中山大学计算机组成原理试验报告

1、计算机组成原理与接口技术实验中大擘“，iAT-St ilMVtKStTV实验报告实 验 人： 郑熙霖 学 号： 09388334日 期： 2011-04-10院（系）：软件学院 专业（班级）：09软件工程（数字媒体技术）实验题目：TEC-殴验计算机运算器实验1 .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。2 .实验原理（一）概述运算器部件是计算器五大功能部件中的数据加工部件。运算器的首要

2、功能是完成对数据的算术和逻辑运算，由算术逻辑运算部件 （ALU）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，由其内部的一组寄存器来承担。因为这些寄存器可以被汇编程序直接访问与使用，因此将他们称为通用寄存器，以区别于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乘除指令运算，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试验机的运算核心'组成部分是Am2901 Am2901芯片是一个4位的位片结

3、构的完整的运算器部件。（二）Am2901!算器1. Am290芯片内部组成结构/输出Y一 'OE FF-0000 CnH OVR %ALUU4】3福入D ,44 在地址/A| A锁存器B锁存器I116x4 BB地址通用寄存器组4 移位看)左i右+RAMiRAMoQ寄存器一左*右！ +Q）11图I Am2901内部结构图4位的ALU,实现实种运算功能，其每一位上的2个输入端数据分别用 R和S表示，则这8种功能是 R+S S-R, R-S 3种算术运算和 R S, R S , /R S , R S, / （R S） 5咱逻 辑运算，这8种功能的选择控制，是用外部送入的3位编码值I5-I3实

4、现的。ALU还能给出CN+4 F, OVM口 F = 0000 4位状态信息，并能接收最低位的一个进位输入信号CN ALU还给出了超前进位信号/G和/P。16个4位的通用寄存器组，用 R0-R15表示，和1个4位的Q寄存器。通用寄存器组为双端口读出（用A地址与B地址选取择每个寄存器）和单端口（用B地址选取择）控制写入的运行方式，而且运算后的结果经一个移位器实现写入（左移，不移，右移）。Q寄存器本身具有左移，右移功能且能接收ALU的运算结果，左右移位时，就有移出，移入信号RAM3 RAM0 Q3, QQ 4个入号，它们都通过具有双向传送功能的三态门实现的。该芯片能接收外部送入的 4位数据D3-D

5、0,并输出奇制胜们的数据 Y3-Y0。Y3-Y0可 以是通用寄存器 A端口上的输出或 ALU的运算结果F,并还受输出允许控制信号 /OE的控制， 仅在/OE为低时，Y3-Y0才有输出，否则处于高阻态。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寄存器或逻辑0数据，Am2901器件只选取用了它们可能的全部 12种组合中的8种，即A-Q, A-B, 0-Q, 0-B, 0-A, D-A, D-Q,和D-0这8种，并用外部送 来的3位控制码I2-I0来选择这是种组合。Am2901还采用另外来货位外部送来的控制信号I8-I6 , 一是选择向外

6、部送出的数据的来源(A 口数据还是 ALU运算结果)，二是选择其内部的通用寄存器组和Q寄存器接收不接收和如何接收数据库写入(左移，右移，直送) 。 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。2. Am290的操作时序Am2901芯片要用一个 CLK(CP)时钟信号作为芯片内通用寄存器、锁存器和Q寄存器的打入信号。其有关规定如图II所示。AU,操作周期一3. Am290芯片的控制信号及其控制码与操作Am2901芯片的控制信号有 9个，即I8-I0 ,这回个控制信号分成三组，它们是：18、17、I6 (B30-28):选

7、择运算结果或有关数据以何种方式送往何处；15、14、I3 (B26-24):选择ALU的运算功能，共 8种；12、II、I0 (B22-20):选择送入 ALU进行运算的两个操作数据R和S来源，共有8种组合。这三组控制信号与相应控制码的关系如下表：表III Am2901 9 个控制信号I8I0控制码18、17、I615、14、I312、11、I0000FfQFR + SAQ001无FS - RAB010FfBAR - S0Q011FfBFR V S0B100F/2 一 BFR AS0AQ/2 一 Q101F/2 一 BF/R A SDA1102FfB2cH QFR © SDQ1112

