基本运算器静态随机存储器实验报告.docx
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基本运算器静态随机存储器实验报告.docx
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基本运算器静态随机存储器实验报告
学号:
姓名:
专业:
班级:
课程名称
计算机组成原理
实验课时
4
实验项目
基本运算器实验
实验时间
2015-11-2
实验目的
1.了解运算器的组成结构。
2.掌握运算器的工作原理。
实验环境
PC机一台,TD-CM3+实验系统一套。
排线若干
实验内容(算法、程序、步骤和方法)
1.实验原理:
运算器内部含有三个独立运算部件,分别为算术、逻辑和移位运算部件,要处理的数据存于暂存器A和暂存器B,三个部件同时接受来自A和B的数据(有些处理器体系结构把移位运算器放于算术和逻辑运算部件之前,如ARM),各部件对操作数进行何种运算由控制信号S3…S0来决定,任何时候,多路选择开关只选择三部件中一个部件的结果作为ALU的输出。
如果是算术运算,还将置进位标志FC,在运算结果输出前,置ALU零标志。
ALU中所有模块集成在一片CPLD(MAXIIEPM240)中。
逻辑运算部件由逻辑门构成,较为简单,而后面又有专门的算术运算部件设计实验,在此对这两个部件不再赘述。
移位运算采用的是桶形移位器,一般采用交叉开关矩阵来实现,交叉开关的原理如图1-1-2所示。
图中显示的是一个4X4的矩阵(系统中是一个8X8的矩阵)。
每一个输入都通过开关与一个输出相连,把沿对角线的开关导通,就可实现移位功能,即:
(1)对于逻辑左移或逻辑右移功能,将一条对角线的开关导通,这将所有的输入位与所使用的输出分别相连,而没有同任何输入相连的则输出连接0。
(2)对于循环右移功能,右移对角线同互补的左移对角线一起激活。
例如,在4位矩阵中使用‘右1’和‘左3’对角线来实现右循环1位。
(3)对于未连接的输出位,算术右移使用符号扩展而不是0填充。
使用另外的逻辑进行移位总量译码和符号判别。
图1-1-2交叉开关桶形移位器原理图
运算器单元由以下部分构成:
一片CPLD实现的ALU,四片74LS245构成的保护电路。
ALU的输出通过三态门74LS245连到CPU内总线上,CPU内总线和数据总线已连通,数据总线指示灯和数据总线相连,用来显示数据总线的内容(实验系统中所有的LED显示灯均为正逻辑,亮为‘1’,灭为‘0’),ALU的数据输入以排针形式引出B7’…B0’,另外还有进位标志FC和零标志FZ指示灯。
图1-1-1中有三部分不在CPLD中实现,而是在外围电路中实现,这三部分为图中的‘显示A’、‘显示B’和ALU的输出控制‘三态控制245’,请注意:
实验箱上凡丝印标注有马蹄形标记‘
’,表示这两根排针之间是连通的。
图中除T2和CLR,其余信号均来自于ALU单元的排线座,实验箱中所有单元的T1、T2都连接至MC单元的T1、T2,CLR都连接至CON单元的CLR按钮。
T2由时序单元的TS2提供(时序单元的介绍见附录二),其余控制信号均由CON单元的二进制数据开关模拟给出。
控制信号中除T2为脉冲信号外,其余均为电平信号,其中ALU_B为低有效,其余为高有效。
暂存器A和暂存器B的数据能在LED灯上实时显示,原理如图1-1-3所示(以A0为例,其它相同)。
进位标志FC、零标志FZ和数据总线D7…D0的显示原理也是如此。
图1-1-3A0显示原理图
运算器的逻辑功能表如表1-1-1所示,其中S3S2S1S0为4位控制信号,Cn为来自低位的进位信号,FC为向高位的进位标志,FZ为运算器零标志,表中功能栏内的FC、FZ表示当前运算会影响到该标志。
表1-1-1运算器逻辑功能表
运算类型
S3S2S1S0
功能
逻辑运算
0000
F=A(直通)
0001
F=B(直通)
0010
F=AB(FZ)
0011
F=A+B(FZ)
0100
F=/A(FZ)
移位运算
0101
F=A逻辑右移B(取低3位)位(FZ)
0110
F=A逻辑左移B(取低3位)位(FZ)
0111
F=A算术右移B(取低3位)位(FZ)
1000
F=A循环右移B(取低3位)位(FZ)
算术运算
1001
F=A加B(FC,FZ)
1010
F=A加B加Cn(FC,FZ)
1011
F=A减B(FC,FZ)
1100
F=A减1(FC,FZ)
1101
F=A加1(FC,FZ)
1110
(保留)
1111
(保留)
运算结果表
(接上)
实验内容(算法、程序、步骤和方法)
