实验目得:

1。

　掌握运算器得组成及工作原理;

2.了解4位函数发生器74ＬS１８1得组合功能,熟悉运算器执行算术操作与逻辑操作得具体实现过程；

3.验证带进位控制得74LＳ181得功能。

二、预习要求：

1复习本次实验所用得各种数字集成电路得性能及工作原理；

２　预习实验步骤,了解实验中要求得注意之处。

三、实验设备:

　　EＬ—ＪY-II型计算机组成原理实验系统一套,排线若干.

四、电路组成:

B0

Ｂ7

　　　本模块由算术逻辑单元AＬＵ7４LS181（U29、U3０）、暂存器７4LＳ273（U２7、Ｕ２８）、三态门7４LS24４（Ｕ3１）与进位控制电路GＡL芯片（U３2）等组成。

电路图见图1—1（ａ）、1-１（b）.

图1－1（a）ALU电路

　　　　　　　　　　　　图１－1（b）GＡL芯片进位控制电路

算术逻辑单元ＡLU就是由两片74LＳ1８1构成。

７4LS181得功能控制条件由S3、S2、S1、S0、M、Ｃn决定。

高电平工作方式7４LＳ１8１得功能、管脚分配与引出端功能符号详见表1—1、图1-2与表1－２。

两片７4ＬＳ2７3构成两个八位数据暂存器,运算器得输出采用三态门74LS２4４。

它们得管脚分配与引出端功能符号详见图1-３与图1—4。

图１—2　7４LS１81管脚分配　　　　　表1-２７４LS181输出端功能符号

7４ＬＳ18１功能表见表1—1,其中符号“+”表示逻辑“或”运算，符号“＊”表示逻辑“与"运算，符号“/"表示逻辑“非"运算，符号“加”表示算术加运算，符号“减”表示算术减运算。

　　选择

M=1　

逻辑操作　

　　Ｍ＝0　算术操作

S3Ｓ2S１Ｓ0

Ｃｎ=1（无进位）

Cn=0（有进位）

０0　　０　0

Ｆ=/A

F=A

F=A加1

00　01

F=/（A＋Ｂ）

F=Ａ＋Ｂ

F=（A+Ｂ）加1

０0　1　0

F=/A*Ｂ

F=Ａ+/B

F=（A+／Ｂ）加1

00　1　　1

F=０

F=减１（2得补）

F=0

０1　00

F=/（A＊B）

F=Ａ加A＊/Ｂ

F=A加A*/B加１

0　1　　0　1

F=/Ｂ

F=（Ａ+Ｂ）加A＊/B

F=（A+B）　加A＊/B加1

０　１1　　　０

F=（/A＊B+A*/Ｂ）

F=A减B减1

F＝A减B

０　11　1

Ｆ=A＊/B

Ｆ=Ａ*／Ｂ减1

F=Ａ*／B

1　０00

F=/A＋B

F=A加A＊B

F＝A加A　＊Ｂ加1

10　0　1

F=/（／A＊B＋Ａ*／Ｂ）

F=A加B

Ｆ=A加B加1

1　01　0

F=B

F＝（A+/Ｂ）加A*B

F=（Ａ＋/B）加A*Ｂ加１

1　01　1

F=A＊B

F=A*B减１

F=Ａ＊Ｂ　

1　　1０　0

F=1

F=A加A

F=A加Ａ　加1

1　　10　　　１

F＝A＋/B

F=（Ａ＋B）加A

F=（A+Ｂ）加A加1

111　0

F＝A+B

F=（A+/Ｂ）加A

F=（A+/B）加A加1

1　11１

F=A

F=A减1

F=A

表1—1　７4LＳ181功能表　

　　图１-3（a）７4ＬS273管脚分配　　图１－3（b）74LS２73功能表

图1—４（ａ）７４LS2４4管脚分配　　　　图1-４（b）74LS244功能

五、工作原理:

　运算器得结构框图见图1—5:

算术逻辑单元ALU就是运算器得核心。

集成电路７４LＳ181就是４位运算器,两片74LＳ1８1以并／串形式构成８位运算器.它可以对两个八位二进制数进行多种算术或逻辑运算,７4LS1８１有高电平与低电平两种工作方式，高电平方式采用原码输入输出,低电平方式采用反码输入输出，这里采用高电平方式.

三态门７４LＳ２4４作为输出缓冲器由ＡLU—G信号控制，ALU-G　为“0”时，三态门开通，此时其输出等于其输入；ＡLU-G　为“1”时，三态门关闭，此时其输出呈高阻.

