计算机组成原理第一次实验

计算机组成原理计算机组成原理 实验报告实验报告 姓名 姓名 学号 学号 班级 班级 专业 专业 计算机科学与技术计算机科学与技术 报告日期 报告日期 20132013 年年 1010 月月 2626 日日 计计 算算 机机 科科 学学 与与 技技 术术 学学 院院 目目 录录 一 实验目的 1 二 实验设备 1 三 实验要求 1 1 作好预习 1 2 实验实施 1 四 设计思路 电路实现与电路分析说明 1 1 原理图 2 2 设计思路 3 3 分析说明 3 4 各芯片介绍 4 五 实验结果记录与分析 5 1 实验过程 1 构造八位运算器检测记录 5 2 实验过程 2 添加溢出检测检测记录 6 3 实验过程 3 添加 373 芯片后检测记录 6 4 实验过程 4 添加求补电路后检测记录 6 5 常用的控制位 6 6 溢出三种情况 7 六 实验步骤 7 1 实验前的准备 7 2 具体实施 7 七 实验中遇到的问题及解决办法 9 八 收获与体会 9 一 实验目的一 实验目的 1 掌握带累加器的运算器实验 2 掌握溢出检测的原理和实现方法 3 理解有符号数和无符号数运算的区别 4 理解基于补码的加 减运算实现原理 5 熟悉运算器的数据传输通路 二 实验设备二 实验设备 1 实验台 JZYL 型计算机组成原理实验仪一台 2 主要芯片 74LSl81 运算器芯片2 片 74LS373 八 D 锁存器2 片 其它基本器件若干 三 实验要求三 实验要求 1 作好预习 1 掌握运算器的数据传送通路和 74181ALU 的功能特性 2 熟悉 ALU 并行进位的工作原理和实现方法 3 掌握溢出检测的原理和实现方法 4 理解有符号数和无符号数运算 5 在课外利用 EDA 软件先设计功能电路 并进行功能仿真 2 实验实施 1 分功能模块设计各功能单元电路 对设计进行详细的分析与说明 2 逐步将各功能模块集成 3 设计特定数据 验证各模块的功能 做好数据的记录工作 四 四 设计思路 电路实现与电路分析说明设计思路 电路实现与电路分析说明 以 74LSl81 运算器芯片为核心的电路 能够实现多种运算 并能使用历史 结果数据进行累计运算 运算结果可以使用灯和数码管来显示 在功能方面要 求支持有符号数和无符号数运算 支持补码加 减运算以及支持有符号数溢出检 测等 在数据来源方面包括一个累加器和一组开关 通过手动操作 首先能够 通过运算数据存入累加器中 再选择不同的运算控制信号 实现不同功能的运 算 最后将结果存入到累加器中 1 原理图 2 设计思路 溢出部分算法 我们分别用两个灯来显示无符号和有符号的运算溢出 检测 无符号的溢出检测 直接看高位 181 芯片的向高位进位端是否是高 4n c 电平 我们把端取反后与一个检测信号灯连接 如果灯显示红色则有溢出 4n c 如果灯显示蓝色则无溢出 有符号的溢出检测 思路是两个不同符号的数相加 是不会有溢出的 只有当两个加数符号相同 而得出结果符号不同时 则表明 溢出 因此 可根据操作数和运算结果的符号是否一致进行检测 假设 A B 分 别为两块 181 芯片的最高位 F 为高位 181 芯片的进位 V 为溢出标志位 当 V 取一时表示发生溢出 则输出为 将输出与一个信号灯连接 FBAFABV 如果灯显示红色则有溢出 如果灯显示蓝色则无溢出 求补逻辑 只需将每一个输入位都与控制位 S 异或 再接入芯片原位 置即可 同时通过控制最低位的进位位 通过开关控制 开关拨下 即 n C n C 0 时 表示作加法 开关拨上 即 1 时 表示作减法 将其接入到低 n C n C 位 181 芯片的输入端即可实现求补 3 分析说明 我们的求补逻辑参考了课本求补电路的思路 因为正数的补码是其本身 只有负数的补码才取反加一 所以当我们需要输入正数时 就不需要经过求补 电路 而输入负数时 才需要通过求补逻辑求补 以上过程是由一个开关按钮 S 控制 需要输入正数时 S 拨低电平 此时也拨低电平 需要输入负数时 n C 还是以正数形式输入 S 拨到高电平 同时也拨高电平 就可以直接将其变 n C 为负数的补码形式 74LS18174LS181 的功能表 的功能表 4 各芯片介绍 1 74LS373 74LS373 是一个 8D 锁存器 当三态允许控制端 OE 