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实验一运算器实验

一、实验目的：

1．掌握运算器的组成及工作原理；

2．了解4位函数发生器74LS181的组合功能，熟悉运算器执行算术操作和逻辑操作的具体实现过程；

3．验证带进位控制的74LS181的功能。

二、预习要求：

１复习本次实验所用的各种数字集成电路的性能及工作原理；

２预习实验步骤，了解实验中要求的注意之处。

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：

本模块由算术逻辑单元ALU74LS181（U7、U8、U9、U10）、暂存器74LS273（U3、U4、U5、U6）、三态门74LS244（U11、U12）和控制电路（集成于EP1K10内部）等组成。

算术逻辑单元ALU是由四片74LS181构成。

74LS181的功能控制条件由S3、S2、S1、S0、M、Cn决定。

高电平方式的74LS181的功能、管脚分配和引出端功能符号详见表1-1、图1-2和表1-2。

四片74LS273构成两个16位数据暂存器，运算器的输出采用三态门74LS244。

它们的管脚分配和引出端功能符号详见图1-3和图1-4。

图1-274LS181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）

0000

F=/A

F=A

F=A加1

0001

F=/（A+B）

F=A+B

F=（A+B）加1

0010

F=/A*B

F=A+/B

F=（A+/B）加1

0011

F=0

F=－1

F=0

0100

F=/（A*B）

F=A加A*/B

F=A加A*/B加1

0101

F=/B

F=（A+B）加A*/B

F=（A+B）加A*/B加1

0110

F=（/A*B+A*/B）

F=A减B减1

F=A减B

0111

F=A*/B

F=A*/B减1

F=A*/B

1000

F=/A+B

F=A加A*B

F=A加A*B加1

1001

F=/（/A*B+A*/B）

F=A加B

F=A加B加1

1010

F=B

F=（A+/B）加A*B

F=（A+/B）加A*B加1

1011

F=A*B

F=A*B减1

F=A*B

1100

F=1

F=A加A

F=A加A加1

1101

F=A+/B

F=（A+B）加A

F=（A+B）加A加1

1110

F=A+B

F=（A+/B）加A

F=（A+/B）加A加1

1111

F=A

F=A减1

F=A

表1-174LS181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：

运算器的结构框图见图1-5：

算术逻辑单元ALU是运算器的核心。

集成电路74LS181是4位运算器，四片74LS181以并／串形式构成16位运算器。

它可以对两个16位二进制数进行多种算术或逻辑运算，74LS181有高电平和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。

四片74LS273作为两个16数据暂存器，其控制信号分别为LDR1和LDR2，当LDR1和LDR2为高电平有效时，在T4脉冲的前沿，总线上的数据被送入暂存器保存。

六、实验内容：

验证74LS181运算器的逻辑运算功能和算术运算功能。

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，应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上；对于竖排座，应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。

注意：

F4只用一个排线插头孔）

运算器接口

S3S2S1S0MCnALU-GARLDR1LDR2

C1…...C6E5E4F5E3控制总线

F4

控制总线

T4

图1－6实验一键盘实验连线图

2、实验过程：

（1）拨动清零开关CLR，使其指示灯灭。

再拨动CLR，使其指示灯亮。

（2）在监控滚动显示【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。

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

（4）监控显示【Lo=0】,此处Lo相当于表1－1中的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】，使用默认值“1”，关闭进位输出。

也可输入“0”，打开进位输出，按【确认】。

（5）监控显示【DATA】，提示输入第一个数据，输入十六进制数【1234H】，按【确认】，显示【DATA】，提示输入第二个数据，输入十六进制数【5678H】，按【确认】键，监控显示【FINISH】，表示运算结束，可从数据总线显示灯观察运算结果，CY指示灯显示进位输出的结果。

按【确认】后监控显示【ES01】，可执行下一运算操作。

运算指令（S3S2S1S0）

输入数据（十六进制）

0000

00或0

0001

01或1

0010

02或2

0011

03或3

0100

04或4

0101

05或5

0110

06或6

0111

07或7

1000

08或8

1001

09或9

1010

0A或A

1011

0B或B

1100

0C或C

1101

0D或D

1110

0E或E

1111

0F或F

表1-3运算指令关系对照表

在给定LT1=1234H、LT2=5678H的情况下，改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，填入表中，并和理论值进行比较和验证：

