TEC2实验计算机运算器实验.docx

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TEC2实验计算机运算器实验

TEC-2实验计算机运算器实验

一.实验目的

1.了解和掌握Am2901运算器的组成结构和工作原理

2.认识和掌握TEC-2机运算器的组成和工作原理

3.了解和掌握TEC-2机运算器相关控制信号偶的含义和使用方法

4.了解和掌握运算器的进位时间的测试方法，及进一步掌握双踪示波器的使用方法

二.实验原理

1.概述

运算器部件是计算机五大功能部件中的数据加工部件。

运算器的首要功能是完成对数据的算术和逻辑运算，由其内部的一个被称为算术与逻辑运算部件（ALU）来实现，它在给出运算结果的同时，还给出运算结果的标志，如溢出否，进位否，结果为零否和符号正负等，这些标志都保存在一个状态寄存器中。

运算器的第二项功能，是暂存将参加运算的数据和中间结果，由其内部的一个寄存器来承担。

因为这些寄存器可被汇编程序直接访问与使用，因此将它们称为通用寄存器，以区别那些计算机内部设置的、不能为汇编程序员访问的专用寄存器。

为了用硬件线路完成程序指令运算，运算器内一般还有一个能自行左右移位的专用寄存器，称为乘商寄存器。

TEC-2实验机的运算器核心部分是Am2901。

Am2901芯片是一个4位的位片结构的完整的运算器部件。

对运算器的控制与操作，指的是如何让运算器完成所预期的操作功能。

这是通过正确地向其提供控制信号。

包括选哪个（哪些）数据参加运算，执行何种运算功能，对运算结果（值和特征）如何保存与送出等；同时，要解决正确向运算器提供参加运算数据的种种问题，包括从外部向运算器送入数据，正确给出ALU最低的进位信号，运算器左右移位操作中的移位输入信号等。

给出正确的数据的来源和正确的控制信号，运算器就执行规定的操作功能。

在计算机整体运行过程中，运算器用到的控制信号是由计算机的控制部件提供；从教学实验需求考虑，如TEC-2机运算器运行中用到的数据和控制信号，也可以通过该教学计算机上的16个手拨数据开关和24个手拨微型开关来实现。

2.Am2901运算器

一、Am2901芯片内部组成结构

Am2901芯片是一个4位的位片结构运算部件，是一个完整的运算器，只是位数较少，具有很好的典型性，是个理想的教学实例。

其内部组成结构如下图所示：

（1）4位的ALU，实现8种运算功能，其每一位上的2个输入数据分别用R和S表示。

这八种功能的选择控制，是用外部送入的3位编码值I5~I3实现的。

ALU还能给出Cn+4、F、OVR和F=0000四位状态信息，并能接受最低位的一个输入信号Cn。

（2）16个4位的通用寄存器组，用R0~R15表示，和一个4位的Q寄存器，通用寄存器组为双端读出和单端控制，而且运算后的结果经过一个移位器实现写入。

Q寄存器本身具有左移右移功能且能接受ALU的运算结果。

（3）能接收外部送入的4位数据D3~D0，并输入4位的数据Y3~Y0。

（4）从图上可以看到，ALU的两个输入端R和S分别可以接收D输入，A端口或逻辑0数据，和A端口、B端口、Q寄存器和逻辑0数据。

（5）Am2901还采用另外3位外部送来的控制信号I8~I6。

（6）通用寄存器组通过A端口，B端口读出内容的输出处均有锁存器线路支持，以保证在执行诸如A+B结果送B运算时操作的正确性。

3、Am2901的操作时序

图3.3Am2901的时钟信号的作用

4.Am2901芯片的控制信号及其控制码与操作

Am2901戏弄的控制信号有9个，即I8~I0，这9个控制信号分为三组，它们是：

（1）I8、I7、I6：

选择运算结果或有关数据以何种方式送往何处；

（2）I5、I4、I3：

选择ALU的运算功能，共八种；

（3）I2、I1、I0：

选择送入进行运算的两个操作数据R和S的来源。

这三种控制信号与相关控制码的关系如下表3.1所示：

表3.1Am29019个控制信号I8~I0

控制码

I8、I7、I6

I5、I4、I3

I2、I1、I0

000

F→Q

F

R+S

A

Q

001

无

F

S–R

A

B

010

F→B

A

R–S

0

Q

011

F→B

F

R∨S

0

B

100

F/2→B

Q/2→Q

F

R∧S

0

A

101

F/2→B

F

/R∧S

D

A

110

2F→B

2Q→Q

F

RS

D

Q

111

2F→B

F

R⊙S

D

0

寄存器结果选择

Y输出选择

运算功能选择

R

S

注：

R、S中的“0”为逻辑0。

5.TEC-2机运算器

如图：

图3.6完整的16位运算器的组成框图

4片间的连接关系是：

16位的数据输入有4片各各自的D3~D0组成，其位序号从高位芯片向低位芯片顺序排成D15~D0。

16位的数据输出由4片各自的Y3~Y0组成，其为序号从高位芯片向低位芯片顺序排成Y1~Y0。

高地位进位关系的3组信号。

其他的计组输入信号，对4片Am2901期间来说应该有相同的值，包括/OE（控制选通Y的输出），A地址，B地址，I8~I0，和工作脉冲CP，故应将4个芯片的这些管脚连接一起。