8、FfBFR O SD0寄存器结果选择Y输出选择运算功能选择RS注：R、S中的“0”为逻辑04. TEC-2机运算器(1) TEC-2机运算器主体构造由4片Am2901芯片级联构成 TEC-2机的运算器，4片间的连接关系是：(2) 16位的数据 输入由4片各自的D3-D0组成，其位序号人高位芯片向低位芯片顺序排成D15-D0(3) 16位的数据 输出由4片各自的Y3-Y0组成，其位序号人高位芯片向低位芯片顺 序排成Y15-Y0.(3)有高低位进位关系的 3组信号，在高低位相邻芯片间连接关系是：高位芯片的 RAM啊低位芯片的 RAM济目连：高位芯片的 Q0与低位芯片的Q3相连：在串行进位方式下，高

9、位芯片的Cn与低位芯片的 Cn+4相连；若选用 AM2902K片(与74LS182芯片功能相同，两者可以互换使用)实现并行进位，则低位的3个芯片的并行 进位彳t号/G和/P应送往Am2902的相并没有管脚，并将各自对应的片间进位输出信号送入相 邻高位芯片Am2901的Cn管脚。同时支持串，并行丙种方式，有利于教学实验中方便地观察 与测量每种进位方式的进位延迟时间。此时，最低位芯片的RAM叫Q0是该16位的运算器的最低位的移入 /出信号，最高位芯 片的RAM3W Q3是运算器最高位的移入/出信号，均需有另外的逻辑电路与之连接，最低位 的Cn是整个运算器的最低位进位输入信号。最高位的CN+4是16

10、位完整运算器的进位输出信号。同理，只有最高们芯片的F3和。VRt意义，低位的3个芯片的F3和OV林被使用。4个芯片的F=0000管脚连接在一起，并经一个电阻接到+5V电源，已得到16位的ALU的运算结果为“ 0”的标志位信号。(4)其它的几组输入信号，支4片Am2901器件来说应有相同的值， 包括/OE(控制选 通丫的输出)，A地址，B地址，I8-80 (控制Am2901的运算功能，数据来源，结果的处置)和工作脉冲CP,故应将4个芯片的这些的各对应管脚连接在一起。SCiIII完整的16位运算器的组成框图如下：SST山右移信号RAM0F15 s OVR.4位标志位成移入号形右输信.OVR(VRA

11、M。Qfl,RAAljRAM 516位的运算器RAM0015 DoUA地址tlE/O最低位进位GAL? C/C方波左移控制信号成移入号 形左输信图V 完整的16位运算器的组成框图(4) 通用寄存器16个16位通用寄存器 R0Riq其中R4(SP)堆栈指针、R5(PC)程序计数器、R6(IP)指 令地址寄存器(存放当前正在执行的指令地址)为系统所用。此外，还有一个Q寄存器。(5) 移位器运算的结果经一个移位器实现写入操作(左移、不移、右移)，Q寄存器本身具有左、右移或不移功能且能接收ALU (F)的运算结果。左、右移位时，对于通用寄存器来说，就有移出、移入信号 RAM15 RAM0对于Q寄存器来

12、说，有移出、移入信号Q15 Q0=移位否由I8I6控制信号决定。5. TEC-2机运算器部件的辅助组成部分(1)运算结果的标志位标志位的含义及取值：C：进/借位标志，有进/借位产生，则 C=1,否则为C=0;乙运算结果标志，运算结果为 0,则Z=1,否则为Z=0;V:溢出标志，有溢出，则V=1,否则V=0;S:符号标志，结果为负数，则 S=1,否则S=0。(2)微指令中三位微码(SST)与标志位的关系三位微码与这8#处理的对应关系，已用表格形式给出。表VI三位微码与状态位的关系表SST编码状态位输入说明B34 B33 B32CZVS0 00CZVS四个标志位的值保持不变0 01CYF=0OVF

13、15接收ALU的标志位输出值0 10旧7IB6IB5IB4恢复标志位现场值0 110ZVS直C为0,另二个标志/、变1 001ZVS置C为1,另二个标志小父1 01RAM0ZVS右移摄作，另二个标志小父1 10RAM15ZVS左移操作，另二个标志小父1 11Q0ZVS联合右移，另二个标志/、父(3)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，为了调试与实验的方便，有时可送入一个连续的方波信号，当运算器执行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，有利于观察与调试。表vnSCi 编码（B11、B10）0

