微机原理及应用课程设计算术逻辑单元设计20页doc.docx
- 文档编号:3161688
- 上传时间:2022-11-18
- 格式:DOCX
- 页数:15
- 大小:222.80KB
微机原理及应用课程设计算术逻辑单元设计20页doc.docx
《微机原理及应用课程设计算术逻辑单元设计20页doc.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《微机原理及应用课程设计算术逻辑单元设计20页doc.docx(15页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
微机原理及应用课程设计算术逻辑单元设计20页doc
电气与电子信息工程学院
微机原理技术课程设计报告
设计题目:
算术逻辑单元设计
专业班级:
学生姓名:
学号:
指导教师:
设计时间:
2011.06.27-2011.07.08
教师评语:
成绩评阅教师日期
第1章绪论
1.1算术逻辑单元发展及现状
算术逻辑单元(arithmeticlogicunit,缩写ALU)是进行整数运算的结构。
现阶段是用电路来实现,应用在电脑组芯片中。
在计算机中,算术逻辑单元(ALU)是专门执行算术和逻辑运算的数字电路。
ALU是计算机中央处理器的最重要成部分,甚至连最小的微处理器也包含ALU作计数功能。
在现代CPU和GPU处理器中已含有功能强大和复杂的ALU;一个单一元件也可能含有ALU。
1945年数学家冯诺伊曼在一篇介绍被称为EDVAC的一种新型电脑的基础构成的报告中提出ALU的概念。
早期发展
1946年,冯诺伊曼与同事合作为普林斯顿高等学习学院(IAS)设计计算机。
随后IAS计算机成为后来计算机的原形。
在论文中,冯诺伊曼提出他相信计算机中所需的部件,其中包括ALU。
冯诺伊曼写到,ALU是计算机的必备组成部分,因为已确定计算机一定要完成基本的数学运算,包括加减乘除。
于是他相信「(计算机)应该含有专门完成此类运算的部件。
」
数字系统
ALU必须使用与数字电路其他部分使用同样的格式进行数字处理.对现代处理器而言,几乎全都使用二进制补码表示方式。
早期的计算机曾使用过很多种数字系统,包括反码、符号数值码,甚至是十进制码,每一位用十个管子。
以上这每一种数字系统所对应的ALU都有不同的设计,而这也影响了当前对二进制补码的优先选择,因为二进制补码能简化ALU加法和减法的运算。
一个简单的能进行与或非和加运算的2位ALU。
可行性分析
绝大部分计算机指令都是由ALU执行的。
ALU从寄存器中取出数据,数据经过处理将运算结果存入ALU输出寄存器中。
其他部件负责在寄存器与内存间传送数据。
控制单元控制着ALU,通过控制电路来告诉ALU该执行什么操作。
简单运算
大部分ALU都可以完成以下运算∶
整数算术运算(加、减,有时还包括乘和除,不过成本较高)
位逻辑运算(与、或、非、异或)
移位运算(将一个字向左或向右移位或浮动特定位,而无符号延伸),移位可被认为是乘以2或除以2。
复杂运算
工程师可设计能完成任何运算的ALU,不论运算有多复杂;问题在于运算越复杂,ALU成本越高,在处理器中占用的空间越大,消耗的电能越多。
于是,工程师们经常计算一个折中的方案,提供给处理器(或其他电路)一个能使其运算高速的ALU,但同时又避免ALU设计的太复杂而价格昂贵。
部ALU。
工程师一般认为ALU是处理整数型(比如补码和BCD码)算术运算的的电路,而对更为复杂的格式(比如浮点型、复数型)进行计算的电路则拥有一个更加匹配的称谓。
1.2实验目的
了解算术逻辑运算单元的工作原理及构成,掌握简单运算器的数据传输方式,掌握74LS181的功能和应用。
了解算术逻辑运算单元的系统设计,包括硬件设计和软件设计,并能通过实验验证。
1.3实验原理
运算器由2片74LS181构成8位字长的ALU单元。
