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【计算机组成原理】实验5：运算器实验

2023-05-16

实验内容

一、实验原理

实验中所用的运算器数据通路如下图所示。ALU运算器由CPLD描述。运算器的输出经过2片74LS245三态门与数据总线相连，2个运算寄存器AX、BX的数据输入端分别由4个74LS374锁存器锁存，锁存器的输入端与数据总线相连。准双向I/O输入输出端口用来给出参与运算的数据，经2片74LS245三态门与数据总线相连。

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在上图中，AXW、BXW在“搭接态”由实验连接对应的二进制开关控制，“0”有效，通过【单拍】按钮产生的负脉冲把总线上的数据打入，实现AXW、BXW写入操作。

二、运算器功能编码

ALU运算器编码表

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三、实验连线

K23~K0置“1”，灭M23~M0控位显示灯。然后按下表要求“搭接”部件控制电路。

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实验1：算术运算

1. 字算术运算

(1) 字写操作

通过I/O单元“S15~S0”开关向累加器AX和暂存器BX置数，操作步骤如下：

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(2) 字读操作

关闭AX、BX写使能，令K18=K17=“1”，按下流程分别读AX、BX。Dbus：1122h；3344h

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(3) 字加法与减法运算

令M S2 S1 S0（K15 K13~K11=0100），FUN及总线单元显示AX+BX的结果。4466

令M S2 S1 S0（K15 K13~K11=0101），FUN及总线单元显示AX－BX的结果。ddde

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2. 字节算术运算

(1) 偶字节写（置数操作）k23-k0=1

通过I/O单元“S15~S0”开关向累加器AL（L：low低位）和暂存器BL置数，具体操作步骤如下：置0022h和0044h ax和bx显示

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(2) 偶字节读操作（运算寄存器AL和BL内容送总线）

关闭AL、BL写使能，令K18=K17=1，按下流程分别读AL、BL。
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(3) 字节减法算术运算（不带进位加）

令M S2 S1 S0（K15 K13~K11=0100），FUN单元显示AL+BL的结果。0066

令M S2 S1 S0（K15 K13~K11=0101），FUN单元显示AL－BL的结果。

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实验2：逻辑运算

1. 字逻辑运算

(1) 字写操作（置数操作）

通过I/O单元“S15~S0”开关向累加器AX和暂存器BX置数，操作步骤如下：1122,3344
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(2) 字读操作（运算寄存器AX和BX内容送总线）

关闭AX、BX写使能，令K18=K17=“1”，按下流程分别读AX、BX。1122,3344
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(3) 字逻辑运算

令M S2 S1 S0（K15 K13~K11=1101），为逻辑与，FUN及总线显示AX逻辑与BX的结果1100。

令M S2 S1 S0（K15 K13~K11=1100），为逻辑或，FUN及总线显示AX逻辑或BX的结果3366。

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实验3：移位运算

移位运算时把累加器A视为移位的源寄存器，也就是说移位是通过累加器A实现的。

1. 移位控制编码
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2. 移位执行过程

① 循环左移② 循环右移
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③ 带进位循环左移④ 带进位循环右移
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◆不带进位循环左移：各位按位左移，最高位移入最低位。

◆不带进位循环右移：各位按位右移，最低位移入最高位。

◆带进位循环左移：各位按位左移，最高位移入CY中，CY中内容移入最低位。

◆带进位循环右移：各位按位右移，最低位移入CY中，CY中内容移入最高位。

◆循环移位一般用于实现循环式控制、高低字节的互换，还可以用于实现多倍字长数据的算术移位或逻辑移位。

3. 字移位运算k23-k0全置1

(1) 向AX寄存器置数

拨动“I/O输入输出单元”开关向移位源寄存器AX置数，具体操作步骤如下：
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(2) AX寄存器移位
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令M=0 S1=1参照表2.3.2改变S2、S0的状态，再按动【单拍】按钮，观察AX移位变化。

0080-0040-0020-0010-0008-0004-0002-0001-8000-4000-2000-1000-0800-0400-0200-0100-0080

4. 字节移位运算

(1) AL寄存器置数

拨动“I/O输入输出单元”开关向移位源寄存器AL置数，具体操作步骤如下：
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(2) AL寄存器移位
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令M=0 S1=1参照表2.3.2改变S2、S0的状态，再按动【单拍】按钮，观察AL移位变化。

