计算机组成原理实验一实验报告.docx

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计算机组成原理实验一实验报告

实验一运算器实验

（一）算术逻辑运算器

一、实验目的：

1．掌握算术逻辑运算器单元ALU（74LS181）的工作原理

2．掌握简单运算器的数据传送通道

3．验算由74LS181等组合逻辑电路组成的运算功能发生器运算功能

4．按给定数据，完成实验指定的算术/逻辑运算

二、实验设备

计算机组成原理实验仪一台，排线若干条。

三、实验原理

实验中所用的运算器数据通道电路如图1-1所示。

数据显示灯

CN

B7…………B0

74LS245

A7…………A0

ALU_B

F3…F0CN

CN+4ALU（181）

MA3…A0B3…B0

CN+4F3……F0

ALU（181）

MA3…A0B3…B0

Q7…Q4Q3…Q0

DR2（273）

D7………D0

Q7…Q4Q3…Q0

DR1（273）

D7………D0

…………

……

三态门245

数据开关

……

运算器实验电路说明:

（1）两片74LS181（每片4位）以并/串联形式构成字长为8位的运算器。

（2）8位运算器的输出经过一个输入双向三态门（74LS245）与数据总线相连,运算器的两个数据输入端分别与两个8位寄存器（74LS273）DR1和DR2的输出端相连,DR1和DR2寄存器是用于保存参加运算的数据和运算的结果.寄存器的输入端与数据总线相连。

（3）8位数据开关D7~D0（在“INPUTDEVICE”中）用来产生参与运算的数据，经过一个输出三态门（74LS245）与数据总线相连，数据显示灯（BUSUNIT）已与数据总线相连，用来显示数据总线上的内容。

（4）S3、S2、S1、S0是运算选择控制端，有它们决定运算器执行哪一种运算（16种算术运算或16种逻辑运算）。

（5）M是算术/逻辑运算选择，M=0时，执行算术运算，M=1时，执行逻辑运算。

（6）Cn是算术运算的进位控制端，Cn=0（低电平），表示有进位，运算时相当于在最低位上加进位1，Cn=1（高电平），表示无进位。

逻辑运算与进位无关。

（7）ALU-B是输出三态门的控制端，控制运算器的运算结果是否送到数据总线BUS上。

低电平有效。

（8）SW-B是输入三态门的控制端，控制“INPUTDEVICE”中的8位数据开关D7~D0的数据是否送到数据总线BUS上。

低电平有效。

（9）LDDR1是寄存器DR1存数控制信号，LDDR2是寄存器DR2存数控制信号。

它们都是高电平有效。

（10）A0~A3是4位数据输入通道A，B0~B3是4位数据输入通道B。

（11）F0-F3是运算结果输出端。

（12）74LS181ALU算术/逻辑运算功能表如表1.1.1所示：

表1.1.1

工作方式选择输入

S3S2S1S0

正逻辑输入与输出

M=H

逻辑运算

M=L算术运算

Cn=H无进位

Cn=L有进位

LLLL

﹁A

A

A加1

LLLH

﹁（A+B）

A+B

（A+B）加1

LLHL

﹁AB

A+﹁B

（A+﹁B）加1

LLHH

逻辑0

减1

0

LHLL

﹁（AB）

A加A（﹁B）

A加A（﹁B）加1

LHLH

﹁B

（A+B）加A（﹁B）

（A+B）加A﹁B加1

LHHL

A⊕B

A减B减1

A减B

LHHH

A（﹁B）

A（﹁B）减1

A（﹁B）

HLLL

﹁A+B

A加AB

A加AB加1

HLLH

﹁（A⊕B）

A加B

A加B加1

HLHL

B

A+﹁B加AB

A+﹁B加AB加1

HLHH

AB

AB减1

AB

HHLL

逻辑1

A加A

A加A加1

HHLH

A+﹁B

（A+B）加A

（A+B）加A加1

HHHL

A+B

（A+﹁B）加A

（A+﹁B）加A加1

HHHH

A

A减1

A

四．实验注意事项

（1）需要连接的控制信号在原理图中用圆圈标明.