2片74LS374作为2个数据锁存器(DR1、DR2),8芯插座ALU-IN作为数据输入器,可通过短8芯扁平电缆,把数据输入端连接到数据总线上。
运算器的数据输出端由一片74LS244(输出缓冲器)来控制,8芯插座ALU-OUT作为数据输出端,可通过短8芯扁平电缆把数据输出端连接到数据总线上。
算术逻辑单元可完成数据的算术、逻辑运算,如不带进位的位逻辑或运算,不带进位的位加法运算。
数据输入锁存器DR1的EDR1为低电平,并且D1CK有上升沿时,把来自数据总线的数据打入锁存器DR1。
同样使EDR2为低电平,D2CK有上升沿时把数据总线上的数据打入数据锁存器DR2。
算术逻辑运算单元的核心是由2片74LS181组成,它可以进行2个8位二进制数的算术逻辑运算,74LS181的各种工作方式可通过设置其控制信号来实现(S0、S1、S2、S3、M、CN)。
当实验者正确设置了74LS181的各个控制信号,74LS181会运算数据锁存器DR1、DR2内的数据。
由于DR1、DR2已经把数据锁存,只要74LS181的控制信号不变,那么74LS181的输出数据也不会发生改变。
输出缓冲器采用74LS244,当控制信号ALU-O为低电平时,74LS244导通,把74LS181的运算结果输出到数据总线;当ALU-O为高电平时,74LS244的输出为高阻
。
表1-1控制信号说明
信号名称
作用
有效电平
EDR1
选通DR1寄存器
低电平有效
EDR2
选通DR2寄存器
低电平有效
DR1CK
DR1寄存器工作脉冲
上升沿有效
DR2CK
DR2寄存器工作脉冲
上升沿有效
S0-S1
74LS181工作方式选择
M
选择逻辑或算术运算
CN
有无进位输入
CCK
进位寄存器的工作脉冲
上升沿有效
ALU-O
74LS181计算结果输出至总线
低电平有效
1.4实验意义
通过这次实验,使我明白了算术逻辑单元的组成以及组成它的各种芯片的图及引脚功能,掌握了简单运算器的数据传输方式和74LS181的功能和应用。
增强了我对算术逻辑单元的理解和认识,同时也增强了所学理论知识和实际的联系,增加了对微机原理及应用这门课的认识和兴趣。
第2章系统设计
2.1硬件介绍
2.1.1芯片介绍
74LS181为算术逻辑单元/函数产生器(32个功能),能执行16中算术运算和16种逻辑运算。
当工作方式控制端(M)为低电平时执行算术运算,当方式控制端(M)为高电平时执行逻辑运算。
运算功能由功能选择端(S0-S3)决定。
利用A等于B输出端(FA-B),181还可作为数值比较器。
当M﹑S0﹑S3为低电平,S1﹑S2﹑/CIn为高电平时,如果A和B两字相等,则FA-B为高电平。
由于FA-B为集电极开路输出,可以线与连接,因而可做大于4位的比较。
进位输出端(/COn+4)也可用来提供相对信息的大小,此时M﹑S0﹑S3为低电平,S1﹑S2为高电平
图2-174LS181的引脚图
74LS181引脚功能
表2-174LS181的功能表
方式
M=1逻辑运算
M=0算术运算
S3S2S1S0
逻辑运算
CN=1(无进位)
CN=0(有进位)
0000
F=/A
F=A
F=A加1
0001
F=/(A+B)
F=A+B
F=(A+B)加1
0010
F=/AB
F=A+/B
F=(A+/B)加1
0011
F=0
F=减1(2的补)
F=0
0100
F=/(AB)
F=A加A/B
F=A加A/B加1
0101
F=/B
F=(A+B)加A/B
F=(A+B)加A/B加1
0110
F=A⊕B
F=A减B减1
F=A减B
0111
F=A/B
F=A/B减1
F=A减B
1000
F=/A+B
F=A加AB
F=A加AB加1
1001
F=/(A⊕B)
F=A加B
F=A加B加1
1010
F=B
F=(A+/B)加AB
F=(A+/B)加AB加1
1011
F=AB
