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JZYL—Ⅱ型计算机组成原理实验仪一台。
芯片:
74LSl81:
运算器芯片2片
74LS373:
八D锁存器2片
其它基本器件若干。
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,最后将最终结果回写入存储器中。
复习前两个实验电路中各个信号的含义和作用,重点是运算与存储器之间的数据通路
三、实验任务
1、利用74181设计8位运算器;
2、设计基于单符号位的溢出检测方法和实现电路
(要求能支持有符号数和无符号数加法运算的溢出检测。
选择适当的数据验证你所设计的电路的功能。
)
3、利用373芯片增加累加器功能
4、对上述电路进行综合集成,利用多路选择器设计电路,实现对有符号数(用补码进行计算)和无符号数运算、加/减运算的支持;
四、预备知识
1、运算器的相关知识
运算器是对数据进行加工处理的部件,它具体实现数据的算术运算和逻辑运算,所以又称算术逻辑运算部件,简称ALU,它是中央处理器的重要组成部分。
计算机中的运算器结构一般都包含如下几个部分:
加法器、一组通用寄存器、输入数据选择电路和输出数据控制电路等。
SN74181是一个四位的算术逻辑运算单元,它的基本算术逻辑运算单元仍然以FA为基础,通过在FA输入端增加函数发生器改变输入数据的特性,使得这些数据经过FA后能实现更多和更复杂的算术、逻辑运算功能。
1、对74LS181的说明
74LS181是一个四位运算器。
实验中要用多个如下图所示的异或门来实现数据的奇偶校验。
74LS181真值表:
2、对74SL373的说明:
八D锁存器(3S,锁存允许输入有回环特性)
简要说明:
373为三态输出的八D透明锁存器,共有54/74S373和54/74LS373两种线路结构型式,其主要电器特性的典型值如下(不同厂家具体值有差别):
型号
tPd
PD
54S373/74S373
7ns
525mW
54LS373/74LS373
17ns
120mW
373的输出端O0~O7可直接与总线相连。
当三态允许控制端OE为低电平时,O0~O7为正常逻辑状态,可用来驱动负载或总线。
当OE为高电平时,O0~O7呈高阻态,即不驱动总线,也不为总线的负载,但锁存器内部的逻辑操作不受影响。
当锁存允许端LE为高电平时,O随数据D而变。
当LE为低电平时,O被锁存在已建立的数据电平。
当LE端施密特触发器的输入滞后作用,使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。
引出端符号:
D0~D7数据输入端
OE三态允许控制端(低电平有效)
LE锁存允许端O0~O7输出端:
74LS373真值表
Dn
LE
OE
On
H
L
X
Q0
高阻态
五、实验要求
1、作好预习
1)掌握运算器的数据传送通路和74181ALU的功能特性。
2)熟悉ALU并行进位的工作原理和实现方法;
3)掌握溢出检测的原理和实现方法;
4)理解有符号数和无符号数运算;
5)在课外利用EDA软件先设计功能电路,并进行功能仿真
2、实验实施
1)分功能模块设计各功能单元电路,对设计进行详细的分析与说明
2)逐步将各功能模块集成
3)设计特定数据,验证各模块的功能,做好数据的记录工作
六、实验步骤
1、实验前的准备
1)复习有关运算器的内容,对数据通路的构成、数据在数据通路中的流动及控制方法有基本的了解。
2)熟悉电路中各部分的关系及信号间的逻辑关系
3)参考芯片手册,自己设计实验电路,画出芯片间管脚的连线图,标上引脚号,节省实验的时间。
4)对所设计的电路进行检查,重点是检查能否控制数据在电路中不同部件之间的传输。
2、实验步骤
实验可按照自己设计的电路或参考电路按照搭积木的方式进行。
先完成运算器的数据通路部分,在运算器部分能够正确完成各类运算的基础上,再增加累加器、异常检测和运用求补器进行无符号数减法的功能。
其它补充:
第1步完成:
至少验证4个算术运算、4个逻辑运算。
第2步完成:
先增加溢出检测电路并验证
再增加373并验证
第3步完成:
1、再加一个373及灯,依次看到373灯的变化。
2、将下面一个373的输出代替“00101100”,然后交替使373工作,
可以看到累加器的效果。
第4步完成:
增加求补逻辑
一个开关控制为真传或求补。
仅算术加法时才用上求补。
七、具体实验电路分析,操作与数据记录分析
第一步:
利用74181设计8位运算器
在进行第一步实验之前,检查芯片的好坏和导线的好坏。
在检查74LS181时根据如下的功能图(图3)进行了两组数据验证,达到了预期的效果,芯片完好。
验证结果如下表3(0表示L,1表示H)
S3S2S1S0
数据A
数据B
运算类型
理论值
实际值
0000
10101010
01010101
算术运算
0101
11111111
00010001
逻辑运算
11101110
表3
74LS181的功能表3:
验证后按照如下电路图(图4)连接两个74LS181芯片,连接后根据功能图3进行了如下的八组运算,如表4所示:
图4
具体电路如下所示:
八组运算结果如下表4所示,全部吻合(0表示L,1表示H):
数据K0—K7
0000
10001000
逻辑运算M=H
11010011
10001001
算术运算M=L,Cn=L
00101100
0001
11110111
00001000
1001
10000110
10000001
1111
01101001
00101011
表4
第二步:
设计基于单符号位的溢出检测方法和实现电路
溢出检测电路如图5所示:
溢出检测电路的实现规则:
设立一个二路选择器,当P=1时选择有符号数的运算,即如上图的溢出检测的结果为信号指示灯。
(1)P=1
有符号数的溢出检测原理:
根据操作数和结果运算结果的符号位是否一致进行检测。
因为只有两个同符号数相加时才会又可能产生溢出
设Xf,Yf未参加运算数的符号位,Sf为结果的符号位,V为溢出标志位,取V为1时表示发生溢出。
则可得实现溢出检测的逻辑表达式
即取最高位的XY与S比较。
(2)P=0无符号数的溢出检测原理:
根据最高位是否发生进位来判断。
即实现溢出检测的逻辑表达式:
设计好溢出电路之后,按步骤2的图5连接好溢出检测电路,根据图6连接好电路。
图6
具体电路图:
由于溢出只发生在算术运算中,故下表中的MCn只取01.
(1)无符号数溢出检测结果如下表5:
(0表示L,1表示H)
MCn
溢出灯
11010101
01
00000001
红,有溢出
蓝,无溢出
1100
01011000
1101
11000000
00011000
表5
(2)有符号数溢出检测结果如下表6:
表6
经过以上两种不同的检测验证,证明了电路的溢出检测功能正确。
第三步:
利用373芯片增加累加器功能
在这一步进行时既进行了累加功能,根据图7连接好累加电路
图7
执
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