（2）本实验使用T4单步脉冲信号，实验时将“W/RUNIT”的T4插头接至“STATEUNIT”中的kk2正脉冲插头，按下微动开关KK2，即可获得实验所的单脉冲信号。

（3）S3，S2,S1,S0,Cn,M,LDDR1,LDDR2,ALU-B,,SW-B均为电平信号，与“SWITHUNIT”中的二进制开关对应相接，用于模拟产生电平控制信号。

开关状态打上去是高电平，打下来是低电平。

（4）ALU-B,SW-B为低电平有效，LDDR1,LDDR2为高电平有效。

（5）凡是控制信号带有“－B”的，都表示低电平有效。

（6）8位数据开关D7~D0（在“INPUTDEVICE”中）作为数据输入，打上去是“1”，打下来是“0”。

（7）用数据开关输入数据时，要打开SW-B（SW-B=0），关闭ALU-B（ALU-B=1）。

（8）输入运算结果时，要关闭SW-B（SW-B=1）,打开ALU-B（ALU-B=0）。

（9）“A+B”是指逻辑加（或运算），“A加B”是指算术加。

五实验内容以及步骤

1实验连线

按图1－2在实验仪上接好后，仔细检查正确与否，无误后接通电源。

ALU-UNIT

AUJ3

299-BALU-BS3S2S1S0MCnLDDR1LDDR2

图1－2算术逻辑运算实验连线图

2．用二进制数据开关分别向DR1寄存器和DR2寄存器置数。

例1：

向DR1寄存器输入二进制数据00110011，其操作步骤是：

（1）设置输入数据的开关状态：

将试验仪左下方“INPUTDEVICE”中的8位数据开关D7~D0设置为00110011。

（2）设置有关控制端的开关状态：

在试验仪“SWITCHUNIT”中打开输入三态门控制端，即SW-B=0，关闭输出三态门控制端，即ALU-B=1，打开DR1寄存器存数控制信号，即LDDR1=1，关闭DR2寄存器存数控制信号，即LDD2=0。

此时输入的数据送到数据总线上，通过“BUSUNIT”中数据显示灯B7~B0显示。

（3）与T4脉冲配合可将总线上的数据输入DR1寄存器中：

按下KK2微动开关即可。

（4）关闭DR1寄存器的存数控制信号：

LDDR1=0。

例2：

向DR2寄存器输入二进制数据01100110，其操作步骤是：

（1）设置输入数据的开关状态：

将试验仪左下方“INPUTDEVICE”中的8位数据开关D7~D0设置为0110110。

（2）设置有关控制端的开关状态：

在试验仪“SWITCHUNIT”中打开输入三态门控制端，即SW-B=0，关闭输出三态门控制端，即ALU-B=1，打开DR2寄存器存数控制信号，即LDDR2=1，关闭DR1寄存器存数控制信号，即LDDR1=0，此时输入数据送到数据总线上，通过“BUSUNIT”数据显示灯B7~B0显示。

（3）与T4脉冲配合可将总线上的数据输入DR2寄存器中：

按下KK2微动开关即可。

（4）关闭DR2寄存器的存数控制信号：

LDDR2=0。

3．通过总线输出寄存器DR1和DR2的内容。

例3：

输出DR1寄存器的内容，其操作步骤如下：

（1）关闭输入三态门的控制端：

SW-B=1。

打开输出三态门的控制端：

ALU-B=0。

（2）设置有关控制端的开关状态：

根据查找表1.1.1可知，当S3、S2、S1、S0、M设置为1、1、1、1、1时，总线（“BUSUNIT”）显示灯B7~B0显示DR1寄存器的内容。

所以把试验仪“SWITCHUNIT”中的S3、S2、S1、S0、M各开关设置为1、1、1、1、1即可。

例4：

输出DR2寄存器的内容，其操作步骤如下：

（1）关闭输入三态门的控制端：

SW-B=1。

打开输出三态门的控制端：

ALU-B=0。

（2）设置有关控制端的开关状态：

根据查找表1.1.1可知，当S3、S2、S1、S0、M设置为1、0、1、0、1时，总线（“BUSUNIT”）显示灯B7~B0显示DR2寄存器的内容。

所以把试验仪“SWITCHUNIT”中的S3、S2、S1、S0、M各开关设置为1、0、1、0、1即可。

4．操作练习：

练习一：

参考例1、例2、例3、例4的操作过程，完成下面的操作练习：

（1）向DR1寄存器输入数据10101010。

（参考例１）

（2）向DR2寄存器输入数据01010101。

（参考例２）

（3）要求在总线上分别输出DR1和DR2的内容（参考例３和例４），正确设置试验仪S3、S2、S1、S0、M、Cn各开关的状态，然后观察总线显示灯B7~B0显示的结果，按表1.1.2的要求分别填入在输出DR1和DR2内容时ALU-B、SW-B、S3、S2、S1、S0、M、Cn各控制信号的状态以及总线（“BUSUNIT”）上显示灯B7~B0输出的结果，验证DR1和DR2输出的结果与输入的数据是否一致。