F=AB减1
F=AB
1100
F=1
F=A加A
F=A加A加1
1101
F=A+/B
F=(A+B)加A
F=(A+B)加A加1
1110
F=A+B
F=(A+/B)加A
F=(A+/B)加A加1
1111
F=A
F=A减1
F=A
74LS244为3态8位缓冲器,一般用作总线驱动器。
74LS244没有锁存的功能。
地扯锁存器就是一个暂存器,它根据控制信号的状态,将总线上的地扯代码暂存起来。
图2-274LS244芯片引脚图
74LS244引脚功能
/1G,/2G:
控制端,控制4个三态门
1A1-1A4,2A1-2A4:
输入端
1Y1-1Y4,2Y1-2Y4:
输出端
表2-274LS244真值表
74LS374为具有三态输出的八D边沿触发器。
74LS374的输出端Q0-Q7可直接与总线相连。
当三态允许控制端OE为低电平时,可用来驱动负载或总线。
当OE为高电平时,Q0-Q7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。
在时钟端CP脉冲上升沿的作用下,0随数据D而变。
图2-374LS374芯片引脚图
74LS374引脚功能
OE:
三态允许控制端(低电平有效)
CP:
时钟输入端
D0-D7:
数据输入端
Q0-Q7:
输出端
表2-374LS374真值表
Di
CP
OE*
Qi
1
↑
0
1
0
↑
0
0
X
X
1
高阻
2.1.2原理图
图2-4原理图
2.2软件设计
2.2.1流程图
不带进位为逻辑或运算
不带进位位加法运算
开始
把33H送DR1
把55H送DR2
33H与55H做不带进位位加法运算
把运算结果输出
结束
2.2.2编程
不带进位为逻辑或运算
MOVDR1,33H
MOVDR2,55H
ORDR1,DR2
OUTDR1
不带进位位加法运算
CLRC
MOVDR1,33H
MOVDR2,55H
ADDDR1,DR2
OUTDR1
第3章实验验证
3.1实验验证
把ALU-IN(8芯的盒型插座)与CPT-B板上的二进制开关单元中J1插座相连(对应二进制开关H16-H23),把ALU-OUT(8芯的盒型插座)与数据总线上的DJ2相连。
把D1CK和D2CK用连线连到脉冲单元的PLS1上,把EDR1、EDR2、ALU-O、S0、S1、S2、S3、CN、M接入二进制开关(请按下表接线)
表3-1
信号定义
接入开关信号
D1CK
PLS1孔
D2CK
PLS1孔
EDR1
H8孔
EDR2
H7孔
ALU-O
H6孔
CN
H5孔
M
H4孔
S0
H3孔
S1
H2孔
S2
H1孔
S3
H0孔
按启停单元的运行按钮,使试验机处于运行状态。
二进制开关H16-H23作为数据输入,置33H(对应开关如下表)
表3-2
H23
H22
H21
H20
H19
H18
H17
H16
数据总线值
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
8位数据
0
0
1
1
0
0
1
1
33H
置各控制信号如下:
表3-3
H8
H7
H6
H5
H4
H3
H2
H1
H0
EDR1
EDR2
ALU-O
CN
M
S3
S2
S1
S0
0
1
0
1
1
1
1
1
0
按脉冲单元中的PLS1脉冲按键,在D1CK上产生一个上升沿,把33H打入DR1数据锁存器,通过逻辑笔或示波器来测量确定DR1寄存器(74LS374)的输出端,检验数据是否进入DR1中。
二进制开关H16-H23作为数据输入,置55H(对应开关如下表)
表3-4
H23
H22
H21
H20
H19
H18
H17
H16
数据总线
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 微机 原理 应用 课程设计 算术 逻辑 单元 设计 20 doc