微机原理课设.docx

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微机原理课设

摘要··························································I

Abstrack·····················································Ⅱ

一、开题报告················································1

（一）、微型计算机在国内外的发展现状····························1

（二）、微型计算机市场产品的情况································1

（三）、未来微型计算机的发展前景和发展方案······················2

二、设计认识················································4

（一）、本次课程设计的目的······································4

（二）、设计原理················································3

（三）、设计的意义··············································6

三、系统设计················································7

（一）、硬件设计················································7

1、芯片的相关介绍······································7

2、硬件电路原理图······································12

（二）、软件设计················································13

1、实现操作的程序流程图································13

2、相关操作的对应程序编程······························14

四、设计认证················································15

1、设定具体操作数值进行验证····························15

2、验证结果············································18

五、课程设计总结···········································19

本次设计的操作总结和体会································16

六、附录·····················································20

摘要

微型计算机诞生于20世纪70年代，由于体积小，价格低，尤其是日益提高的性价比，使其迅速在各个行业乃至家庭中得到了广泛的应用。

微处理器是微型计算机的核心芯片，其主要由运算器，控制器和寄存器组三部分组成。

本次课程设计，我们主要的研究对象为运算器内部的算术逻辑单元ALU和通用寄存器组。

ALU的内部包括负责加、减、乘、除预算的加法器，以及实现与、或、非、异或等逻辑运算的逻辑运算功能部件。

本次课程设计，通过对计算机组成原理实验箱的具体实践操作，进一步理解和熟悉微型计算机的基础部分，为将来的学习和工作奠定扎实的基础。

关键字：

ALU单元、逻辑运算、算数运算

Abstrack

Microcomputerwasborninthe1970s,duetosmallsize,lowprice,especiallytheincreasingcost,itquicklyinvariousindustriesaswellasthefamilyhasbeenwidelyused.

Microprocessorsarethecoreofthechipmicro-computer,themainbythecomputingdevice,controllerandtheregistersofthreeparts.Thecoursedesign,ourmainobjectofstudyfortheoperationoftheinternalarithmeticlogicunitALUandthegeneralregister.

IncludingthoseresponsiblefortheinternalALUadd,subtract,multiply,anddividethebudgetoftheadder,andtherealizationofAND,OR,NOT,XORlogicoperationlogicoperationsuchfeatures.

Thecurriculumdesign,computercomponentsthroughtheconcretepracticeofprincipleexperimentboxoperation,andfurtherunderstandandarefamiliarwiththebasicpartofthemicro-computerforfuturestudyandworktolayasolidfoundation.

Keywords:

ALUunit,logicaloperations,arithmetic

微型计算机算术逻辑运算

一、开题报告

（一）、微型计算机在国内外的发展现状

随着企业生产规模的逐渐扩大，对生产过程的自动化程度要求越来越高，系统控制在向着更加复杂、可靠性以及精确性要求更高的方向发展。

这就要求必须有更加先进的控制系统与之相适应。

微型计算机自出现以来，便以其集成度高、功能强、体积小、功耗低、价格廉、灵活方便等一系列优点，广泛应用于国防、航空航天、海洋、地质、气候、教育、经济、日常生活的各个领域，并发挥着巨大的作用．当前微型计算机控制系统的发展，也促进了控制理论的发展．系统辨识、最优控制、自适应控制等理论的研究最终也只能借助于计算机控制系统来实现。

当然，自动控制理论特别是现代控制理论本身的发展又反过来推动计算机控制系统的应用和发展，促进工业生产自动化水平的不断提高，为计算机控制提供更新的理论基础。

随着自动控制理论和计算机应用技术的发展，生产过程将进一步微机化、规范化和科学化，使各生产职能管理部门能够利用计算机终端通过电话线或光纤通讯线路与微机控制系统联网，随时从公用数据库中了解、分析生产情况，以便对下一步的生产和技术改造迸行决策，有利于提高生产率和产品质量．

（二）、微型计算机市场产品的情况

微型计算机是当今发展速度最快、应用最为普及的计算机类型。

它可以细分为PC服务器、NT工作站、台式（也称桌上型）电脑、膝上型电脑、笔记本型电脑、掌上型电脑、可穿戴式计算机以及问世不久的平板电脑等多种类型．习惯上将尺寸小于台式机的微型机统称为便携式计算机。

1、膝上型电（1aptopcomputer）

其主机类似台式主机，显示器大多采用液晶型（LCD）或小型阴极射线管（CRT）．它比台式机小，比笔记本电脑稍大，重10kg左右，可放在膝上使用，但一定要使用交流电源．在笔记本电脑推出之后，“纯”膝上型电脑已经十分少有，许多外国人习惯讲的laptop电脑，其实指的是笔记本电脑。