为低电平 时 O0 O7 为正常逻辑状态 可用来驱动负载或总线 当 OE 为高电平时 O0 O7 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 当锁存允许端 LE 为高电平时 O 随数据 D 而变 当 LE 为低电平时 O 被锁存在已建立的数据电平 当 LE 端施密特触发器的输入滞 后作用 使交流和直流噪声抗扰度被改善 400mV 引出端符号 D0 D7 数据输入端 OE 三态允许控制端 低电平有效 LE 锁存允许端 O0 O7 输出端 74LS373 管脚图管脚图 74LS373 真值表真值表 DnLEOEOn HHLH LHLL XLLQ0 XXH高高阻阻态态 2 74LS181 74LS181 是一个四位运算器 实验中要用多个如下图所示的异 或门来实现数据的奇偶校验 五 五 实验结果记录与分析实验结果记录与分析 1 实验过程 1 构造八位运算器检测记录 构造八位运算器检测记录表构造八位运算器检测记录表 S3 S2 S1 S0 数据 A数据 B运算结果 MCn 100100000001000000010000001001 100100000010000000010000001101 100100000001000000100000001101 100110000000100000000000000001 11100000000100000001000000001 11100000000100000000000000011 11100000000000000001000000011 11101010101001010101111111111 该记录表明 8 位运算器构造成功 2 实验过程 2 添加溢出检测检测记录 添加溢出检测检测记录表添加溢出检测检测记录表 S3 S2 S1 S0 数据 A数据 B运算结果 MCn 有符号溢出无符号溢出 10010111111100000000011111110100 10010111111101111111111111100110 10011111111110000000011111110111 该记录表明 溢出检测添加成功 达到了预期效果 3 实验过程 3 添加 373 芯片后检测记录 添加添加 373 芯片后检测记录表芯片后检测记录表 脉冲 A脉冲 B S3S2S1S0 数据结果 A结果 B MCn 10100100000001000000010000000001 01100100000001000000010000000101 10100100000001000000100000000101 01100100000001000000100000001001 10100100000010000001000000001001 01100100000010000001000000010001 10100100000010000001100000010001 01100100000010000001100000011001 该记录表明 可实现累计和数据传送 4 实验过程 4 添加求补电路后检测记录 添加求补电路后检测记录表添加求补电路后检测记录表 脉冲 A脉冲 BS3S2S1S0数据结果 A结果 BMCn0 1 101001000001010000010100000000011 011001000001010000010100000101011 001001100000110000010100000101000 101001100000110000001000000101000 该记录表明 可实现求补功能并完成负数运算和减法运算 5 常用的控制位 S1 S2 S3 S4MCn 加法100101 求反00001 减法011000 直传1010 6 溢出三种情况 8 位无符号相加的溢出 选取数据要用上芯片间进位 正数 正数 的溢出 负数 负数 的溢出 六 实验步骤六 实验步骤 1 实验前的准备 1 复习有关运算器的内容 对数据通路的构成 数据在数据通路中的流 动及控制方法有基本的了解 2 熟悉电路中各部分的关系及信号间的逻辑关系 3 参考芯片手册 自己设计实验电路 画出芯片间管脚的连线图 标上 引脚号 节省实验的时间 4 对所设计的电路进行检查 重点是检查能否控制数据在电路中不同部 