14、0011011Cin取值01CTCLK方波(4)运算器最高位、最低位的输入信号(SSH移入通用寄存器中的移入信号RAM1丽RAM0以及乘商寄存器中的移入信号Q15和Q0=左移时，向RAM0或者RAM* Q0移入数据；右移时，向RAM15或RAM15W Q15移入数据。我们把5条移位指令和剩除法计算中的联合移位都考虑进去，可以归纳出如下4种结果，并用两位微码SSH区分它们。移位控制码SSH$ 口下表皿所不:控制码SSH左移右移说明B9 B8RAM0 Q0RAM15 Q150 00 X0X通用寄存器逻辑位移0 1C XCX通用寄存器与 C循环移位1 0Q15 /F15CYRAM0原码除(左移)乘(

15、右移)1 1X XF15® OVR RAM0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1 .脱机实验实验中所述将开关置为“ 1”，即表示将开关向上拨；将某开关置为“0”，即表示将开关向下拨。(1)将TEC-2机功能开关FS幽为“1”。(2)主脉冲置为单步方式， STEP/CONT关拨

16、向STEh边，STEP3单脉冲方式，CONT 为连续脉冲方式；(3)用D0+g RO立即数D0 (从数据开关输入：A000H)置入寄存器R0o(4)用D1+gR1将立即数D1 (从数据开关输入；4000H)置入寄存器R1。(5)对R0和R1进行各种算术、逻辑运算。将开关S2 S1 S0置于“ 110”时，指示灯将显示 ALU勺运算结果；将开关 S2 S1 S0置于 “ 000” 时，指示灯将显示 SVZC勺状态，(H25=S,H26=V,H27=Z,H28=C)。2 .联机实验(1)将FS1FS4置成1010. , STEP/CONT成CONT启动TEC-珊，进入监控程序。(2)在联机状态下，

17、在命令行状态用“A”命令输入程序。(3)用“ G命令运行程序。(4)用“ R'命令观察运行结果及状态。(5)用“ T"或" P'命令单步执行。4 .实验器材TEC-2机一台，电脑一台5 .实验分析与设计1.脱机实验根据Am2901 9个控制信号I8I0与相应控制码的关系，设计实现各功能的指令微码脱机实验步骤：(1)将TEC-2机功能开关FS幽为“ 1”。(2)主脉冲置为单步方式，STEP/CON开关拨向STEW边，STE助单脉冲方式,CON为连续脉冲方式；(3)用D0+gR0各立即数D0 (从数据开关输入：A000H)置入寄存器R0o波特率开关数据开关SW2

18、(共12位，最末二位未用)SW1 （共 12位）MI876MI543MI210未用A 口B 口（ R0）SCiSSHD15D0011000111000000000000000A000H 按上表设置各控制信号( MI8MI0)为垂直板元件 V60 SW2, A口、B口、SCi、SSH 为垂直板兀件V61 SW1。按上表设置十六位数据开关(为“A000K，即“ 1010 0000 0000 0000B ”)。 按压一次STEP后，立即数D0置入寄存器R0中。(4)用D1+gR1将立即数D1 (从数据开关输入；4000H)置入寄存器R1。波特率开关数据开关SW2(共12位，最末二位未用)SW1 （共

19、 12位）MI876MI543MI210未用A 口B 口（ R1）SCiSSHD15D00110001110000000000100004000H 按上表设置各控制信号(MI8MI0)为垂直板元件 V60 SW2, A口、B口、SCi、SSH为垂直板元件V61 SW1。 按上表设置十六位数据开关(为“4000H'，即“ 0100 0000 0000 0000B ”)。 按压一次STEP1后，立即数D0置入寄存器R1中。(5)根据指令微码输入各控制信号，将开关 S2 S1 S0置于“ 110”时，指示灯将显示 ALU勺 运算结果；将开关S2 S1 S0置于“ 000 ”时，指示灯将显示S

20、VZC的状态(H25=S,H26=V,H27=Z,H28=C),按压 STE而，t己录 ALU勺输出、SVZ(C态；按压 STEP t己 录按压后ALU勺输出、SVZC犬态，然后输入下个微码。(6)按照设计的微码，逐个测试并记录。设计思路：(a)根据表III Am2901 9个控制信号I8I0 ,明确I8I6用于选择运算结果或数据传送 到什么寄存器中，I5I3用于选择ALU勺运算功能，I2I0用于选择送入ALU勺操作 数据的来源。(b)根据功能需要，例如 R1+RSR0,将两个通用寄存器 R1和R的数值进行加法运算后， 结果保存在寄存器 R0中，那么，就可以让 A口选择R1, B口选择R0,即

