华中科技大学组原第一次实验报告运算器.docx

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华中科技大学组原第一次实验报告运算器

课程实验报告

课程名称：

计算机组成原理

专业班级：

信息安全1203班

学号：

U201214xxx

姓名：

xxx

同组成员：

xxx

指导教师：

秦磊华

报告日期：

2014年4月

计算机科学与技术学院

原创性声明：

本人郑重声明:

本实验的实验报告内容，是由作者本人独立完成的。

有关观点、方法、数据和文献等的引用已在文中指出。

除文中已注明引用的内容外，本报告不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果，不存在抄袭行为。

特此声明

作者（签字）：

日期：

年月日

目录

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

；1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

接到1号373的

，2号373的

接到1号181的

，3号373的

接到2号181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

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。

其操作过程是：

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：

检测记录表

S3S2S1S0

数据A

数据B

运算结果

M

1010

00001010

00000101

00000101

1

------

该记录表明：

锁存器以及逻辑运算结果正确。

（3）AC算术加1100，得结果00010001，送回AC：

检测记录表

S3S2S1S0

数据A

数据B

运算结果

M

1001

00000101

00001100

00010001

0

1

该记录表明：

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：

检测记录表

S3S2S1S0

数据A

数据B

运算结果

M

0000

00010001

---------

11101110

1

------

该记录表明：

逻辑运算结果正确。

（5）AC算术减01001111，得结果10011111，送回AC：

检测记录表

S3S2S1S0

数据A

数据B

运算结果

M

0110

11101110

01001111

10011111

0

0

该记录表明：

算数运算结果正确。

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：

检测记录表

S3S2S1S0

数据A

数据B

运算结果

M

1010

--------

00110111

00110111

1

--------

1001（算数加）

00110111

11101011

00100010

0

0

该记录表明：

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

S3S2S1S0

数据A

数据B

运算结果

M

有符号溢出

无符号溢出

①

1010

--------

10100110

10100110

1

---

----

----

1001（算数加）

10100110

10110101

01011011

0

1

1

0

②

1010

--------

10100110

10100110

1

---

---

---

1001

10100110

01100010

10111000

0

1

1

0

项目

S3S2S1S0

数据A

数据B

运算结果

M

有符号溢出

无符号溢出

③

1010

--------

01010110

01010110

1

---

---

---

1001

01010110

01101010

00011011

0

1

0

1

④

1010

--------

01001001

01001001

1

---

---

---

1001

01001001

00100100

01101101

0

1

0

0

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。

该记录表明：

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。

检测记录表

项目

S3S2S1S0

数据A

数据B

运算结果

M

有符号溢出

①

1010

--------

01011011

01011011

1

---

---

0110（算数减）

01011011

10010011

11001000

0

0

1

②

1010

--------

01001001

01001001

1

---

---

0110

01001001

00100100

00100101

0

0

0

注：

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）。

该记录表明：

无符号溢出检测成功，有符号溢出检测成功。

达到预期效果。

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