2、笔记本型电脑（notebookcomputer）

它是具有与台式机相同功能，却又便于携带的微型计算机．同台式机一样，是随着CPU的发展而发展的．2003年3月Intel公司推出了集成有Pentium-M（Bahias）、Inte1855系列芯片组、802.1lb（Wi-Fi）无线网卡、图形处理模块在内的笔记本计算机平台，这种以“迅（Centrino）"品牌命名的移动计算技术打破了以往笔记本电脑使用台式机CPU的局面，不仅为笔记本电脑带来强大的处理能力，也使其具有超长的电池使用时间、无线联网能力及轻薄的设计。

除了Intel的“迅驰竹系列外，笔）己本电脑流行的CPU还有Intel的Pentium4一M、CeleronM;AMD的AthlonxP-M、Athlon64;Transmeta的Crusoe等。

预计笔记本电脑将向性能、无线联网，低能耗、长电池寿命、大屏或宽屏显示等方向发展。

掌上型电脑（palmtopcomputer）

目前掌上型电脑和个人数字助理（PersonalDigitalAssistant，PDA）的概念似乎有些混淆．有人把低端的产品归之为PDA，把高端的产品归之为掌上型电脑．实际上国外已经很普遍地把所有手持式移动计算产品统称为PDA，而国内则习惯称之为掌上电脑．掌上电脑是一种运行在嵌入式操作系统和内嵌式应用软件之上的、小巧、轻便、易带、实用、价廉的手持式计算设备．它无论在体积、功能和硬件配备方面都比笔记本电脑简单轻便，但在功能、容量、扩展性、处理速度、操作系统和显示性能方面又远远优于电子记事簿．掌上电脑的电源通常采用普通的碱性电池或可充电锂电池，掌上电脑的核心技术是嵌入式操作系统，各种产品之问的竞争也主要在此。

现行产品主要采用PalmOS、ljVindowsCE和Linux三种操作系统。

掌上电脑的发展方向是：

不断增加和增强个人事务处理功能；提升通信功能（包括数据通信、移动电话通信）和各种信息（包括手写识别、语音、图像和数据等）的输入输出功能；研发包含．PDA功能、数据处理功能、具备多样性与兼容性通信功能的专用掌上电脑设备。

3、平板电脑（TabletPC）

这是Microsoft公司首先提出的新概念电脑，号称是下一代移动商务PC的代表。

目前平板电脑已获得联想、Acer、HP、Viewsonic、AMD、Fujitsu、Toshiba、Sharp、NEC、Comptirq等20多家国内外硬件厂商和30多家全球知名软件厂商的支持并相继推出了产品。

但全球最大的PC厂商m脚Dell没有参与平板电脑的开发。

平板电脑是一款无须翻盖、没有键盘、大小不等、形状各异，却功能完整的PC．其构成组件与笔记本电脑基本相同，但它是利用触笔在屏幕上书写，而不是使用键盘和鼠标或触摸板输入，并且打破了笔记本电脑键盘与屏幕垂直的L型设计模式。

它除了拥有笔记本电脑的所有功能外，还支持手写输入或语音输入，移动性和便携性更胜一筹．它运行WindowsXPTabletPCEdition操作系统，附带有可拆卸的键盘，能够运行Windows系统下的应用程序。

（三）、未来微型计算机的发展前景和发展方案

社会生产力的发展是科学发展的基石和原动力，从物理学的诞生到技术文明高度发达的今天都是如此。

近年来由于社会对高速、保密、大容量的通讯及汁算的需求，促进了量子信息、量子计算理论与实验的迅速发展。

日前，美国的洛斯阿拉莫斯和麻省理工学院、IBM、和斯坦福大学、武汉物理教学所、清华大学四个研究组已实现7个量子比特量子算法演示。

2007年2月，加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机（尚未经科学检验），如果他们是诚信的，这个工作的意义就非常重大，或许，可实际应用的量子计算机会在几年内出现，量子计算机的时代真的要开始了！