实验题

1、 将0008H写入AH寄存器，然后完成AH寄存器移位运算
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2、在给定AX=6655h、BX=AA77h的情况下，改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，填入下页表格中，并和理论分析进行比较、验证。

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实验4：进位控制与零标志

1. 标志控制原理

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(1) 进位标志CY

运算标志CY是带复位可预置的进位标志，在运算时由M信号控制，当M=0时，按【单拍】按钮，在DRCK上升沿把当前运算溢出位（进位或借位）打入CY的锁存输出端Q2。在M=1时，由CN位控制CY的“位操作”。当CN=0时，按【单拍】按钮，在DRCK上升沿执行CY的置“1”、清零、取反操作；遇M=1、CN=1时，CY保持原始状态。CY的复位端由CPU直接控制管理。

(2) 零标志Z

零标志Z是带复位端的运算结果判零标志，取源于运算器输出FUN。当FUN=00h时，zd为“1”，反之为“0”。；零标志由M信号控制，当M=0时，按【单拍】按钮，在DRCK上升沿把当前zd打入Z（零标志）的锁存输出端Q1。遇M=1，零标志Z保持原始状态。

(3) 标志位的初始化

标志位的清零端由系统掌控与控位无关，在手动实验中需要清标志时，通过按动【返回】键来实现标志位的初始化。
系统提供CY与Z的状态灯，其显示特征为：进位标志CY=1时，灯“亮”，反之灯“灭”；零标志Z=1时，灯“亮”，反之灯“灭”。

2. 实验连线

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(3) 进位标志CY实验

(1) CY标志控制实验

① 进位控制流程

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② 按上流程建立控制状态，参照下表改变方式控制，按【单拍】观察CY灯的变化

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(2) 进位运算实验

① 按【返回】键，通过I/O单元向AX、BX分别置数，操作如下：

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② 带进位加减法运算流程（加：0001，减：FFEB）

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(3) 零标志实验（字识别）

① 向寄存器AX和BX置数

通过“I/O输入输出单元”向AX、BX均置数0001h，操作步骤如下：

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② 验证零标志锁存功能

按【返回】键清Z标志，按下流程建立零标志运算控制状态。K11=1时减法运算FUN=0000，按【单拍】钮Z标志灯亮（Z=1）；K11=0时加法运算FUN=0002按【单拍】钮Z标志灯灭（Z=0）。

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实验报告

学院、系：计算机学院
专业名称：软件工程
学生姓名：小何学长

一、实验题目

十六位机运算器

二、实验目的与要求

实验目的

掌握十六位机字与字节运算的数据传输格式，验证运算功能发生器及进位控制的组合功能。

实验要求

完成算术、逻辑、移位运算实验，熟悉ALU运算控制位的运用。

三、实验步骤

实验1：算术运算

1.字算术运算

(1)字写操作

通过I/O单元“S15~S0”开关向累加器AX和暂存器BX置数，操作步骤如下：

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(2)字读操作

关闭AX、BX写使能，令K18=K17=“1”，按下流程分别读AX、BX。Dbus：1122h ；3344h

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实验结果：

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实验2：逻辑运算

2.字节逻辑运算

（1）奇字节写操作（置数操作） k23-k0=1

通过I/O单元“S15~S0”开关向累加器AH（H：high高位）和暂存器BH置数，具体操作步骤如下：

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（2）奇字节读操作（运算寄存器AH和BH内容送数据总线）

关闭AH、BH写使能，令K18=K17=1，按下流程分别读AH、BH。

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实验结果：

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实验3：移位运算

4.字节移位运算

（1）AL寄存器置数

拨动“I/O输入输出单元”开关向移位源寄存器AL置数，具体操作步骤如下：

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（2）AL寄存器移位

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实验结果：

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四、心得体会

本节课学习了并掌握十六位机字与字节运算的数据传输格式，验证运算功能发生器及进位控制的组合功能。同时完成算术、逻辑、移位运算实验，熟悉ALU运算控制位的运用。虽然操作有点麻烦，但还是坚持完成并验证了其原理，自己的动手能力有所增强，还学到了知识，真开心啊！

文档获取

完整版的实验内容+实验报告的Word文档

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