两片７４LS273作为两个八位数据暂存器，其控制信号分别为LＤR1与LDR２,当LDR1与LDＲ2　为高电平有效时，在T4脉冲得前沿,总线上得数据被送入暂存器保存。

六、实验内容：

验证7４LS１81运算器得逻辑运算功能与算术运算功能。

七、实验步骤:

Ⅰ、单片机键盘操作方式实验

注：

在进行单片机键盘控制实验时，必须把开关Ｋ4置于“ＯＦF”状态,否则系统处于自锁状态,无法进行实验。

1、实验连线（键盘实验）：

实验连线图如图1-6所示。

（连线时应按如下方法：

对于横排座,应使排线插头上得箭头面向自己插在横排座上;对于竖排座,应使排线插头上得箭头面向左边插在竖排座上.）

BD7……BD0

数据总线

C1…、、、C6E5E4F5E3F4

控制总线

　　　　　　　　　　图1—6　　　实验一键盘实验连线图

2。

实验过程：

　　在监控指示灯滚动显示【CLＡSSSＥLECt】时按【实验选择】键，显示【ES-－＿_　】输入01或1,按【确认】键，监控指示灯显示为【EＳ01】,表示准备进入实验一程序，也可按【取消】键来取消上一步操作,重新输入。

再按【确认】键，进入实验一程序,监控指示灯显示【InSt——】,提示输入运算指令，输入两位十六进制数（参考表1－3与表1-1），选择执行哪种运算操作。

按【确认】键,监控指示灯显示【Ｌo=0】，此处Ｌo相当于表1—１中得M，默认为“0”，进行算术运算，也可以输入“1”，进行逻辑运算.按【确认】，显示【Cｎ=０】,默认为“0”,由表1-１可见，此时进行带进位运算,也可输入“１”，不带进位运算（注：

如前面选择为逻辑运算，则Cn不起作用）。

按【确认】，显示【Ar＝１】,不用改变，使用默认值“1”,按【确认】，显示【ＤATＡ】,提示输入第一个数据，输入十六进制数【34Ｈ】,按【确认】，显示【DATA】，提示输入第二个数据,输入十六进制数【B６Ｈ】，按【确认】键,监控指示灯显示【FＩNIＳH】,表示运算结束，可从数据总线显示灯观察运算结果.再按【确认】后监控显示灯显示【ES０１】，可执行下一运算操作.

运算指令（S3S2S１S0）

输入数据（十六进制）

0　0　0　0

0０或０

0　０　0　　1

01或1

00　1　０

02或２

0　　0　　11

03或３

0　10０

０4或４

0　　　10　1

05或5

0１　１　０

06或6

０1　　1　１

０7或7

1　0　0　　　0

0８或8

1　　　00　　1

09或9

1　０　1　0

０A或A

10　1　　1

0B或B

110　　0

0Ｃ或C

1　　1　0　1

0Ｄ或D

1　　1　1　0

0E或E

1１　　１1

0F或F

表1—3运算指令关系对照表

在给定LT1＝34Ｈ、LT2＝Ｂ6H得情况下，改变运算器得功能设置,观察运算器得输出，填入表中,并与理论值进行比较与验证:

ＬT1

LT2

S3S2Ｓ１S０

　　　Ｍ＝0（算术运算）

　M=1（逻辑运算）

Cn＝1（无进位）

Cｎ＝0（有进位）

34H

　B6H

00或0

　　F＝

F=

Ｆ=

01或1

　F＝

　F=

　　F=

0２或２

　F=

F=

　Ｆ＝

０３或３

　　F=

　Ｆ=

　F=

04或4

F=

　Ｆ=

Ｆ=

０5或５

F=

Ｆ＝

　Ｆ=

０６或6

　　F=

　　F＝

Ｆ=

07或7

F=

　F=

　F=

0８或８

　　F=

　　　F＝

　F=

０9或9

　F=

　F=

　F=

０A或Ａ

　F=

　F=

　F=

0B或B

　F=

　　　F=

　　Ｆ=

０C或C

　Ｆ＝

　　F=

　F=

0Ｄ或Ｄ

Ｆ＝

Ｆ=

　　Ｆ=

0E或E

　F=

　Ｆ＝

　　F=

0Ｆ或F

　　　F=

F＝

　F=

Ⅱ、开关控制操作方式实验

注：

为了避免总线冲突,首先将控制开关电路得AＬU－G与C—G拨到输出高电平“1”状态（所对应得指示灯亮.）

本实验中所有控制开关拨动，相应指示灯亮代表高电平“1”,指示灯灭代表低电平“0”.

1.按图1-7接线图接线：

连线时应注意:

为了使连线统一，对于横排座，应使排线插头上得箭头面向自己插在横排座上；对于竖排座，应使排线插头上得箭头面向左边插在竖排座上.