2010年3月31日，德国于利希研究中心发表公报：

德国超级计算机成功模拟42位量子计算机，该中心的超级计算机.JUGENE成功模拟了42位的量子计算机。

生物计算机是人类期望在21世纪完成的伟大工程。

是计算机世界中最年轻的分支。

目前的研究方向大致是两个：

一是研制分子计算机，即制造有机分子元件去代替目前的半导体逻辑元件和存储元件；另一方面是深入研究人脑的结构、思维规律，再构想生物计算机的结构。

随着技术的不断更新和发展，坚信微型计算机有一个美好的未来。

二、课程设计认识

（一）、本次课程设计的目的

本次课程设计，要求我们通过对计算机组成原理实验箱的实际操作，达到以下目标：

1、掌握简单运算器的数据传输方式。

2、对74LS181的功能和应用有一定的认识。

3、了解通用寄存器的组成和硬件电路。

（二）、设计原理

1、ALU单元实验构成

运算器由2片74LS181构成８位字长的ALU单元。

两片74LS374作为２个数据锁存器（DR1，DR2），８芯插座ALU-IN作为数据输入端，可通过短８芯扁平电缆，把数据输入端连接到数据总线上。

运算器的数据输出由一片74LS244—（输出缓冲器）来控制，８芯插座ALU-OUT作为数据输出端，可通过短８芯扁平电缆把数据输出端连接到数据总线上。

2、ALU单元的工作原理

数据输入锁存器DR1的EDR1为低电平，并且D1CK有上升沿时，把来自数据总线的数据打入孙存期DR1。

同样使EDR2为低电平、D2CK有上升沿时把数据总线上的数据打入数据锁存器DR2。

算术逻辑运算单元的核心是有２片74LS181组成，它可以进行２个８位二进制数的算数逻辑运算，74LS181的各种工作方式可通过设置其控制信号来实现（S0、S1、S2、S3、M、CN）。

当实验者正确设置了74LS181的各个控制信号，74LS181会运算数据锁存器DR1、DR2内的数据。

由于DR1、DR2已经把数据锁存，只要74LS181的控制信号不变，那么74LS181的输出数据也不会发生改变。

输出缓冲器采用74LS244，当控制信号ALU-O为低电平时，74LS244导通，把74LS181的运算结果输出到数据总线，高电平时，74LS244的输出为高阻。

