运算器组成实验.docx
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运算器组成实验.docx
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运算器组成实验
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一、实验目的-----------------------------------------------------------------------------------3
二、实验设备-----------------------------------------------------------------------------------3
三、实验任务-----------------------------------------------------------------------------------3
四、预备知识----------------------------------------------------------------------------------4
五、实验要求----------------------------------------------------------------------------------6
六、实验步骤---------------------------------------------------------------------------------7
七、具体实验电路分析,操作与数据记录----------------------------------------8
八、实验的问题与应对------------------------------------------------------------------16
九、体会与收获--------------------------------------------------------------------------16
一、实验目的
1、掌握带累加器的运算器实验。
2、掌握溢出检测的原理和实现方法;
3、理解有符号数和无符号数运算的区别,
4、理解基于补码的加/减运算实现原理
5、熟悉运算器的数据传输通路。
6、利用74181和74182以及适当的门电路和多路选择器设计一个运算,要求支持有符号数和无符号数运算,支持补码加/减运算,支持有符号数溢出检测等功能。
二、实验设备
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
H
L
H
L
H
L
L
X
L
L
Q0
X
X
H
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
10101010
10101010
0101
11111111
00010001
逻辑运算
11101110
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):
S3S2S1S0
数据K0—K7
运算类型
理论值
实际值
0000
10001000
逻辑运算M=H
11010011
11010011
0000
10001001
算术运算M=L,Cn=L
00101100
00101100
0001
10001000
逻辑运算M=H
11110111
11110111
0001
10001000
算术运算M=L,Cn=L
00001000
00001000
1001
01010101
逻辑运算M=H
10000110
10000110
1001
01010101
算术运算M=L,Cn=L
10000001
10000001
1111
01101001
逻辑运算M=H
00101100
00101100
1111
01101001
算术运算M=L,Cn=L
00101011
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)
S3S2S1S0
数据K0—K7
MCn
理论值
实际值
溢出灯
1001
11010101
01
00000001
00000001
红,有溢出
1001
01010101
01
10000001
10000001
蓝,无溢出
1100
10101010
01
01011000
01011000
蓝,无溢出
1101
11000000
01
00011000
00011000
红,有溢出
表5
(2)有符号数溢出检测结果如下表6:
(0表示L,1表示H)
S3S2S1S0
数据K0—K7
MCn
理论值
实际值
溢出灯
1001
11010101
01
00000001
00000001
蓝,无溢出
1001
01010101
01
10000001
10000001
红,有溢出
1100
10101010
01
01011000
01011000
蓝,无溢出
1101
11000000
01
00011000
00011000
蓝,无溢出
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
具体电路图:
执
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- 运算器 组成 实验