表1.1.2（表中ALU-B和SW-B填写的是数据输出状态）

操作

ALU-B

SW-B

S3S2S1S0MCn

总线上显示灯B7～B0显示输出的结果

输出的结果与输入数据一致否

输出DR1的内容

输出DR2的内容

练习二：

验证表1.1.1中74LS181的算术和逻辑运算功能（采用正逻辑）。

下面表1.1.3给定了寄存器DR1和DR2的数据（十六进制表示），要求根据这些数据，改变S3、S2、S1、S0、M、Cn的状态，观察实验结果（“BUSUNIT”显示灯B7～B0显示实验结果），然后与表1.1.1中74LS181算术/逻辑功能表所得的理论值进行比较和验证，如果实验结果与理论值一致，就把实验结果填入表1.1.3中括号里。

注意：

（1）表中DR1和DR2的数据是用十六进制表示，输入时要将十六进制数据转为二进制数据输入。

DR1和DR2数据输入操作参考前面例1和例2。

（2）数据输入完成后，置开关SW-B=1，ALU-B=0，按表1.1.3的要求改变实验仪S3S2S1S0MCn的开关状态，然后通过“BUSUNIT”显示灯Ｂ7～Ｂ0显示相应运算的实验结果，并把实验结果填入表1.1.3的括号里。

表1.1.3

DR1数据

DR2数据

S3S2S1S0

逻辑运算

（M=1）

算术运算（Ｍ=０）

Cn=1（无进位）

Cn=0（有进位）

AA

55

0000

F=（）

F=（）

F=（）

AA

55

0001

F=（）

F=（）

F=（）

AA

55

0010

F=（）

F=（）

F=（）

AA

55

0011

F=（）

F=（）

F=（）

65

A7

0100

F=（）

F=（）

F=（）

65

A7

0101

F=（）

F=（）

F=（）

65

A7

0110

F=（）

F=（）

F=（）

65

A7

0111

F=（）

F=（）

F=（）

FF

FF

1000

F=（）

F=（）

F=（）

FF

FF

1001

F=（）

F=（）

F=（）

FF

FF

1010

F=（）

F=（）

F=（）

FF

FF

1011

F=（）

F=（）

F=（）

55

01

1100

F=（）

F=（）

F=（）

55

01

1101

F=（）

F=（）

F=（）

55

01

1110

F=（）

F=（）

F=（）

55

01

1111

F=（）

F=（）

F=（）

练习三：

完成表1.1.4列出几种常见的算术与逻辑运算的操作，要求：

（1）向DR1输入数据66H（十六进制，输入时要转为二进制数据输入，参考例1）。

（2）向DR2输入数据FFH（十六进制，输入时要转为二进制数据输入，参考例2）。

（3）按表中指定的操作，查找表1.1.1中74LS181算术/逻辑功能表以确定控制端S3、S2、S1、S0、M、Cn的状态，并把这些控制端的状态填入表1.1.4中相应的栏里。

（4）改变实验仪S3S2S1S0MCn开关状态，可得出相应运算得实验结果（实验结果在“BUSUNIT”显示灯B7～B0显示），再把实验结果与理论值进行比较和验证，若实验结果与理论值一致，就把实验结果填入括号中。