3、寄存器构成

通用寄存器由2片GAL构成8位字长的寄存器单元。

8芯插座RA-IN作为数据输入端，可通过短8芯扁平电缆，把数据输入端连接到数据总线上。

数据输出由一片74LS244（输出缓冲器）来控制。

用8芯插座RA-OUT作为数据输出端，可通过短8芯扁平电缆，把数据输出端连接到数据总线。

判零和进位电路由1片GAL、1片7474和一些常规芯片组成，用两个LED（ZD、CY）发光管分别现实状态。

4、通用寄存器单元的工作原理

通用寄存器单元的核心部件为2片GAL，它具有锁存、左移、右移、保存等功能。

各个功能都由X1、X2信号和工作脉冲RACK来决定。

当置ERA=0,X0-1,X1=1,RACK有上升沿时，把总线上的数据打入通用寄存器。

可通过设置X0,X1来指定通用寄存器工作方式，通用寄存器的输出端Q0-Q7接入判零电路。

LED（ZD）亮时，表示当前通用寄存器内数据为0。

输出缓冲器采用74LS244，当控制信号RA-O为低时，74LS244开通，把通用寄存器内容输出到总线；的那个RA-O为高时，74LS244的输出为高阻。

ALU单元控制信号说明

信号名称

作用

有效电平

EDR1

选通DR1寄存器

低电平有效

EDR2

选通DR2寄存器

低电平有效

DR1CK

DR1寄存器工作脉冲

上升沿有效

DR2CK

DR2寄存器工作脉冲

上升沿有效

S0-S3

74LS181工作方式选择

选择逻辑或算术运算

有无进位输入

CCK

进位寄存器的工作脉冲

上升沿有效

ALU-O

74LS181计算结果输出

低电平有效

通用寄存器单元控制信号说明

信号名称

作用

有效电平

X0、X1

74LS198的工作模式

ERA

选通通用寄存器

低电平有效

RA-O

通用寄存器内容输出

低电平有效

RACK

通用寄存器工作脉冲

上升沿有效

在ALU单元中作为逻辑和算术运算的选择

0带进位

1不带进位

通用寄存器单元逻辑

CLR

X1X0

CLR

SLSR

QA-AH

全0

保持不变

上升沿

并行接数A-H

上升沿

右移移入0

上升沿

右移移入1

上升沿

左移移入0

上升沿

左移移入0

（三）、设计意义

本次课程设，是对计算机组成原理实验箱的一个认识过程，是对我们的理论知识的一个完善和校正。

本次课程设计，我们深层次的理解了微机的工作方式和运行原理，这对我们将来进行更复杂的硬件学习具有很深远的意义。

三、系统设计

（一）、硬件设计

1、芯片的相关介绍

（1）、74LS181

74LS181是4位高速并行运算逻辑单元（ALU）。

由四个功能选择输入（S0–S3）和模式控制输入（M），它可以执行所有16可能的逻辑操作或高或活动的活动低个操作数16不同算术运算。

74LS181引脚图

74LS181引脚说明

引脚

说明

M状态控制端

M=1逻辑运算；M=0算数运算

S3S2S1S0运算选择控制

S3S2S1S0决定电路执行哪种运算

A3A2A1A0

运算数1，引脚3为最高

B3B2B1B0

运算数2，引脚3为最高

Cn最低位进位输入

Cn=0有进位，Cn=1无进位

Cn+4本片产生的进位信号

Cn+4=0有进位，Cn+4=1无进位

F3F2F1F0

F3F2F1F0运算结果，F3为最高位

74LS181逻辑运算功能表

方式

M=1逻辑运算

M=0算数运算

S3S2S1S0

逻辑运算

CN=1（无进位）

CN=0（有进位）

0000

F=/A

F=A

F=A+1

0001

F=/（A+B）

F=A+B

F=A+B+1

0010

F=/（AB）

F=A+/B

F=A+/B+1

0011

F=0

F=减1（2的补）

F=0

0100

F=/（AB）

F=A+A/B

F=A+A/B+1

0101

F=/B

F=（A+B）+A/B

F=（A+B）+A/B+1

0110

F=A⊕B

F=A-B-1

F=A-B

0111

F=A/B

F=A/B-1

F=A/B

1000

F=/A+B

F=A+AB

F=A+AB+1

1001

F=/（F=A⊕B）

F=A+B

F=A+B+1

1010

F=B

F=（A+/B）+AB

F=（A+/B）+AB+1

1011

F=AB

F=AB-1

F=AB

1100

F=1

F=A+A

F=A+A+1

1101

F=A+/B

F=A+B+A

F=A+B+A+1

1110

F=A+B

F=A+/B+A

F=A+/B+A+1

1111

F=A

F=A-1

F=A

（2）、74LS244

74LS244为3态8位缓冲器，一般用作总线驱动器。

74LS244没有锁存的功能。

地址锁存器就是一个暂存器，它根据控制信号的状态，将总线上地址代码暂存起来。

8086/8088数据和地址总线采用分时复用操作方法，即用同一总线既传输数据又传输地址。

74LS244真值表

输入

输出

74LS244引脚图

74LS244主要用于三态输出，作为地址驱动器，时钟驱动器和总线驱动器，定向发送器等。

74LS244电路图

（3）、74LS374

74LS374的八个触发器是边沿触发D型触发器。

在时钟的正跳动，Q输出将处于D输入端已建立的逻辑状态。

时钟线上的施密特触发缓冲输入将简化系统设计，因为输入滞后作用使交流和直流抗扰度一般提高400mV。

缓冲输出的控制输入将使八个输出处于正常状态（高电平或低电平）或处于高阻状态。

在高阻态下，输出既不能有效地给总线加负载，也不能有效地驱动总线。

输出控制不影响触发器的内部工作，既老数据可以保持，甚至当输出被关闭,新的数据也可以置入。

74LS374引脚图

74LS374功能表

输入

输出

输出控制

时钟

数据

#OC

CLK

↑

H为高电平，L为低电平，X为不稳定，Z为高阻态，↑为从低转化到高电平，Qo建立稳态输入条件前Q的电平。

74LS374电路图

2、硬件原理图

电路图中，上右下三方的8条线模拟8位数据总线；K8产生所需数据74244层次块作为暂存T作寄存器DRI和DR2;两个74374层次块作为通用寄存器组（鉴于电路排列情况，只画出两个通用寄存器GRI和GR2，如果可能的话可设计4个或8个通用寄存器）；众多的开关作为控制电平或打入脉冲：

众多的8段代码管显示相应位置的数据信息；核心为8位ALU层次块。

（二）、软件设计

1、实现操作的程序流程图

2、相关操作的对应程序编程

MOVDR1,33H

MOVDR2,55H

ORDR1，DR2

MOVA,DR1

四、设计认证

（一）、设定具体操作数值进行验证

1、不带进位位逻辑或运算

（1）、把ALU-IN与CPT-B板上的二进制开关单元中J1插座相连（对应二进制开关H16-H23），把ALU-OUT与数据总线上的DJ2相连。

（2）、把D1CK和D2CK用连线连接到脉冲单元的PLS1上、把EDR1、EDR2、ALU-O、S0、S1、S2、S3、CN、M接入二进制开关。

信号定义

接入开关位号

D1CK

PLS1

D2CK

PLS1

EDR1

EDR2

ALU-O

（3）、按启停单元中的运行按钮，使实验机处于运行状态。

（4）、二进制开关H16-H23作为数据输入，置33H。

H23

H22

H21

H20

H19

H18

H17

H16

数据总线值

8位数据

33H

（5）、置各控制信号

EDR1

EDR2

ALU-O

（6）、按脉冲单元中的PLS1脉冲按键，在D1CK上产生一个上升沿，把33H打入DR1数据锁存器，通过逻辑笔或示波器来测量确定DR1寄存器（74LS374）的输出端，检查数据是否进入DR1中。

（7）、二进制开关H16-H23作为数据输入，置55H。

H23

H22

H21

H20

H19

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