　　　ＡLUJ1　　运算器电路

　S３S２S1Ｓ０MCnＡLU－GAＲ　　LDＲ１　LDR2

读写控制电路

　　　　　　Ｔ4　　

BD７……、BＤ０

数据总线

BＤ7……、BＤ0

DIJ１ＤＩJ-Ｇ　

数据输入电路　

C-GS3S２S1S０MCｎ　AＬU—GARLＤR1　LDR2

　　　　控制开关电路

T＋　　fｉn　　f/8　　

脉冲源及时序电路

图1—7　实验一开关实验接线图　

2、通过数据输入电路得拨开关开关向两个数据暂存器中置数：

注意：

本实验中AＬU-G与C-Ｇ不能同时为0，否则造成总线冲突，损坏芯片！

故每次实验时应时刻保持只有一路与总线相通.

１）置ＡＬU—Ｇ＝1:

关闭AＬU得三态门U3１（74ＬS244）;再置C-G=０：

打开数据输入电路得三态门；

2）向数据暂存器LT1（U2７，74LＳ２73）中置数:

（1）设置数据输入电路得数据开关“D７……D0”为要输入得数值，如“０101０101”；

（2）置LDＲ1＝1：

使数据暂存器LT1（Ｕ27，７４ＬS2７3）得控制信号有效,置　　　　ＬDR２＝0：

使数据暂存器LＴ2（Ｕ28，74LS273）得控制信号无效;

（3）按一下脉冲源及时序电路得【单脉冲】按钮，给暂存器LT1（U２7,7４LS273）送时钟,上升沿有效，把数据存在LT1中.

３）向数据暂存器LＴ２（Ｕ28,74ＬS273）中置数：

（1）设置数据输入电路得数据开关“D７……D0”为想要输入得数值，如“10101０1０”;

（2）置LDR1=0:

数据暂存器LT1得控制信号无效;置LDR2＝1:

使数据暂存器ＬＴ2得控制信号有效。

（３）　按一下脉冲源及时序电路得“单脉冲”按钮,给暂存器LT1（Ｕ27，74LS2７３）送时钟,上升沿有效，把数据存在LT2中.

（4）置ＬＤR1=0、LDＲ2=0，使数据暂存器ＬＴ1、LT２得控制信号无效。

４）检验两个数据暂存器LT１与LT２中得数据就是否正确：

（1）置C-G=1，关闭数据输入电路得三态门，然后再置ALU－G=０，打开ＡLU得三态门　;

（２）置“Ｓ3Ｓ2S1S０M"为“111１１",数据总线显示灯显示数据暂存器ＬＴ1中得数“0101　0101”，表示往暂存器LT1置数正确;

（3）置“S3Ｓ２S1S0Ｍ”为“101０1”，数据总线显示灯显示数据暂存器LT２中得数“1０101010”　,表示往暂存器LＴ2置数正确。

3．验证７4LS181得算术与逻辑功能：

ＬＴ1

LT2

S3S2S1S0

Ｍ＝0（算术运算）

M=1（逻辑运算）

Cn=1（无进位）

Ｃn＝０（有进位）

34H

B6H

000　0

Ｆ＝

F=

Ｆ=

0001

F=

Ｆ＝

F=

0０1　0

F＝

F=

F=

0011

F=

Ｆ=

F＝

０1０0

F＝

F＝

F=

01　01

F=

F=

F=

0１10

F＝

F=

F=

01　11

F=

Ｆ=

F=

1000

F=

F=

Ｆ＝

1０01

F=

F=

F＝

1010

F＝

F=

F=

10１１

F=

Ｆ=

F＝

110０

F＝

F＝

F=

１　１0　１

F=

Ｆ=

Ｆ=

111０

F＝

Ｆ=

F=

1111

F=

F＝

F=

按实验步骤２往两个暂存器LT1与LT2分别存十六进制数“34H"与“B6H”,在给定LT1=３4Ｈ、LＴ2=B6H得情况下,通过改变“S3S２S1Ｓ0MCn”得值来改变运算器得功能设置，通过数据总线指示灯显示来读出运算器得输出值F,填入下表中,参考表1－1得功能表,分析输出F值就是否正确。

４.验证带进位控制得算术运算功能发生器得功能:

1）进位标志CY清零:

进位标志指示灯CY初始状态为灭,表示当前进位为“1”，可按如下步骤对它进行清零操作。

（1）置S3S２Ｓ１　S0M=“　０000０"，AR=0（AR为进位控制信号）;