若实验结果与理论值不一致，要检查各控制端的设置正确否及其它原因的影响。

（5）每做完一次运算操作后，都要求把运算结果存入DR2寄存器。

（具体操作是：

将开头LDDR2置为“1”，然后按一下KK2微动开关即可。

）

（6）后面运算中DR2的数据取自前面运算的结果，不需要重新输入DR2的初值。

（7）表中“传送”这一操作要求先把DR1寄存器的内容通过总线显示出来（参考前面的例3），然后再存入DR2寄存器。

（8）表中“加1”、“加法”、“减法”、是属于算术运算，要按算术运算的操作来查找各控制端的状态。

表1.1.4（表中ALU-B和SW-B填写的是数据输出状态）

操作

ALU-B

SW-B

S

S

S

S

M

Cn

DR1

DR2

运算关系及结果显示

逻辑乘

66

FF

DR1

DR2

DR2（）

传送

DR1

DR2（）

按位加

DR1

DR2

DR2（）

取反

DR2（）

加1

DR1加1DR2

DR2（）

加法

DR1加DR2

DR2（）

减法

DR1减DR2

DR2（）

练习四：

分别对寄存器DR1和DR2的内容做求补操作。

（1）向DR1寄存器存入数据66H（十六进制），然后对DR1寄存器的内容做求补操作,结果送DR1。

将做每一步操作时ALU-B、SW-B、S

、S

、S

、S

、M、Cn

各控制端的状态填入表1.1.5相应的栏里。

（提示：

DR1求补操作是：

先取反再加1，即

加1，分两步完成，

①对DR1内容取反后送DR1，即

DR1，②DR1内容加1，即DR1加1。

）

表1.1.5（表中ALU-B和SW-B填写的是数据输出状态）

操作

ALU-B

SW-B

S

S

S

S

M

Cn

DR1

运算关系及结果显示

对DR1的内容求补

66

DR1（）

DR1加1

DR1（）

（2）向DR2寄存器存入数据99H（十六进制），然后对DR2寄存器的内容做求补操作，结果送DR2。

将做每一步操作时ALU-B、SW-B、S

、S

、S

、S

、M、Cn

各控制端的状态填入表1.1.6相应的栏里。

（提示：

DR2求补操作是：

先取反再加1，即

加1，分两步完成，

①对DR2内容取反后送DR1，即

DR1，②DR1内容加1，即DR1加1。

）

表1.1.6（表中ALU-B和SW-B填写的是数据输出状态）

操作

ALU-B

SW-B

S

S

S

S

M

Cn

DR2

运算关系及结果显示

对DR2的内容求补

99

DR1（）

DR1加1

DR2（）

5.思考并回答下面问题：

（1）写出本实验中各控制端的作用。

（2）在本实验中哪些控制端高电平有效，哪些控制端低电平有效？

（3）在实验正常的输入和输出操作中，SW-B和ALU-B为什么不能同时为“0”状态？

（4）DR1置数完成后，为什么要关闭控制端LDDR1?

DR2置数完成后，为什么要关闭控制端LDDR2?

（5）在练习三的表1.1.4中，要求将每一次的运算结果都要存入DR2寄存器，解释该存入操作中为什么不用将SW-B置为“0”和ALU-B置为“1”。

（6）“A+B”和“A加B”这两种运算有什么不同，查找表1.1.1，分别写出这两种运算中S3、S2、S1、S0、M、Cn各控制信号的状态。

（7）Cn是进位控制器，在逻辑运算和算术运算中，它与哪种运算有关？

（8）做减法操作DR1减DR2时，与进位Cn是否有关？

如有关Cn是0还是1？

（9）在本实验练习四第

（2）小题中，DR2内容取反后结果为什么不送DR2，而是送DR1。

实验一运算器实验

（二）进位控制实验

一、实验目的：

1．验证带进位控制的算术运算发生器的功能

2．按给定数据，完成实验几种指定的算术运算

二、实验设备

计算机组成原理实验仪一台，排线若干条。

三、实验原理

实验中所用的运算器数据通道电路如图1-3所示。

数据显示灯

74LS74

B7…………B0

74LS245

A7…………A0

F3…F0CN

CN+4ALU（181）

MA3…A0B3…B0

CN+4F3……F0

ALU（181）

MA3…A0B3…B0

Q7…Q4Q3…Q0

DR2（273）

D7………D0

Q7…Q4Q3…Q0

DR1（273）

D7………D0

…………

……

三态门245

数据开关

……

进位控制运算器实验电路说明:

（1）在算术逻辑运算实验的基础上增加进位控制部分,进位控制部分电路主要由一个74LS74锁存器里.

（2）AR是74LS74琐存器的控制信号,低电平有效,与T4脉冲信号配合,可打开琐存器把进位结果存入其内.

（3）CY是高位进位标志信号,连接一个发光二极光显示进位情况,当进位时灯亮,无进位时灯灭.

四.实验注意事项.

（1）本实验使用T4脉冲信号,实验时将”W/RNUIT”中的T4接至”STATEUNIT”中kk2的正脉冲冲插头上,按下微动开关KK2,即可获得实验所需的单脉冲信号.

（2）S3.S2.S1.S0.Cn.M.LDDR1.LDDR2.AUL-B.SW-B,AR均为电平信号,与”SWITCHUNIT”中的二进制开关对应相接,用于产生模拟信号.

（3）ALU-B.SW-B.AR为低电平有效,LDDR1,LDDR2为高电平有效.