6.TEC-2机运算器部件的辅助组成部分

**标志位的含义及取值：

S:

符号标志，负数为1；

V:

溢出标志，溢出则为1；

Z:

运算结果标志，结果为0则为1；

C:

进/借位标志，有则为1

三位微码与这8种处理的对应关系，以用表格形式给出在TEC-2的操作卡上，

如表3.2所示。

表3.2三位微码与状态位的关系表

SST编码

状态位输入

说明

B34B33B32

C

Z

V

S

000

C

Z

V

S

四个标志位的值保持不变

001

CY

F=0

OV

F15

接收ALU的标志位输出值

010

IB7

IB6

IB5

IB4

恢复标志位现场值

011

0

Z

V

S

置C为0，另三个标志不变

100

1

Z

V

S

置C为1，另三个标志不变

101

RAM0

Z

V

S

右移操作，另三个标志不变

110

RAM15

Z

V

S

左移操作，另三个标志不变

111

Q0

Z

V

S

联合右移，另三个标志不变

运算器最低位进位信号的给出与控制（SCi）

运算器最低位的进位信号Cin可能为0、1、c标志的值，为了测试与实验方便，有时可送入一个连续的方波信号，当认运算执行16位全1与这个最低位的进位方波信号相加时，则加法器每一位的输出结果均为方波，有利于观察和测试。

表3.3

SCi编码（B11、B10）

00

01

10

11

Cin取值

0

1

C

TCLK方波

运算器最高位，最低位的一如信号（SSH）

表3.4

控制码SSH

左移

右移

说明

B9B8

RAM0Q0

RAM15Q15

00

0X

0X

通用寄存器逻辑位移

01

CX

CX

通用寄存器与C循环移位

10

Q15/F15

CYRAM0

原码除（左移）乘（右移）

11

XX

F15⊕OVRRAM0

右移用于补码乘法

说明：

•表中“X”为任意值，表示取任意值都不受影响

•当通用寄存器本身移位时，Q寄存器不受影响

•乘除法运算要求通用寄存器与Q寄存器联合移位，没有Q寄存器单独移位功能

•左右移是由指令功能确定的

•SSH为0，用于逻辑移位指令

为1，用于循环移位指令

为2，用于乘除法运算的联合移位及上商

为3，用于算术右移指令，或补码乘法计算

三.实验内容

I.脱机实验

（1）将TEC-2机功能开关FS4置为“1”

（2）将TEC-2机主脉冲置为单步方式，即STEP/CONT开关STEP一边

（3）用D0+0→R0将立即数D0置入寄存器R0

波特率开关

数据开关

SW2（共12位，最末三位未用）

SW1（共12位）

MI876

MI543

MI210

未用

A口

B口（R0）

SCI

SSH

D15-D0

011

000

111

000

0000

0000

00

00

A000H

1.按上表设置各控制信号（MI8-MI0为垂直板元件V60SW2，A口、B口、SCI、SSH为垂直板元件V61SW1）

2.按上表设置十六位数据开关（为：

“A000H”，即“1010000000000000”）

3.按压一次STEP键后，立即数D0即置入寄存器R0中

波特率开关

数据开关

SW2（共12位，最末三位未用）

SW1（共12位）

MI876

MI543

MI210

未用

A口

B口（R1）

SCI

SSH

D15-D0

011

000

111

000

0000

0001

00

00

9000H

（4）用D1+0→R1将立即数D1置入寄存器R1

1.按上表设置各控制信号（MI8-MI0为垂直板元件V60SW2，A口、B口、SCI、SSH为垂直板元件V61SW1）

2.按上表设置十六位数据开关（为：

“9000”，即“1001000000000000”）

3.按压一次STEP键后，立即数D1即置入寄存器R1中

（5）对R0和R1进行各种算术、逻辑运算。

将开关S2、S1、S0置于“110”，指示灯将显示ALU的运算结果；将开关S2、S1、S0置于“000”，指示灯将显示SVZC的状态。

功能

MI8~6

MI5~3

MI2~0

A口

B口

按压STEP前

按压STEP后

ALU输出

SVZC

ALU输出

SVZC

R1+R0→R0

R0+0→R0

R0-R1→R0

0+R0→R0

R1∨R0→R0

0+R0→R0

R1∧R0→R0

0+R0→R0

R1⊕R0→R0

0+R0→R0

R1+R0+C→R0

0+R0→R0

R0*2→R0

0+R0→R0

R0+1→R0

0+R0→R0

SCi的设置：

R0+R1+C→R0，SCi=；R0+1→R0，SCi=；其余SCi=

II.联机实验。

（1）将FS1~FS4置成1010，STEP/CONT置成CONT，启动TEC-2机，进入监控程序。

（2）在联机状态下，在命令行状态用“A”命令输入下列程序：

>A800

0800:

MOVR0,A000

MOVR1,9000

0804:

ADDR0,R1

SUBR0,R1

ORR0,R1

ANDR0,R1

XORR0,R1

ADCR0,R1

SHLR0

INCR0

RET

（3）用“G”，命令运行程序

在命令行提示符状态下输入：

>G800

执行上面输入的程序

（4）用“R”命令观察运行结果及状态

在命令行提示符状态下输入：

>R

观察运行结果及状态

屏幕将显示：

R0=2001R1=9000R2=0000R3=0000SP=0FD0PC=0800IP=00CD....

R9=0000R10=0000…F=00011111

0800:

2C00A000MOVR0A000

（5）用“T”或“P”命令单步执行

在命令行提示符状态下输入

>T

或

>P

执行完后，观察运行结果及状态。

四.实验器材

（1）TEC-2机一台，电脑一台

（2）示波器一台

五.实验分析与设计

根据实验内容板块中所述，一步一步进行实验，得到实验结果如下图表所示：

功能

MI8~6

MI5~3

MI2~0

A口

B口

按压STEP前

按压STEP后

ALU输出

SVZC

ALU输出

SVZC

R1+R0→R0

011

000

001

0001

0000

3000

1000

C000

0001

R0+0→R0

011

000

011

XXXX

0000

3000

0001

3000

0000

R0-R1→R0

011

001

001

0001

0000

A000

0000

1000

1000

0+R0→R0

011

000

011

XXXX

0000

A000

1000

A000

1000

R1∨R0→R0

011

011

001

0001

0000

B000

1000

B000

1000

0+R0→R0

011

000

011

XXXX

0000

B000

1000

B000

1000

R1∧R0→R0

011

100

001

0001

0000

9000

1000

9000

1000

0+R0→R0

011

000

011

XXXX

0000

9000

1000

9000

1000

R1⊕R0→R0

011

110

001

0001

0000

0000

1000

9000

0010

0+R0→R0

011

000

011

XXXX

0000

0000

0010

0000

0010

R1+R0+C→R0

011

000

001

0001

0000

9000

0010

2000

1000

0+R0→R0

011

000

011

XXXX

0000

9000

1000

9000

1000

R0*2→R0

111

000

011

XXXX

0000

9000

1000

2000

1000

0+R0→R0

011

000

011

XXXX

0000

2000

1000

2000

0000

R0+1→R0

011

000

011

XXXX

0000

2001

0000

2002

0000

0+R0→R0

011

000

011

XXXX

0000

2001

0000

2001

0000

SCi的设置：

R0+R1+C→R0，SCi=10；R0+1→R0，SCi=01其余SCi=00

六.思考题

（1）在脱机方式下进行运算器实验时，在按STEP键之前和按STEP之后，ALU的输出结果及状态SVZC有何不同？

为什么？

根据Am2901运算器的组成结构及其工作原理加以说明。

答：

AB锁存器的控制信号如下图，按下step键是通过脉冲信号把总线的数据保存到B口地址所指定的通用寄存器中，并将ALU产生的SVZC标志信号送出给接收端。

而ALU是逻辑电路，不需要脉冲信号的参与便可以自行工作运算。

当我们设置好相应微码和A、B口地址之后，便立即输出了该次运算功能的运算结果，此时ALU也已经得到SVZC的值，但并没有把该次运算的运算结果的标志传给标志寄存器；当我们按下STEP之后，ALU的输出结果则为运算器再做一次同样的运算功能的运算结果，而此时该次运算的运算结果的标志传给标志寄存器，SVZC所显示的值是上一次标志位寄存器的值，也即我们想得到的结果。

综合上述可知，在按压step之前，ALU输出就已经是我们想要的运算结果，而SVZC则是上一次运算结果的SVZC；而按下step之后，ALU输出就是再次执行相同运算后的结果，并非我们所需要的结果，而SVZC则是我们所需的运算结果的SVZC。

（2）写出实现以下功能操作的微码：

（按下表形式写）

A．（R10+R0）Q–>R0Q，联合左移

B.D-B->其中D为数据，B为B寄存器。

C.0->R0，要求不要用立即数传送方式。

功能操作

MI876

MI543

MI210

A口地址

B口地址

A．（R10+R0）Q→R0Q联合左移

110

000

001

1010

0000

功能操作

MI876

MI543

MI210

A口地址

B口地址

B．D–B→B

B->Q

000

000

011

0000

B

D-Q->B

011

010

110

0000

B

C．0→R0

R0⊕R0->R0

011

110

001

0000

0000

R0-R0->R0

011

001

001

0000

0000

/R0∧R0→R0

011

101

001

0000

0000

D∧0→R0

011

100

111

0000

0000

Q∧0→R0

011

100

010

0000

0000