计算机组成原理运算器实验

计算机原理实验室实验报告

课 程 ： 计算机组成原理 姓 名 ： 袁通 专 业 ： 软件工程 学 号 ： 152056136 日 期 ： 2017年6月

太原工业学院

计算机工程系

计算机原理实验室实验报告

实验一：运算器实验

实验环境 PC机＋Win 2007（旗舰版＋proteus仿真器 一．实验内容 [基本要求] 1.熟悉proteus仿真系统 2.设计并验证4位算数逻辑单元的功能 [扩展要求] 1.实现8位二进制算数逻辑单元 [思考内容] 思考单总线，双总线和三总线结构在设计上的异同 二．理论分析或算法分析 （1）理论分析：ALU能进行多种算术运算和逻辑运算。4位ALU-74LS181能进行16种算术运算和逻辑运算，功能表如下所示： 工作选择 S3 S2 S1 S0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 逻辑运算（M=1） 逻辑运算 F=/A F=/(A+B) F=(/A)B F=0 F=/(AB) F=/B F=A⊕B F=A/B F=/A+B F=/( A⊕B) F=B F=AB F=1 F=A+/B F=A+B F=A F=A F=(A+B) F=A+/B F=负1（补码形式） F=A加A(/B) F=(A+B)加A/B F=A减B减1 F=A(/B)减1 F=A加AB F=A加B F=(A+/B)加AB F=AB减1 F=A加A F=(A+B)加A F=(A+/B)加A F=A减1 算术运算（M=0） CN=1（无进位） CN=0（有进位） F=A加1 F=(A+B)加1 F=(A+/B)加1 F=0 F=A加A/B加1 F=(A+B)加A/B加1 F=A减B F=A(/B) F=A加AB加1 F=A加B加1 F=(A+/B)加AB加1 F=AB F=A加A加1 F=(A+B)加A加1 F=(A+/B)加A加1 F=A 实验日期 2017.6.6 （2）基本要求和扩展要的主要区别： 基本只利用了一个74ls181，由A和B两个操作数，实现基本的4位2进制数的运算。而扩展要求使用了2个74ls181，1个位AB操作数的第四位第2个是AB操作数的高四位，低位芯片的进位输出端Cn+4 与高位芯片的进位输入端Cn 相连，使低4 位运算产生的进位送进高4位运算中。实现8位二进数的16中操作。 1

计算机原理实验室实验报告 三．实现方法（含实现思路、程序流程图、实验电路图和源程序列表等） （1）设计并验证4位算数逻辑单元的功能： ALU-74LS181引脚说明：M=1逻辑运算，M=0算术运算 引脚 M状态控制端 S3 S2 S1 S0运算选择控制 A3 A2 A1 A0 B3 B2 B1 B0 Cn 最低位进位输入 Cn+4本片产生的进位信号 F3 F2 F1 F0 说明 M=1逻辑运算；M=0算术运算。 S3 S2 S1 S0决定电路执行哪一种算术 运算数1，引脚3为最高位 运算数2，引脚3为最高位 Cn=0有进位，Cn=1无进位； Cn+4=0有进位，Cn+4=1无进位； F3 F2 F1 F0运算结果，F3为最高位 （2）74LS181的A3 A2 A1 A0，B3 B2 B1 B0作为输入端口，分别输入二进制数值，然后用运算选择控制端口S3 S2 S1 S0来选择执行什么操作，通过改变控制端口的操作来观察输出结果的不同。 （3）实现输入输出锁存 输入设备数据开关经一个三态门（74LS273）和数据总线相连。输出设备经一锁存器（74LS273）实现，盖锁存起的输入端和数据总线相连，输出端以二进制的形式输出结果。 实验电路如下图所示： 2 计算机原理实验室实验报告 四．实验结果分析（含执行结果验证、输出显示信息、图形、调试过程中所遇的问题及处理方法等） （一） 1.基本实验 验证74LS181型4位ALU的逻辑算术功能，填写下表(下表中的“/”表示求反)： S3S2 A3A2A1A0 S1S0 1001 0001 B3B2B1B0 1001 算术运算（M=0） CN=1(无进位) CN=0(有进位) 逻辑运算 （M=1） F=A加B（图1） F=A加B加1（图2） F=/(A⊕B)（图3） 图1 3 计算机原理实验室实验报告 图2 图3 4

计算机原理实验室实验报告 2.扩展实验 扩展电路图： 实验结果验证 S0S1 S2S3 数据A 数据B 算术运算（M=0） CN=1(无进位) F=00110010 （图1） CN=0(有进位) F=00110011 （图2） 逻辑运算 （M=1） F=11111111 （图3） 1001 00011001 00011001 5

计算机原理实验室实验报告 图1 图2 6 计算机原理实验室实验报告 图3 （二）思考问题：思考单总线，双总线和三总线结构在设计上的异同 1. 单总线结构：只有一条系统总线，所有部件通过系统总线接入。各大部件都连接在单一的一组总线上，故将这个单总线称为系统总线。 2. 双总线结构：在单总线的基础上增加一条专用于CPU和主存之间的数据传送通路。这种结构保持了单总线系统简单、易于扩充的优点，但又在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线，使CPU可通过专用总线与存储器交换信息，减轻了系统的负担。 3. 三总线结构：在双总线系统的基础上增加I/O总线形成的。其中，系统总线是CPU、主存和通道（IOP）之间进行数据传送的公共通道，而I/O总线是多个外部设备与通道之间进行数据传送的公共通道。 五．结论 通过这次实验的完成,我学会了系统的应用，以及怎样绘制一个74LS181的寄存器，从而在寄存器中实验算数运算的过程。 完成了本次实验要求的设计并验证了4位算数逻辑单元、实现输入输出锁存、实现8位算数逻辑单元的实验内容。 虽然这是计算机组成原理的第一个实验，但是经过老师的示范基本熟悉了整个实验系统的基本结构，了解了寄存器的添加和绘制，最重要的是通过实验掌握了运算器工作原理，熟悉了算术/逻辑运算的运算过程以及控制这种运算的方法。经过了这次实验的认真学习相信在下一次的实验中会更加顺利的。 7