（2）按一下脉冲源及时序电路得【单脉冲】按钮,进位标志指示灯CY亮,表示当前进位为“0”。

2）验证带进位运算及进位得锁存功能：

（1）首先将控制开关电路得所有开关拨到输出高电平“1”状态，所有对应得指示灯亮。

（２）置ＡＬU—G＝1:

关闭ALU得三态门Ｕ3１（７4ＬＳ2４４）；再置C—Ｇ=０:

打开数据输入电路得三态门；

（3）置数据输入电路得数据开关“Ｄ７……D0”＝“1０００　００００”，置LDＲ1=1，使数据暂存器LT１（U27,７4LS２７3）得控制信号有效，置LDＲ2=0，使数据暂存器LＴ２（Ｕ2８,７4LS273）得控制信号无效，按一下脉冲源及时序电路得【单脉冲】往暂存器ＬT1存入数据“1０００　0０00”。

（4）置数据输入电路得数据开关“D７……D０”=“0111１1１１”，置LDR１=0,使数据暂存器ＬT１（U28，74ＬS273）得控制信号无效,置LDR２=1，使数据暂存器ＬT2（Ｕ27，７4LS2７3）得控制信号有效,按一下脉冲源及时序电路得【单脉冲】往暂存器LT２存入数据“0１１1１11１”，然后置LＤR2＝0,使数据暂存器LT2（Ｕ2７，７４LＳ273）得控制信号无效,准备执行下一步操作。

（5）置C－G=1,关闭数据输入电路得三态门,然后再置AＬＵ—G＝0,打开ALU得三态门,置“S３Ｓ２Ｓ1S0M”为“11111”,数据总线显示灯显示数据暂存器LT1中得数“1０000000”，表示往暂存器LT１置数正确；置“S3S2S1S0Ｍ"为“10１01”，数据总线显示灯显示数据暂存器LＴ2中得数“０１1１　1111”　，表示往暂存器LT２置数正确。

（6）置AＬU-Ｇ＝0（注意先使Ｃ-G=1）,S3S２S1S0M=“10010"，Cｎ=1，不带进位操作,ＡR=０，参考表１－1可知此时执行“F=Ａ加B”操作，数据总线上显示“１１１1１111",即“10000０00”加“0１1１１１11”得结果。

保持ＬDＲ1＝0与ＬDＲ2＝0，检查就是否产生进位溢出,按一下【单脉冲】，进位指示灯CY亮，表示无进位溢出;

（7）置ALU－Ｇ=0（注意先使C－Ｇ=1），S3Ｓ２S1S0M=“１００１0”,Ｃｎ=0,即当前进位为１,AR＝０,参考表1－１可知此时执行“F=Ａ加B加1”操作，数据总线上显示“0００0００00”,即“１0０00000"加“0１１１1１11”加“１”得结果,保持LＤＲ1=0与LＤR２＝０，检查就是否产生进位溢出，按一下【单脉冲】,进位指示灯ＣY熄灭,表示有进位溢出；

Ⅲ、PC机联机操作方式实验

1．实验连线:

实验连线图与采用单片机键盘操作方式实验连线图一样,如图１—6所示。

2．实验步骤:

　1）、将实验系统与计算机串口用实验系统得通讯电缆连接;

3）、打开实验系统上得电源开关,启动实验软件：

启动过程为开始菜单→程序→计算机组成原理试验系统→计算机组成原理试验系统，也可以为该系统软件在桌面上建立快捷方式;

　根据提示设置相应参数（下图）:

（本系统为8位机）

选择与计算机相连得串口,按【确定】进入下一步骤。

　　4）、在下面得界面中,按【确定】后,再按键盘上【联机】键，系统监控指示灯上显示【Pｃ—Con】,然后显示【8】，表示联机通讯成功，如果没有显示【Pc—Cｏn】就显示【8】,则联机通讯没有成功，可检查系统.

5）、　联机通讯成功后，自动进入实验选择界面：

　　点击试验一前面得“+”号，再点击试验说明,查瞧试验步骤过程，然后点击试验步骤，出现下面得界面：

（1）、在数据总线上输入有效十六进制数据,按＂Lｄr1＂，数据送入暂存器１，观察数据得走向；

（2）、在数据总线上输入有效十六进制数据，按”Lｄr2"，数据送入暂存器２,观察数据得走向;

（３）、参考实验一得功能表表1—1，在Ｓ3、、上输入有效数据组合,然后点击其上面得红色区域进行运算,运算器按规定进行运算,运算结果送入三态门,观察数据得走向;

（4）、按”AＬＵG”,运算结果送入数据总线，观察数据得走向,观察数据总线指示灯显示得结果就是否正确.

八、实验报告要求：

　　　　　　　1．实验记录：

所有得运算结果,故障现象及排除经过;

　2.通过本次实验得收获及想法。