2.实验步骤:
(1)按图1-1-5连接实验电路,并检查无误。
图中将用户需要连接的信号用圆圈标明(其它实验相同)。
图1-1-5实验接线图
(2)将时序单元的状态开关置为‘单步’档(时序单元的介绍见附录二),MEM单元的编程开关置为‘运行’档。
(3)打开电源开关,如果听到有‘嘀’报警声,说明有总线竞争现象,应立即关闭电源,重新检查接线,直到错误排除。
然后按动CON单元的CLR按钮,将运算器的A、B和FC、FZ清零。
(4)用输入开关向暂存器A置数。
①拨动CON单元的SD27…SD20数据开关,形成二进制数01100101(或其它数值),数据显示亮为‘1’,灭为‘0’。
②置LDA=1,LDB=0,按动时序单元的TS按钮,产生一个T2上沿,则将二进制数01100101置入暂存器A中,暂存器A的值通过ALU单元的A7…A0八位LED灯显示。
(5)用输入开关向暂存器B置数。
①拨动CON单元的SD27…SD20数据开关,形成二进制数(或其它数值)。
②置LDA=0,LDB=1,按动时序单元的TS按钮,产生一个T2上沿,则将二进制数置入暂存器B中,暂存器B的值通过ALU单元的B7…B0八位LED灯显示。
(6)改变运算器的功能设置,观察运算器的输出。
置ALU_B=0、LDA=0、LDB=0,然后按表1-1-1置S3、S2、S1、S0和Cn的数值,并观察数据总线LED显示灯显示的结果。
如置S3、S2、S1、S0为0010,运算器作逻辑与运算,置S3、S2、S1、S0为1001,运算器作加法运算。
如果实验箱和PC联机操作,则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果(软件使用说明请看附录一),方法是:
打开软件,选择联机软件的“【实验】—【运算器实验】”,打开运算器实验的数据通路图,如图1-1-6所示。
进行上面的手动操作,每按动一次TS按钮,数据通路图会有数据的流动,反映当前运算器所做的操作,或在软件中选择“【调试】—【单周期】”,其作用相当于将时序单元的状态开关置为‘单步’档后按动了一次TS按钮,数据通路图也会反映当前运算器所做的操作。
重复上述操作,并完成表1-1-2。
然后改变A、B的值,验证FC、FZ的锁存功能。
表1-1-2运算结果表
运算类型
A
B
S3S2S1S0
结果
逻辑运算
65
A7
0000
F=(65)FC=(0)FZ(0)
65
A7
0001
F=(A7)FC=(0)FZ(0)
65
A7
0010
F=(25)FC=(0)FZ(0)
65
A7
0011
F=(E7)FC=(0)FZ(0)
65
A7
0100
F=(9A)FC=(0)FZ(0)
移位运算
AA
55
0101
F=(05)FC=(0)FZ(0)
AA
55
0110
F=(40)FC=(0)FZ(0)
AA
55
0111
F=(FD)FC=(0)FZ(0)
AA
55
1000
F=(55)FC=(0)FZ(0)
算术运算
F8
1F
1001
F=(17)FC=
(1)FZ(0)
F8
1F
1010(Cn=0)
F=(1B)FC=
(1)FZ(0)
F8
1F
1010(Cn=1)
F=(1C)FC=
(1)FZ(0)
F8
1F
1011
F=(DD)FC=(0)FZ(0)
F8
1F
1100
F=(FB)FC=(0)FZ(0)
F8
1F
1101
F=(FD)FC=(0)FZ(0)
结论
(结果)
根据实验步骤,一步一步操作,在DR1=65,DR2=A7的条件下,改变运算器的设置,使得运算器输出结果,并记录下来。
运算器显示结果和手算结果一直,说明整个实验非常成功。
小结
通过本次实验了解运算器的组成结构(即输入逻辑、输出逻辑、算术逻辑单元),掌握运算器的工作原理(主要是加法器)。
知道运算器的输出跟数据总线相连,同时两个输入端通过两个锁存器也与数据总线相连。
最终,将结果记录下来,完成了本次实验。
本次实验,提高了我对组成原理实验的积极性,更教育了我实验要认真,要培养了我实验要认真,要严谨的态度,将课本知识运用到实践之中,也提高了对课程学习的热情。
指导老师评议
成绩评定:
指导教师签名:
学号:
姓名:
王旭专业:
计算机科学与技术班级:
课程名称
计算机组成原理
实验课时
4
实验项目
静态随机存储器实验
实验时间
2015-11-2
实验目的
掌握静态随机存储器RAM工作特性及数据的读写方法。
实验环境
PC机一台,TD-CM3+实验系统一套,排线若干
实验内容(算法、程序、步骤和方法)
1.实验原理:
实验所用的静态存储器由一片6116(2K×8bit)构成(位于MEM单元)。
6116有三个控制线:
CS(片选线)、OE(读线)、WE(写线),其功能如表1-2-1所示,当片选有效(CS=0)时,OE=0时进行读操作,WE=0时进行写操作,本实验将CS常接地。
由于存储器(MEM)最终是要挂接到CPU上,所以其还需要一个读写控制逻辑,使得CPU能控制MEM的读写,实验中的读写控制逻辑如图1-2-2所示,由于T2的参与,可以保证MEM的写脉宽与T2一致,T2由时序单元的TS2给出。
IOM用来选择是对I/O还是对MEM进行读写操作,RD=1时为读,WR=1时为写。
表1-2-1SRAM6116功能表
功能
1
0
0
0
X
1
0
0
X
0
1
0
不选择
读
写
写
存储器数据线接至数据总线,数据总线上接有8个LED灯显示D7…D0的内容。
地址线接至地址总线,地址总线上接有8个LED灯显示A7…A0的内容,
地址由地址锁存器(74LS273,位于PC&AR单元)给出。
数据开关(位于IN单元)经一个三
态门(74LS245)连至数据总线,分时给出地址和数据。
地址寄存器为8位,接入6116的地址A7…A0,6116的高三位地址A10…A8接地,所以其实际容量为256字节。
实验箱中所有单元的T1、T2都连接至MC单元的T1、T2,CLR都连接至CON单元的CLR
按钮。
实验时T2由时序单元给出,其余信号由CON单元的二进制开关模拟给出,其中IOM应
为低(即MEM操作),RD、WR高有效,MR和MW低有效,LDAR高有效。
(接上)
实验内容(算法、程序、步骤和方法)
2.实验步骤:
(1)关闭实验系统电源,按图1-2-4连接实验电路,并检查无误,图中将用户需要连接的信号用圆圈标明。
(2)将时序单元的状态开关置为‘单步’档(时序单元的介绍见附录二),MEM单元的编程开关置为‘运行’档。
(3)将CON单元的IOR开关置为1(使IN单元无输出),打开电源开关,如果听到有‘嘀’
报警声,说明有总线竞争现象,应立即关闭电源,重新检查接线,直到错误排除。
(4)给存储器的00H、01H、02H、03H、04H地址单元中分别写入数据11H、12H、13H、
14H、15H。
由前面的存储器实验原理图(图1-2-3)可以看出,由于数据和地址由同一个数据开关给出,因此数据和地址要分时写入,先写地址,具体操作步骤为:
先关掉存储器的读写(WR=0,RD=0),然后利用数据开关设定地址,输出地址到数据总线(IOR=0),最后打开地址寄存器门控信号(LDAR=1),按动TS产生T2脉冲,即将地址打入到AR中。
再写数据,具体操作步骤为:
先关掉存储器的读写(WR=0,RD=0)和地址寄存器门控信号(LDAR=0),然后利用数据开关给出要写入的数据,输出数据到数据总线(IOR=0),最后使存储器处于写状态(WR=1,RD=0,IOM=0),按动TS产生T2脉冲,即将数据打入到存储器中。
写存储器的流程如图1-2-5所示(以向00地址单元写入11H为例):
图1-2-5写存储器流程图
(5)依次读出第00、01、02、03、04号单元中的内容,观察上述各单元中的内容是否与前面写入的一致。
同写操作类似,也要先给出地址,然后进行读,地址的给出和前面一样,而在进行读操作时,应先关闭IN单元的输出(IOR=1),然后使存储器处于读状态(WR=0,RD=1,IOM=0),此时数据总线上的数即为从存储器当前地址中读出的数据内容。
读存储器的流程如图1-2-6所示(以从00地址单元读出11H为例):
图1-2-6读存储器流程图
结论
实验读出数据与输入数据完全一致
小结
通过本次实验了解掌握静态随机存储器RAM工作特性及数据的读写方法。
通过将数据再从存储器中读出,发现数据与先前输入存储器中的数据一致,对应存储区地址00H、01H、02H、03H、04H?
单元分别为数据11H、12H、13H、14H、15H,故表明正确输入和读出操作无误。
并且在插线的过程中注意不要把两头的线插错位或插反了,否则会影响试验结果。
同时还发现,数据通路图会有数据的流动,反映当前存储器所做的操作,并且旁边的WR#若变为红色,则表示正在写数据;若RD#变为红色,则表示正在读取数据
指导老师评议
成绩评定:
指导教师签名:
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- 基本 运算器 静态 随机 存储器 实验 报告
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