（4）实验仪上进位指示灯CY亮时,表示高位有进位,灭表示高位无进位

（5）实验仪上ZI是判零标志灯,当两片74LS181输出全为”0”时,ZI灯亮,当两片74LS181输出不全为”0”时,ZI灯灭.

（6）每次做进位操作前,都必须先对进位标志清零.清零后,注意观看实验仪上进位指示灯CY是否已灭,若清零后CY不灭,要检查原因.

（7）进位清零操作时,有关控制端的状态是:

S3,S2,S1S0,M,AR,LDDR1,LDDR2置为00000000,然后按下微动开关KK2即可.

（8）做清零操作时,DR1寄存器的内容不能为11111111.

五,实验内容及步骤

1.实验连线

按接线图1-4连接实验电路,接线完成后,检查无误,可接通电源

SW-B299-BALU-BS3-CnLDDR1LDDR2AR

SWJTCHUNIT

2.验证带进位算术运算的进位锁存功能。

例题：

设DR1=10101010，DR2=01010101，分别完成无位算术加法运算（DR1+DR2）和有进位算术加法（DR1+DR2）的运算。

其操作过程如下：

（1）参考算术逻辑运算实验的例1和例2，向DR1和DR2分别输入10101010和01010101。

（2）存数完成后，要对进位标志清零。

操作如下：

先将控制端S3S2S1S0M的状态置为0000，AR状态置为0，然后按下微动开关KK2。

即可对进位清零。

清零后，实验仪进位灯CY熄灭。

（清零后如果灯CY不灭，请检查原因。

）

（3）无进位算术运算加法和有进位加法运算时各控制设置为0、运算结果显示及进位灯状态表1.2.1：

（Cn=１时Ｓ３Ｓ２Ｓ１Ｓ０Ｍ各控制信号的设置请查看表1.1.174LS181算术/逻辑功能表）

表1.2.1

操作

ＡＲ

ＳＷ－Ｂ

ＡＬＵ－Ｂ

S3S2S1S0MCn

数据总线内容（＂BUSUNIT＂显示灯B7----B0

T4脉冲

CY灯

进位否

DR1加DR2

0

1

0

100101

11111111

按下开关KK2

灭

无

DR1加DR2加1

0

1

0

100100

00000000

按下开关KK2

亮

有

从表1.2.1可以看到,如果运算结果中高位无进位,CY灯灭,若高位有进位,CY灯亮.

3.操作练习

练习一:

设DR1=10101010,DR2=00000001,分别完成无进位算术加法（DR1+DR2）和有进位的算术加法（DR1+DR2）的运算.参考运算.参考例题,正确设置S3S2S1S0MCn各控制信号的状态,观察总线（“BUSUNIT”）显示灯B7-----B0显示的结果以及CY灯的状态填入表1.2.2相应的栏中.根据CY灯的显示分析该项运算,的结果高位有进否.

表1.2.2（注意:

操作前要先对进位标志清零.）

操作

AR

S3S2S1S0MCn

实验结果

T4脉冲

CY灯状态

进位否

DR1加DR2

按下开关KK2

DR1加DR2加1

按下开关KK2

练习二:

设DR1=11110000,DR2=00001111,分别完成列进位算术运算加法（DR1+DR2）和有进位加法（DR1+DR2）,的运算.参考例题,正确设置S3S2S1S0MCn各控制号的状态,观察总线显示灯B7------B0的结果以及CY灯的状态,验证输出结果正确否.并将AR、Ｓ３Ｓ２Ｓ１Ｓ０Ｍ　Ｃn的各控制信号灯的状态和总线（“ＢＵＳＵＮＩＴ”）显示灯B7-----B0输出的实验结果及灯的状态填入表１．２．３相应栏中．根椐ＣＹ灯的显示的分析结果高位有进位否．

表1.2.3（注意：

操作前要先对进位标志清零）

操作

AR

S3S2S1S0MCn

实验结果（“BUSUNIT”中B7～B0显示实验结果）

T4

脉冲

CY灯状态（亮/灭）

进位否

DR1加DR2

0

100101

11111111

按下开关KK2

灭

无

DR1加DR2加1

0

100100

00000000

按下开关KK2

亮

有

4.思考并回答下面问题：

（1）为什么进位运算操作前要前对进位标志清零？

（2）CY灯是高位进位标志信号，用于表示高位有没有进位，那么它所表示的进位与进位控制端Cn所表示的进位有什么不同？

（3）表1.2.2中DR1加DR2加1的操作时，CY灯会亮吗？

为什么？

（4）表1.2.3中