计算机组成原理实验报告.docx
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计算机组成原理实验报告
《计算机组成与设计》实验报告
年级、专业、班级
2011级计科6班20115402
2011级计科6班20115404
姓名
杨春平
朱大鹏
实验题目
基本运算器
实验时间
2013年11月13日
实验地点
主教410
实验成绩
实验性质
□验证性□设计性□综合性
教师评价：
□算法/实验过程正确；□源程序/实验内容提交□程序结构/实验步骤合理；
□实验结果正确；□语法、语义正确；□报告规范；
其他：
评价教师签名：
一、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。
二、实验项目内容
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，如ARM），各部件对操作数进行何种运算由控制信号S3…S0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。
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。
T4由时序单元的TS4提供（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。
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。
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。
三、实验过程或算法（源程序）
（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）。
（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。
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
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，然后改变A、B的值，验证FC、FZ的锁存功能。
四、实验结果及分析和（或）源程序调试过程
1）逻辑运算
当运算指令S3S2S1S0为0000时，F=A=65=01100101
当运算指令S3S2S1S0为0001时，F=B=A7=10100111
当运算指令S3S2S1S0为0010时，F=AB=25=00100101
当运算指令S3S2S1S0为0011时，F=A+B=E7=11100111
当运算指令S3S2S1S0为0100时，F=/A=9A=10011010
2）移位运算
当运算指令S3S2S1S0为0101时，F=A不带进位循环右移B（取低3位）位=CA=11001010
当运算指令S3S2S1S0为0110，CN=0时，F=A逻辑右移一位=32=00110010
当运算指令S3S2S1S0为0110，CN=1时，F=A带进位循环右移一位=B2=10110010
当运算指令S3S2S1S0为0111，CN=0时，F=A逻辑左移一位=CA=11001010
当运算指令S3S2S1S0为0111，CN=1时，F=A带进位循环左移一位=CA=11001010
3）算术运算
当运算指令S3S2S1S0为1000时，FC=CN=0
当运算指令S3S2S1S0为1001时，F=A加B=0C=00001100
当运算指令S3S2S1S0为1010时，F=A加B加FC=0D=00001101
当运算指令S3S2S1S0为1011时，F=A减B=BE=10111110
当运算指令S3S2S1S0为1100时，F=A减1=64=01100100
当运算指令S3S2S1S0为1101时，F=A加1=66=01100110
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