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计算机组成原理实验报告

实验一根本运算器实验

一、实验目的

了解运算器的组成结构

掌握运算器的工作原理

深刻理解运算器的控制信号

二、实验设备

PC机一台、TD-CMA实验系统一套

三、实验原理

(思考题)运算器的组成包括算数逻辑运算单元ALU〔ArithmeticandLogicUnit〕、浮点运算单元FPU〔FloatingPointUnit〕、通用存放器组、专用存放器组。

算术逻辑运算单元ALU〔ArithmeticandLogicUnit〕

ALU主要完成对二进制数据的定点算术运算〔加减乘除〕、逻辑运算〔与或非异或〕以及移位操作。在某些CPU中还有专门用于处理移位操作的移位器。

通常ALU由两个输入端和一个输出端。整数单元有时也称为IEU〔IntegerExecutionUnit〕。我们通常所说的“CPU是XX位的”就是指ALU所能处理的数据的位数。

浮点运算单元FPU〔FloatingPointUnit〕

FPU主要负责浮点运算和高精度整数运算。有些FPU还具有向量运算的功能，另外一些那么有专门的向量处理单元。

通用存放器组

通用存放器组是一组最快的存储器，用来保存参加运算的操作数和中间结果。

专用存放器

专用存放器通常是一些状态存放器，不能通过程序改变，由CPU自己控制，说明某种状态。

而运算器内部有三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，逻辑运算部件由逻辑门构成，而后面又有专门的算术运算部件设计实验。

下列图为运算器内部原理构造图

运算器的控制信号

实验箱中所有单元的T1、T2、T3、T4都连接至控制总线单元的T1、T2、T3、T4，CLR都连接至CON单元的CLR按钮。T4由时序单元的TS4提供〔脉冲信号〕，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T4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。

下列图为ALU和外围电路的连接。图中的小方框代表排针座。

在运算器的工作过程中，S3S2S1S0和CN为控制信号，FC为进位标志，FZ为运算器零标志。运算器的逻辑功能见下表，表中功能栏的FC、FZ表示当前运算会影响到该标志。

〔思考题〕运算器功能的选择：

如图在表中，可以通过调整S3S2S1S0和CN的值来改变运算类型，功能如上图所示，不同的S3S2S1S0和CN的值对应不同的运算类型和结果。

CON单元的数据开关控制数据的形成。

〔思考题〕运算器的数据通路：

以下为数据通路图

〔思考题〕运算器的各组成部件的控制信号的作用:

LDA和LDB控制存入数据的位置〔具体运行方式如上图所示〕

SD27到SD20通过开和关两个状态控制输入数据

而S3S2S1S0和Cn控制运算的类型〔Cn只用于移位运算〕

四、实验内容

(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)将时序与操作台单元的开关KK2置为‘单拍’档,开关KK1、KK3置为‘运行’档。(3)

翻开电源开关，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，形成二进制或其它数值〕，数据显

示亮为‘1’，灭为‘0’。

②置LDA=1，LDB=0，连续按动时序单元的ST按钮，产生一个T4上沿，那么将二进制置入暂存器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，形成二进制或其它数值〕。

②置LDA=0，LDB=1，连续按动时序单元的ST按钮，产生一个T4上沿，那么将二进制数

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，那么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：翻开软件，选择联机软件的“【实验】—【运算器实验】”，翻开运算器