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）

1234H

5678H

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的ALU-G和C-G拨到输出高电平“1”状态（所对应的指示灯亮。

）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，应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上；对于竖排座，应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。

运算器接口

S3S2S1S0MCnALU-GARLDR1LDR2

BD15…….BD8

数据总线

BD7…….BD0

DIJ1DIJ-G

DIJ2

数据输入电路

C-GS3S2S1S0MCnALU-GARLDR1LDR2

控制总线T4

控制开关电路

T+finf/8

脉冲源及时序电路

图1－7实验一开关实验接线图

2、通过数据输入电路的拨开关开关向两个数据暂存器中置数：

注意：

本实验中ALU-G和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）拨动清零开关CLR，使其指示灯。

再拨动CLR，使其指示灯亮。

置ALU-G＝1：

关闭ALU的三态门；再置C-G=0：

打开数据输入电路的三态门；

2）向数据暂存器LT1（Ｕ3、U4）中置数：

（1）设置数据输入电路的数据开关“D15……D0”为要输入的数值；

（2）置LDR1＝1：

使数据暂存器LT1（Ｕ3、U4）的控制信号有效，置LDR2＝0：

使数据暂存器LT2（Ｕ5、U6）的控制信号无效；

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

3）向数据暂存器LT2（Ｕ5、U6）中置数：

（1）设置数据输入电路的数据开关“D15……D0”为想要输入的数值；

（2）置LDR1＝0：

数据暂存器LT1的控制信号无效；置LDR2＝1：

使数据暂存器LT2的控制信号有效。

（3）按一下脉冲源及时序电路的“单脉冲”按钮，给暂存器LT2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的控制信号无效。

4）检验两个数据暂存器LT1和LT2中的数据是否正确：

（1）置C-G=1，关闭数据输入电路的三态门，然后再置ALU-G=0，打开ALU的三态门；

（2）置“S3S2S1S0M”为“11111”，数据总线显示灯显示数据暂存器LT1中的数，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中的数，表示往暂存器LT2置数正确。

3、验证74LS181的算术和逻辑功能:

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）

1234H

5678H

0000

F=

F=

F=

0001

F=

F=

F=

0010

F=

F=

F=

0011

F=

F=

F=

0100

F=

F=

F=

0101

F=

F=

F=

0110

F=

F=

F=

0111

F=

F=

F=

1000

F=

F=

F=

1001

F=

F=

F=

1010

F=

F=

F=

1011

F=

F=

F=

1100

F=

F=

F=

1101

F=

F=

F=

1110

F=

F=

F=

1111

F=

F=

F=

按实验步骤2往两个暂存器LT1和LT2分别存十六进制数“1234H”和“5678H”，在给定LT1=1234H、LT2=5678H的情况下，通过改变“S3S2S1S0MCn”的值来改变运算器的功能设置，通过数据总线指示灯显示来读出运算器的输出值F，填入上表中，参考表1－1的功能表，分析输出F值是否正确。

分别将“AR”开关拨至“1”和“0”的状态，观察进位指示灯“CY”的变化并分析原因。

八、实验报告要求：

1、实验记录：

所有的运算结果，故障现象及排除经过；

2、谈谈本次实验的收获及想法。

实验二移位运算实验

一、实验目的：

掌握移位控制的功能及工作原理

二、预习要求：

1．了解移位寄存器的功能及用FPGA的实现方法。

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、工作原理：

移位运算实验电路结构如图2-1所示：

图2-1移位运算器电路结构

功能由S1、S0、M控制，具体功能见表2-2：

G-299

S1

S0

M

T4

功能

0

0

0

×

↑

保持

0

1

0

0

↑

循环右移

0

1

0

1

↑

带进位循环右移

0

0

1

0

↑

循环左移

0

0

1

1

↑

带进位循环左移

1

1

1

×

↑

置数（进位保持）

0

1

1

0

↑

置数（进位清零）

0

1

1

1

↑

置数（进位置1）

表2-2

五、实验内容：

输入数据，利用移位寄存器进行移位操作。

六、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K4开关置于“OFF”状态，否则系统处于自锁状态，无法进行实验。

