華中科技大學(xué) 組成原理實驗報告 運算器組成實驗

課程實驗報告課程名稱： 計算機組成原理 專業(yè)班級：信息安全1003班學(xué)號：_U 名： 同組成員：張源信 報告日期：2012年5月 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、實驗名稱 3\o"CurrentDocument"二、實驗?zāi)康?3\o"CurrentDocument"三、實驗設(shè)備 3\o"CurrentDocument"四、實驗任務(wù) 3\o"CurrentDocument"五、預(yù)備知識 4\o"CurrentDocument"1、運算器的相關(guān)知識 4\o"CurrentDocument"2、注意事項： 4\o"CurrentDocument"六、設(shè)計思路、電路實現(xiàn)與電路分析說明 4\o"CurrentDocument"1、任務(wù)分析 4\o"CurrentDocument"2、設(shè)計思路 6\o"CurrentDocument"3、電路實現(xiàn)與詳細分析說明 7\o"CurrentDocument"七、實驗結(jié)果的記錄與分析 9\o"CurrentDocument"八、實驗中碰到的問題及解決辦法 10\o"CurrentDocument"九、收獲與體會 10\o"CurrentDocument"十、參考書目 11―、實驗名稱實驗名稱：運算器組成實驗二、實驗?zāi)康?、 掌握帶累加器的運算器實驗2、 掌握溢出檢測的原理及實現(xiàn)方法3、 理解有符號數(shù)和無符號數(shù)運算的區(qū)別4、 理解基于補碼的加\減運算實現(xiàn)原理5、 熟悉運算器的數(shù)據(jù)傳輸通路6、 利用74181和74182以及適當(dāng)?shù)拈T電路和多路選擇器設(shè)計一個運算，要求支持有符號數(shù)和無符號數(shù)的運算支持補碼加減法運算，支持有符號數(shù)溢出檢測等功能三、實驗設(shè)備JZYL—II型計算機組成原理實驗儀一臺芯片：74LS181運算器芯片 2片74LS3738D鎖存器 3片、實驗任務(wù)自己設(shè)計一個電路和利用實驗參考電路進行實驗，實驗要求先將多個運算數(shù)據(jù)事先存入存儲器中，再由地址選中，選擇不同的運算指令，進行運算，并將結(jié)果顯示，還可以進行連續(xù)運算和移位，最后將最終結(jié)果寫入到存儲器中。LaLiLiLaL?LsULtflWJLaLiLiLaL?LsULtflWJ五、預(yù)備知識1、運算器的相關(guān)知識運算器是對數(shù)據(jù)進行加工處理的部件，它具體實現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)運算和邏輯運算，所以又稱算術(shù)邏輯運算部件，簡稱ALU,它是中央處理器的重要組成部分。計算機中的運算器結(jié)構(gòu)一般都包含如下幾個部分：加法器、一組通用寄存器、輸入數(shù)據(jù)選擇電路和輸出數(shù)據(jù)控制電路等。74LS181能執(zhí)行16種算術(shù)運算和16種邏輯運算，當(dāng)工作方式控制端（M）為低電平時執(zhí)行算術(shù)運算，當(dāng)工作方式控制端（M）為高電平時執(zhí)行邏輯運算，運算功能由功能選擇端（S0-S3）決定。對74LS181的說明：引出端符號：A?A03運算數(shù)輸入端（低電平有效）B?B03運算器輸入端（低電平有效）CIn進位輸入端COn4進位輸出端F?F03運算輸出端（低電平有效）M工作方式控制S?S功能選擇032、注意事項1） 74LS181的輸入和輸出應(yīng)按順序，不能接亂或接反。2） 實驗中的開關(guān)較多，實驗時若記不清楚就容易因混亂而發(fā)生錯誤，因此對于用不到的引腳就不用接開關(guān)了。六、設(shè)計思路、電路實現(xiàn)與電路分析說明1、任務(wù)分析方案選擇：這個實驗既可以自己設(shè)計電路，也可以參考老師所給的電路。我們選擇了參考老師所給的參考電路。芯片選擇與分析：根據(jù)方案的示意圖，方案需要用到兩片74LS181芯片和三片74LS373芯片。其中74LS181做數(shù)據(jù)運算器，74LS373做數(shù)據(jù)鎖存器。各芯片介紹如下：1)74LS373：74LS373是一個8D鎖存器。當(dāng)三態(tài)允許控制端OE為低電平時,00~07為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負載或總線。