掌握运算器的组成及工作原理.docx
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掌握运算器的组成及工作原理
实验一运算器实验
一、实验目的：
1．掌握运算器的组成及工作原理；
2．了解4位函数发生器74LS181的组合功能，熟悉运算器执行算术操作和逻辑操作的具体实现过程；
3．验证带进位控制的74LS181的功能。
二、预习要求：
１复习本次实验所用的各种数字集成电路的性能及工作原理；
２预习实验步骤，了解实验中要求的注意之处。
三、实验设备：
EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套，排线若干。
四、电路组成：
B0
B7
本模块由算术逻辑单元ALU74LS181（U29、U30）、暂存器74LS273（U27、U28）、三态门74LS244（U31）和进位控制电路GAL芯片（U32）等组成。
电路图见图1-1（a）、1-1（b）。
图1-1（a）ALU电路
图1-1（b）GAL芯片进位控制电路
算术逻辑单元ALU是由两片74LS181构成。
74LS181的功能控制条件由S3、S2、S1、S0、M、Cn决定。
高电平工作方式74LS181的功能、管脚分配和引出端功能符号详见表1-1、图1-2和表1-2。
两片74LS273构成两个八位数据暂存器，运算器的输出采用三态门74LS244。
它们的管脚分配和引出端功能符号详见图1-3和图1-4。
图1-274LS181管脚分配表1-274LS181输出端功能符号
74LS181功能表见表1－1，其中符号“＋”表示逻辑“或”运算，符号“*”表示逻辑“与”运算，符号“/”表示逻辑“非”运算，符号“加”表示算术加运算，符号“减”表示算术减运算。
选择
M=1
逻辑操作
M=0算术操作
S3S2S1S0
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=/A*B
F=A+/B
F=（A+/B）加1
0011
F=0
F=减1（2的补）
F=0
0100
F=/（A*B）
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+A*/B）
F=A减B减1
F=A减B
0111
F=A*/B
F=A*/B减1
F=A*/B
1000
F=/A+B
F=A加A*B
F=A加A*B加1
1001
F=/（/A*B+A*/B）
F=A加B
F=A加B加1
1010
F=B
F=（A+/B）加A*B
F=（A+/B）加A*B加1
1011
F=A*B
F=A*B减1
F=A*B
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
表1-174LS181功能表
图1-3（a）74LS273管脚分配图1-3（b）74LS273功能表
图1-4（a）74LS244管脚分配图1-4（b）74LS244功能
五、工作原理：
运算器的结构框图见图1-5：
算术逻辑单元ALU是运算器的核心。
集成电路74LS181是4位运算器，两片74LS181以并／串形式构成8位运算器。
它可以对两个八位二进制数进行多种算术或逻辑运算，74LS181有高电平和低电平两种工作方式，高电平方式采用原码输入输出，低电平方式采用反码输入输出，这里采用高电平方式。
三态门74LS244作为输出缓冲器由ALU-G信号控制，ALU-G为“0”时，三态门开通，此时其输出等于其输入；ALU-G为“1”时，三态门关闭，此时其输出呈高阻。
两片74LS273作为两个八位数据暂存器，其控制信号分别为LDR1和LDR2，当LDR1和LDR2为高电平有效时，在T4脉冲的前沿，总线上的数据被送入暂存器保存。
六、实验内容：
验证74LS181运算器的逻辑运算功能和算术运算功能。
七、实验步骤：
Ⅰ、单片机键盘操作方式实验
注：
在进行单片机键盘控制实验时，必须把开关K4置于“OFF”状态，否则系统处于自锁状态，无法进行实验。
1.实验连线（键盘实验）：
实验连线图如图1－6所示。
（连线时应按如下方法：
对于横排座，应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上；对于竖排座，应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。
）
图1－6实验一键盘实验连线图
2．实验过程：
在监控指示灯滚动显示【CLASSSELECt】时按【实验选择】键，显示【ES--__】输入01或1，按【确认】键，监控指示灯显示为【ES01】，表示准备进入实验一程序，也可按【取消】键来取消上一步操作，重新输入。
再按【确认】键，进入实验一程序，监控指示灯显示【InSt--】，提示输入运算指令，输入两位十六进制数（参考表1－3和表1－1），选择执行哪种运算操作。
按【确认】键，监控指示灯显示【Lo=0】,此处Lo相当于表1－1中的M，默认为“0”，进行算术运算，也可以输入“1”，进行逻辑运算。
按【确认】，显示【Cn=0】,默认为“0”，由表1－1可见，此时进行带进位运算，也可输入“1”，不带进位运算（注：