1、实验连线：

实验连线图如图2－2所示。

图2—2键盘方式接线图

注：

为了连线统一，对于横排座，应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上；对于竖排座，应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。

F4只用一个排线插头孔

2、实验过程：

（1）拨动清零开关CLR，使其指示灯灭。

再拨动CLR，使其指示灯亮。

在监控指示灯滚动显示【CLASSSELECt】时按【实验选择】键，显示【ES--__】输入02或2，按【确认】键，监控指示灯显示为【ES02】，表示准备进入实验二程序，也可按【取消】键来取消上一步操作，重新输入。

（2）再按【确认】键，进入实验二程序，显示为【E1E0--】，提示输入操作指令（参考表2－2，E1E0相当于G_299，二进制，“11”为关闭输出，“00”为允许输出），输入二进制数“11”，关闭输出，在输入过程中，可按【取消】键进行输入修改。

按【确认】键。

（3）监控指示灯显示【Lo=0】，可输入二进制数“0”或“1”，此处Lo相当于表2－2的M，默认为“0”，按【确认】键。

（4）监控指示灯显示【S0S1--】，提示输入移位控制指令（参考表2－2），输入二进制数“11”，对寄存器进行置数操作，按【确认】键。

（5）监控指示灯显示【DATA】，提示输入要移位的数据，输入十六进制数“0001”，按【确认】，显示【PULSE】，此时按【单步】，将数据存入移位寄存器，可对它进行移位操作。

（6）监控指示灯显示【ES02】，按【确认】键，进行移位操作，显示为【E1E0--】，提示输入操作指令（E1E0同上），输入二进制数“00”，允许输出，按【确认】键。

（7）监控指示灯显示【Lo=0】。

和前面一样，输入“0”，选择不带进位操作，按【确认】键。

监控指示灯显示【S0S1--】，提示输入移位控制指令（参考表2－2），输入二进制数“01”，表示对输入的数据进行循环右移，显示【PULSE】。

按【单步】键，则对十六进制数据“0001”执行一次右移操作。

数据总线指示灯显示“1000000000000000”，再按【单步】，数据总线指示灯显示“0100000000000000”，连续按【单步】，可以单步执行，按【全速】键，监控指示灯显示【Run】，则可连续执行移位操作。

观察数据总线显示灯的变化，判断结果是否正确。

（8）重新置入数据“FFFF”，进行带进位的循环右移，观察数据总线显示灯的变化，判断结果是否正确。

Ⅱ、开关控制操作方式实验

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2－3接线：

连线时应注意：

对于横排座，应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上；对于竖排座，应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。

为了避免总线冲突，首先将控制开关电路的所有开关拨到输出高电平“1”状态，所对应的指示灯亮。

运算器电路

S3S2S1S0MCnG-299

BD15……BD8

数据总线

BD7……BD0

C-GS3S2S1S0MCn299-G

控制开关电路

T4finf/8

脉冲源及时序电路

DIJ1DIJ-G

DIJ2

数据输入电路

控制总线T4

图2－3实验二开关实验接线图

2、实验过程：

（以左移为例）

开始实验前要把所有控制开关电路上的开关置为高电平“1”状态。

拨动清零开关CLR，使其指示灯灭。

再拨动CLR，使其指示灯亮。

（1）置数：

置C-G＝1，299-G＝0，通过数据输入电路输入要移位的数据，置D15---D0=“0000000000000001”，然后置C-G＝0，数据总线显示灯显示“0000000000000001”，置S0=1，S1=1，M=1参考功能表表2－2可见，此时为置数状态，按脉冲源及时序电路上的【单步】按钮，置C-G=1，完成置数的过程，进位指示灯亮表示进位“Z”已置位。