件之间的传输 2 具体实施 1 第一步 本步主要完成两个 181 芯片的连接 能实现基本的八位数加 减法运算 2 第二步 增加一个 373 3 第三步 再增加一个 373 4 第四步 本步注重求补逻辑的设计 5 第五步 本步注重溢出部分的设计 怎样表示无符号数与有符号数运 算的溢出 最终得到如下的结构图 七 实验中遇到的问题及解决办法七 实验中遇到的问题及解决办法 本次实验中遇到了许多问题 主要集中在以下几个方面 1 灯闪烁的问题 打开开关后 将一些灯与开关连接 进行测试时发现灯 总是在闪 感觉像是接触不良 问过老师后 发现是接入的频率过低 适当调 高之后 发现灯闪烁的现象消失了 2 进位和补码控制冲突问题 在实验检测中 只有当进行有符号数运算时 我们才会把求补开关 S 拨到高电平 而其他运算 例如无符号加减运算 S 就 只能拨到低电平 按照一开始的设计思路 我们的 S 是直接与低位 181 芯片的 低位进位信号输入端 Cn 相连的 因此这直接导致在执行无符号加减运算时 Cn 是不可控的 也就是说 我们只能完成补码的减法运算 不能正常的实现算数 减法等关于无符号数的运算 为了集无符号与有符号运算于一体 我们就必须 要通过控制 Cn 来执行加减运算 并区分是有符号的 补码参与 运算 还是 无符号的运算 所以这里存在矛盾 因此我们讨论之后 最终决定再用一个开 关来加强对 Cn 的控制 这里我们就称它为 Cn 我们把开关 Cn 与 S 经过异或 门后再接入低位 181 的 Cn 端 这样 当 S 为 0 时 Cn 的值就直接由开关 Cn 决定 当 S 为 1 时 也不会影响补码的加法运算 3 溢出问题 在执行溢出检测时 无符号数的运算的溢出能够正常的显示 而有符号数的运算的溢出不能正常显示 这个问题困扰了我们很久 明明是按 照书本上给出的有符号数运算的溢出检测公式来设计的电路 而且经检查不是 线路连接的问题 为什么结果总是不对呢 最后还是同组的瑞丽同学抢先发现 了问题的所在 是我们的操作存在不当之处 并不是电路本身存在问题 我们 观察补码运算的溢出显示时 在通过 181 执行完累加的功能后 往往会执行两 次锁存并传输数据到 AC 的操作 之后再来观察 难怪得不到正确的结果 实 际上 在做完累加并在执行两次锁存之前就应该先观察 这是得到的才是正确 的溢出显示 在执行完了两次锁存并传输数据到 AC 的操作之后 实际上多进 行了一次加法的工作 实现的是三个数的相加 溢出显示结果显然同一开始两 个数相加时得到的结果是不同的 所以产生了错误 八 收获与体会八 收获与体会 这是计算机组成原理的第一次实验 因为之前做过数字逻辑的实验 而且 老师也对实验台进行了介绍 所以虽然是第一次接触该实验台 但是对实验仪 器还是相对熟悉的 掌握各芯片的基本原理及使用方法也相对比较简单 这次 实验老师在讲解的过程中给出了整个实验的思路 并将实验分为了四块 每块 递进处理 根据每一步给出的实验原理图来连接实际的电路 并不是一件很困 难的事 我们开始实验后 做的第一件事就是检查实验仪器与芯片的好坏 可能是 这次运气比较好 实验台是最近才修过的 所以基本上所有的开关与灯泡都能 正常使用 检验之后 发现两个 181 芯片与两个 373 芯片也没有任何问题 于 是接下来我们就放心的开始连线了 可能是很有没有连过电路了吧 我们的速 度一开始不是很快 加上检查仪器与芯片耗费了较多时间 我们连第一步对应 的电路比其他组都稍微慢了一些 但是我们并没有气馁 在检验发现能正常实 现累加器的功能后 我们舒了口气 也找到了一些信心 开始继续第二步的操 作 在第二步的电路连好之后 我们又回过头重新测试了一下检验第一步时用 过的数据 结果发现存在一些异常 和其他组对比了一下 发现用他们完成了 第二步后的电路测试我们第一步用过的数据时 得出的结果和我们单独只用第 一步的电路运算时得到的结果是一样的 很明显 肯定是我们在实现第二步的 时候哪个地方出错了 为了找出错误 我们检查了电路 发现没有连错 但 究竟是为什么运算结果不正确呢 当时在这个阶段困扰了我们很久 我甚至有 种想把电路全部拆掉重新连的冲动 最后实在是没办法了 便找了邻组的一 个同学来帮忙查错 在一个小时过后 终于我们看到希望了 原来罪魁祸首竟 然是连接两个 181