如前面选择为逻辑运算，则Cn不起作用）。
按【确认】，显示【Ar=1】，不用改变，使用默认值“1”，按【确认】，显示【DATA】，提示输入第一个数据，输入十六进制数【34H】，按【确认】，显示【DATA】，提示输入第二个数据，输入十六进制数【B6H】，按【确认】键，监控指示灯显示【FINISH】，表示运算结束，可从数据总线显示灯观察运算结果。
再按【确认】后监控显示灯显示【ES01】，可执行下一运算操作。
运算指令（S3S2S1S0）
输入数据（十六进制）
0000
00或0
0001
01或1
0010
02或2
0011
03或3
0100
04或4
0101
05或5
0110
06或6
0111
07或7
1000
08或8
1001
09或9
1010
0A或A
1011
0B或B
1100
0C或C
1101
0D或D
1110
0E或E
1111
0F或F
表1-3运算指令关系对照表
在给定LT1=34H、LT2=B6H的情况下，改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，填入表中，并和理论值进行比较和验证：
LT1
LT2
S3S2S1S0
M=0（算术运算）
M=1（逻辑运算）
Cn=1（无进位）
Cn=0（有进位）
34H
B6H
00或0
F=
F=
F=
01或1
F=
F=
F=
02或2
F=
F=
F=
03或3
F=
F=
F=
04或4
F=
F=
F=
05或5
F=
F=
F=
06或6
F=
F=
F=
07或7
F=
F=
F=
08或8
F=
F=
F=
09或9
F=
F=
F=
0A或A
F=
F=
F=
0B或B
F=
F=
F=
0C或C
F=
F=
F=
0D或D
F=
F=
F=
0E或E
F=
F=
F=
0F或F
F=
F=
F=
Ⅱ、开关控制操作方式实验
注：
为了避免总线冲突，首先将控制开关电路的ALU-G和C-G拨到输出高电平“1”状态（所对应的指示灯亮。
）
本实验中所有控制开关拨动，相应指示灯亮代表高电平“1”，指示灯灭代表低电平“0”。
1.按图1－7接线图接线：
连线时应注意：
为了使连线统一，对于横排座，应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上；对于竖排座，应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。
ALUJ1运算器电路
S3S2S1S0MCnALU-GARLDR1LDR2
读写控制电路
T4
BD7…….BD0
数据总线
BD7…….BD0
DIJ1DIJ-G
数据输入电路
C-GS3S2S1S0MCnALU-GARLDR1LDR2
控制开关电路
T+finf/8
脉冲源及时序电路
图1－7实验一开关实验接线图
2.通过数据输入电路的拨开关开关向两个数据暂存器中置数：
注意：
本实验中ALU-G和C-G不能同时为0，否则造成总线冲突，损坏芯片！
故每次实验时应时刻保持只有一路与总线相通。
1）置ALU-G＝1：
关闭ALU的三态门Ｕ31（74LS244）；再置C-G=0：
打开数据输入电路的三态门；
2）向数据暂存器LT1（Ｕ27，74LS273）中置数：
（1）设置数据输入电路的数据开关“D７……D0”为要输入的数值，如“01010101”；
（2）置LDR1＝1：
使数据暂存器LT1（Ｕ27，74LS273）的控制信号有效，置LDR2＝0：
使数据暂存器LT2（Ｕ28，74LS273）的控制信号无效；
（3）按一下脉冲源及时序电路的【单脉冲】按钮，给暂存器LT1（Ｕ27，74LS273）送时钟，上升沿有效，把数据存在LT1中。
3）向数据暂存器LT2（Ｕ28，74LS273）中置数：
（1）设置数据输入电路的数据开关“D７……D0”为想要输入的数值，如“10101010”；
（2）置LDR1＝0：
数据暂存器LT1的控制信号无效；置LDR2＝1：
使数据暂存器LT2的控制信号有效。
（3）按一下脉冲源及时序电路的“单脉冲”按钮，给暂存器LT1（Ｕ27，74LS273）送时钟，上升沿有效，把数据存在LT2中。
（4）置LDR1＝0、LDR2＝0，使数据暂存器LT1、LT2的控制信号无效。
4）检验两个数据暂存器LT1和LT2中的数据是否正确：
（1）置C-G=1，关闭数据输入电路的三态门，然后再置ALU-G=0，打开ALU的三态门；
（2）置“S3S2S1S0M”为“11111”，数据总线显示灯显示数据暂存器LT1中的数“01010101”，表示往暂存器LT1置数正确；
（3）置“S3S2S1S0M”为“10101”，数据总线显示灯显示数据暂存器LT2中的数“10101010”，表示往暂存器LT2置数正确。
3．验证74LS181的算术和逻辑功能:
LT1
LT2
S3S2S1S0
M=0（算术运算）
M=1（逻辑运算）
Cn=1（无进位）
Cn=0（有进位）
34H
B6H
0000
F=
F=
F=
0001
F=
F=
F=
0010
F=
F=
F=
0011
F=
F=
F=
0100
F=
F=
F=