當(dāng)OE為高電平時，OO~O7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當(dāng)鎖存允許端LE為高電平時，O隨數(shù)據(jù)D而變。當(dāng)LE為低電平時，O被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當(dāng)LE端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善400mV。引出端符號：DO?D7數(shù)據(jù)輸入端OE三態(tài)允許控制端(低電平有效)LE鎖存允許端OO~O7輸出端74LS373管腳圖Vcc07 0?0?Og詢匹由0』L￡20 19|16]'V|16'15 14|13|-2 1112ILd「26_L|]|勺 10CEDqD]5 0?D?D3GND;74LS373真值表DnLEOEOnHHLHLHLLXLLQ0XXH高阻態(tài)2)74LS181：74LS181是一個四位運算器。實驗中要用多個如下圖所示的異或門來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的奇偶校驗。AjBoGCn+4PA=&%|242322212019asilialKialialiEilialI12131415K17llh9,10n1112]BqAqS3SiSjSgCnMfdF1F2GND

74LS181管腳圖741S1的功能表幌件方式選擇S5S2S1SO邏輯運算M=1算術(shù)運算cn=iOCOOF=AF=A?=A4-QF=A+D0010F=A+B0011F=0卩=減10100F^ABF=A加AB0101F=BF=<A-B)加AB0110F=AF=A咸B減101.11F=AB減11COOF=A+BF=A力目AB1001F=A啓UF=A加B1010F=BF=<A+-B)1JDADW11F=ABF=AB減11100F=1F=A*1101F=A"F=CA+B)加A1110?=a+bF-CA4D)inA1111F=AF=AM12、設(shè)計思路1） 將兩片74LS181通過373連在一起，通過373的鎖存功能實現(xiàn)八位運算2） 溢出檢測的設(shè)計：無符號：無符號運算中，若最高位存在進位，則表示有溢出，否則則表示無溢出，所以只需直接將最高進位位（即Cn+4）與燈相接，高電位表示有溢出，低電位表示無溢出（電路圖略）有符號：根據(jù)運算過程中最高數(shù)據(jù)位的進位與符號位的進位位是否一致進行檢測，設(shè)運算過程中最高數(shù)據(jù)位的進位產(chǎn)生的進位信號為Cd，符號位產(chǎn)生的進位信號為Cf，當(dāng)參加運算的兩數(shù)均為正數(shù)時，則Cf=0且符號位之和為Sf=0，此時若Cd=1，則導(dǎo)致運算結(jié)果的符號位與參加運算的數(shù)的符號位不同，會發(fā)生溢出；當(dāng)參加運算的兩數(shù)為負數(shù)，則Cf=1,且之和為Sf=0,此時只有Cd=1才能使Sf=1，運算結(jié)果的符號位才與參加運算的符號相同，若Cd=0,則Sf=0導(dǎo)致運算結(jié)果的符號位與參與運算的數(shù)的符號位不同，也會發(fā)生溢出。綜上所述，利用公式V=C十C即可進行溢出檢測。df但上述方案在已有條件下難以實現(xiàn)，經(jīng)老師建議，改為根據(jù)操作數(shù)和運算結(jié)果的符號是否一致進行溢出檢測。設(shè)X，Y為參加運算數(shù)的符號位，Sff f為結(jié)果的符號位，V為溢出標志符，當(dāng)V取1時表示發(fā)生一處?；谠摲椒ǖ墓綖椋篤二xy；T+XYsffffff3、電路實現(xiàn)與詳細分析說明1)74LS181模塊：第一個cn接開關(guān)，第一個的cn+4接第二個的cn；第二個181的cn+4接入溢出檢測模塊；連個的M接在一起，接到開關(guān)上；S3至S0依次接到控制開關(guān)上；A0至A3分別依次接到兩個373的輸出端Q上；B0至B3分別依次和開關(guān)相連；F3至F0分別依次接到373的輸入端D,同時接到指示燈上。2)74LS373：373(U1)的8D至1D依次接到兩個181的F3至F0上；U2和U3的8Q至5Q依次接到181的A0至A3上;373(U1)的8Q至1Q依次接到兩個74LS373(U2、U3)中的電路連接3）溢出檢測模塊：運算數(shù)的符號位與求反后的運算結(jié)果符號位相與，與運算數(shù)符號位求反并與運算結(jié)果符號位相與的結(jié)果求或，結(jié)果輸出至溢出檢測燈。aAI疋俎38-1監(jiān)％6?—■yLL■■■-B-JaAI疋俎38-1監(jiān)％6?—■yLL■■■-B-J溢出檢測部分的電路連接總電路圖:

七、實驗結(jié)果的記錄與分析1、實驗過程1構(gòu)造八位運算器檢測記錄：構(gòu)造八位運算器檢測記錄表S3S2S1SO數(shù)據(jù)A數(shù)據(jù)B運算結(jié)果MCn10010000000100000001000000100110010000001000000001000000110110010000000100000010000000110110011000000010000000000000000111100000000100000001000000000111000000001000000000000000101110000000000000000100000001011101010101001010101111111110該記錄表明：8位運算器構(gòu)造成功2、實驗過程2添加溢出檢測檢測記錄添加溢出檢測檢測記錄表S3S2S1S0數(shù)據(jù)A數(shù)據(jù)B運算結(jié)果MCn溢出10010111111110000000001111111011該記錄表明：溢出檢測添加失敗，沒有達到預(yù)期效果3、實驗過程3添加373芯片后檢測記錄添加373芯片后檢測記錄表脈沖A脈沖BS3S2S1S0數(shù)據(jù)結(jié)果A結(jié)果BMCn1010010000000100000001000000000101100100000001000000010000000101101001000000010000001000000001010110010000000100000010000000100110100100000010000001000000001001011001000000100000010000000100011010010000001000000110000001000101100100000010000001100000011001該記錄表明：可實現(xiàn)累計和數(shù)據(jù)傳送4、實驗過程4添加求補電路后檢測記錄添加求補電路后檢測記錄表脈沖A脈沖BS3S2S1S0數(shù)據(jù)結(jié)果A結(jié)果BMCn0/1101001000001010000010100000000011011001000001010000010100000101011001001100000110000010100000101000101001100000110000001000000101000該記錄表明：可實現(xiàn)求補功能并完成負數(shù)運算和減法運算八、實驗中碰到的問題及解決辦法本實驗過程中遇到的最大問題是溢出檢測的實現(xiàn)問題，最初采用的檢測方案即為實驗過程第2步所述方案，但連接后發(fā)現(xiàn)不能達到預(yù)期效果，經(jīng)過向老師請教，發(fā)覺上述溢出檢測設(shè)計方案中難以取出最高有效數(shù)據(jù)位，而且在只用兩片LS74181芯片的前提下也難以實現(xiàn)符號位的相加，所以也難以取出符號位的進位。所以決定換一種溢出檢測方案，改為根據(jù)操作數(shù)和運算結(jié)果的符號位是否一致來進行溢出檢測。只有兩個符號相同的數(shù)相加才有可能產(chǎn)生溢出檢測，因此，可根據(jù)操作數(shù)和運算結(jié)果的符號位是否一致進行檢測。設(shè)Xf,Yf為參加運算數(shù)的符號位，Sf為結(jié)果的符號位,V為溢出標識符，則該方法可用公式V二XYS+XYS來實現(xiàn)。ffffff九、收獲與體會這是計算機組成原理的第一次實驗，因為之前做過數(shù)字邏輯的實驗，而且老師也對實驗臺進行了介紹，所以雖然是第一次接觸該實驗臺，但是對儀器還是相對熟悉的，了解各芯片的基本原理及使用方法。這次實驗老師在講解的過程中給出了整個實驗的思路并將實驗分為了四塊，每塊遞進處理，所以上手還是比較快的，按照老師給出的思路，很快完成了第一步，做出了8位計算器，并且進行算數(shù)運算與邏輯運算測試均得到了預(yù)期效果。然后開始進行第二步，為該運算器添加溢出檢測，經(jīng)過商議，決定采用課本上給出的第二種溢出檢測方法，即根據(jù)運算過程中最高數(shù)據(jù)為的進位與符號位的進位是否一致來進行溢出檢測，在草稿紙上畫出簡單的電路圖后開始連線，連線完畢后進行檢測卻出現(xiàn)了錯誤，在沒有溢出時卻出現(xiàn)了有溢出標志，仔細檢查電路連線沒有發(fā)現(xiàn)錯誤，后來通過向老師請教和與同伴商量，發(fā)覺該方案存在一些問題：難以取出最高有效數(shù)據(jù)位，而且在