（2）不带进位移位：

置299-G＝0，S0=1，S1=0，M=0，参考功能表2－2，此时为循环左移状态，数据总线显示灯显示“0000000000000001”，按【单步】，数据总线显示灯显示“0000000000000010”，再按一次【单步】，数据总线显示的数据向左移动一位。

连续按【单步】，观察不带进位移位的过程。

如想进行右移，参考表2－2，置S0=0，S1＝1，再按【单步】即可实现右移操作。

（3）带进位移位

当数据总线显示“0000000000000001”时，置299-G＝0，S0=1，S1=0，M=1，参考功能表2－2，此时为带进位循环左移状态。

按【单步】按钮，数据总线显示灯显示“0000000000000011”，进位指示灯灭，表示进位“1”已经进入移位寄存器，同时“0”进入进位单元。

连续按【单步】，观察带进位移位的过程。

如想进行带进位右移，参考表2－2，置S0=0，S＝1，M=1,再按【单步】即可实现带进位右移操作。

3、按以上的操作方法验证表2－2所列的移位运算试验电路的所有功能。

七、实验报告要求：

同实验一。

实验三存储器读写和总线控制实验

一、实验目的：

1、掌握半导体静态随机存储器RAM的特性和使用方法。

2、掌握地址和数据在计算机总线的传送关系。

3、了解运算器和存储器如何协同工作。

二、预习要求：

预习半导体静态随机存储器6116的功能。

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：

6116的管脚分配和功能见图3-1。

图3-1（a）6116管脚分配图3-1（b）6116功能

五、工作原理：

实验中的静态存储器由2片6116（2K×8）构成，其数据线D0~D15接到数据总线，地址线A0~A7由地址锁存器74LS273（集成于EP1K10内）给出。

黄色地址显示灯A7-A0与地址总线相连，显示地址总线的内容。

绿色数据显示灯与数据总线相连，显示数据总线的内容。

因地址寄存器为8位，接入6116的地址A7-A0，而高三位A8-A10接地，所以其实际容量为28＝256字节。

6116有三个控制线，/CE（片选）、/R（读）、/W（写）。

其写时间与T3脉冲宽度一致。

当LARI为高时，T3的上升沿将数据总线的低八位打入地址寄存器。

当WEI为高时，T3的上升沿使6116进入写状态。

六、实验内容：

学习静态RAM的存储方式，往RAM的任意地址里存放数据，然后读出并检查结果是否正确。

注：

6116为静态随机存储器，如果掉电，所存的数据全部丢失！

七、实验步骤

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的所有开关拨到输出高电平“1”状态，所有对应的指示灯亮。

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”。

连线时应注意：

对于横排座，应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上；对于竖排座，应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。

1、按图3－3接线图接线：

图3－3实验三开关实验接线图

2、拨动清零开关CLR，使其指示灯显示状态为亮—灭—亮。

3、往存储器写数据：

以往存储器的（FF）地址单元写入数据“AABB”为例，操作过程如下：

（操作）（显示）（操作）（显示）（操作）

1.C–G=1

2.置数据输入电路

D15—D0＝“0000000011111111”

3.CE=1

4.C-G=0

绿色数据总线显示灯显示

“0000000011111111”

1.LAR=1

2.T3=1

（按【单步】）

地址寄存器电路黄色地址显示灯显示“11111111”

1.C-G=1

2.置数据输入电路

D15—D0＝“1010101010111011”

3.LAR=0

4.C-G=0

（显示）（操作）

绿色数据总线显示灯显示

“1010101010111011”

1.WE=1

2.CE=0

3.T3=1（按【单步】）

4WE=0

4、按上述步骤按表3－2所列地址写入相应的数据

地址（二进制）

数据（二进制）

00000000

0011001100110011

01110001

0011010000110100

01000010

0011010100110101

01011010

010*********

10100011

0110011001100110

11001111

1010101110101011

11111000

0111011101110111

11100110

1001110110011011

表3－2

5、从存储器里读数据：

以从存储器的（FF）地址单元读出数据“AABB”为例，操作过程如下：

（操作）（显示）