0101
F=
F=
F=
0110
F=
F=
F=
0111
F=
F=
F=
1000
F=
F=
F=
1001
F=
F=
F=
1010
F=
F=
F=
1011
F=
F=
F=
1100
F=
F=
F=
1101
F=
F=
F=
1110
F=
F=
F=
1111
F=
F=
F=
按实验步骤2往两个暂存器LT1和LT2分别存十六进制数“34H”和“B6H”，在给定LT1=34H、LT2=B6H的情况下，通过改变“S3S2S1S0MCn”的值来改变运算器的功能设置，通过数据总线指示灯显示来读出运算器的输出值F，填入下表中，参考表1－1的功能表，分析输出F值是否正确。
4．验证带进位控制的算术运算功能发生器的功能：
1）进位标志CY清零：
进位标志指示灯CY初始状态为灭，表示当前进位为“1”，可按如下步骤对它进行清零操作。
（1）置S3S2S1S0M＝“00000”，AR＝0（AR为进位控制信号）；
（2）按一下脉冲源及时序电路的【单脉冲】按钮，进位标志指示灯CY亮，表示当前进位为“0”。
2）验证带进位运算及进位的锁存功能：
（1）首先将控制开关电路的所有开关拨到输出高电平“1”状态，所有对应的指示灯亮。
（2）置ALU-G＝1：
关闭ALU的三态门Ｕ31（74LS244）；再置C-G=0：
打开数据输入电路的三态门；
（3）置数据输入电路的数据开关“D７……D0”＝“10000000”，置LDR1＝1，使数据暂存器LT1（Ｕ27，74LS273）的控制信号有效，置LDR2＝0，使数据暂存器LT2（Ｕ28，74LS273）的控制信号无效，按一下脉冲源及时序电路的【单脉冲】往暂存器LT1存入数据“10000000”。
（4）置数据输入电路的数据开关“D７……D0”＝“01111111”，置LDR1＝0，使数据暂存器LT1（Ｕ28，74LS273）的控制信号无效，置LDR2＝1，使数据暂存器LT2（Ｕ27，74LS273）的控制信号有效，按一下脉冲源及时序电路的【单脉冲】往暂存器LT2存入数据“01111111”，然后置LDR2＝0，使数据暂存器LT2（Ｕ27，74LS273）的控制信号无效，准备执行下一步操作。
（5）置C-G=1，关闭数据输入电路的三态门，然后再置ALU-G=0，打开ALU的三态门，置“S3S2S1S0M”为“11111”，数据总线显示灯显示数据暂存器LT1中的数“10000000”，表示往暂存器LT1置数正确；置“S3S2S1S0M”为“10101”，数据总线显示灯显示数据暂存器LT2中的数“01111111”，表示往暂存器LT2置数正确。
（6）置ALU-G=0（注意先使C-G=1），S3S2S1S0M=“10010”，Cn=1，不带进位操作，AR=0，参考表1－1可知此时执行“F=A加B”操作，数据总线上显示“11111111”，即“10000000”加“01111111”的结果。
保持LDR1＝0和LDR2＝0，检查是否产生进位溢出，按一下【单脉冲】，进位指示灯CY亮，表示无进位溢出；
（7）置ALU-G=0（注意先使C-G=1），S3S2S1S0M=“10010”，Cn=0，即当前进位为1，AR=0，参考表1－1可知此时执行“F=A加B加1”操作，数据总线上显示“00000000”，即“10000000”加“01111111”加“1”的结果，保持LDR1＝0和LDR2＝0，检查是否产生进位溢出，按一下【单脉冲】，进位指示灯CY熄灭，表示有进位溢出；
Ⅲ、PC机联机操作方式实验
1．实验连线：
实验连线图与采用单片机键盘操作方式实验连线图一样，如图1－6所示。
2．实验步骤：
1）.将实验系统与计算机串口用实验系统的通讯电缆连接;
3）.打开实验系统上的电源开关，启动实验软件：
启动过程为开始菜单✍程序✍计算机组成原理试验系统✍计算机组成原理试验系统，也可以为该系统软件在桌面上建立快捷方式；
根据提示设置相应参数（下图）:
（本系统为8位机）
选择与计算机相连的串口，按【确定】进入下一步骤。
4）.在下面的界面中，按【确定】后，再按键盘上【联机】键，系统监控指示灯上显示【Pc-Con】，然后显示【8】，表示联机通讯成功，如果没有显示【Pc-Con】就显示【8】，则联机通讯没有成功，可检查系统。
5）.联机通讯成功后，自动进入实验选择界面：
点击试验一前面的“＋”号，再点击试验说明，查看试验步骤过程，然后点击试验步骤，出现下面的界面：
（1）.在数据总线上输入有效十六进制数据，按"Ldr1"，数据送入暂存器1，观察数据的走向；
（2）.在数据总线上输入有效十六进制数据，按"Ldr2"，数据送入暂存器2，观察数据的走向；
（3）.参考实验一的功能表表1－1，在S3...Cn上输入有效数据组合，然后点击其上面的红色区域进行运算，运算器按规定进行运算，运算结果送入三态门，观察数据的走向；
（4）.按"ALUG"，运算结果送入数据总线，观察数据的走向，观察数据总线指示灯显示的结果是否正确。
八、实验报告要求：
1．实验记录：
所有的运算结果，故障现象及排除经过；
2．通过本次实验的收获及想法。
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