21、A口设为0001, B口设为0000;由于传入ALU勺两个数值分别来源于 A口和B口，所以I2I0选择001(即 助A, S为B) ; I5I3明显应该选择加法000;运算结果保存到寄存器 B,故I8 I6选择011 (F- B)。这样就完成了一条微码的设计。(c)按压STE而纪录ALU俞出的值，还有 SVZC勺值；在TEC-2模拟机上，开关 S2 S1 S0为 110则查看ALU俞出(16个灯)，为000则查看SVZC勺值(末尾4个灯)。(d)按压STEPHS录ALU俞出的值，还有SVZC勺值。(e)其他各条彳码按照(b)(d)的步骤设计并逐条测试。 当有进位端参与计算时，如R1+R(+CH

22、R0和R0+1-R0,根据表口，此时需要把 SCi分别设置为10和01; 10表示进位端参与计算；01表示直接在寄存器的值 +1。(g)当没有进位端参与计算时，其余情况均将 SCi设置为00。(h)最终得到结果如下：表IX功能MI8 6MI5 r川20A 口B 口按压STEP前按压STEP后ALU俞出SVZCALU俞出SVZCR1+RCH R001100000100010000E000H00002000H10000+Rg R001100001100000000E000H1000E000H1000R0-R1 - R001100100100010000A000H10006000H10000+Rg

23、R001100001100000000A000H1000A000H1000R1V RgR001101100100010000E000H1000E000H10000+Rg R001100001100000000E000H1000E000H1000R1A RgR0011100001000100004000H10004000H00000+Rg R0011000011000000004000H00004000H0000R1 ® Rg R 0011110001000100000000H00004000H00100+Rg R0011000011000000000000H00100000H0010

24、R1+ROCH R0011000001000100004000H00108000H00000+Rg R0011000011000000004000H00004000H0000R0*2一R0111000011000000004000H00008000H00000+Rg R0011000011000000008000H00008000H1000R0+1R0011000011000000008001H10008002H10000+Rg R0011000011000000008001H10008001H1000SCi 的设置：R0+R什OR0, SCi= 10 ; R0+1fR0, SCi= 01 其

25、余 SCi= 00说明：表中ALUB出用16进制数表示，而SVZC1二进制数表示。2.联机实验(1)将FS1FS值成1010. , STEP/CONT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”命令输入程序。>A8000800: MOV R0 , A000MOV R1,40000804: ADD R0, R1SUB R0, R1OR R0, R1AND R0, R1XOR R0, R1ADC R0 , R1SHL R0INC R0RET(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&#

26、39;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显示：R0=8001 R1=4000 R2=0000 R3=0000 SP=FFFF PC=0800 IP=080C R7=0000 R8=0000R9=0000 R10=0000 R11=0000 R12=0000 R13=0000 R14=0000 R15=0000 F=000111110800: 2C00 A000 MOV R0,A000(5)用“T或" P”命令单步执行。在单步执行之前，先将寄存器RQ R1清空，输入命令：>RR08000:-0>RR14000:-0在命令行提示

27、符状态下输入：>T 或 >P执行之后，观察运行结果及状态屏幕显示：>TR0=A000 R1=0000 R2=0000 R3=0000 SP=OFD0 PC=0802 IP=00CD R7=016A R8=0000R9=0000 R10=0000 R11=0000 R12=0000 R13=0000 R14=0000 R15=0000 F=000111110802: 2C10 4000 MOV R1,4000>TR0=A000 R1=4000 R2=0000 R3=0000 SP=OFD0 PC=0804 IP=00CD R7=016A R8=0000R9=0000 R1

28、0=0000 R11=0000 R12=0000 R13=0000 R14=0000 R15=0000 F=000111110804: 0401 ADD R0, R1>TR0=E000 R1=4000 R2=0000 R3=0000 SP=OFD0 PC=0805 IP=00CD R7=016A R8=0000R9=0000 R10=0000 R11=0000 R12=0000 R13=0000 R14=0000 R15=0000 F=000111110805: 0C01 SUB R0, R1>TR0=A000 R1=4000 R2=0000 R3=0000 SP= OFD0 PC

29、=0806 IP=00CD R7=016A R8=0000R9=0000 R10=0000 R11=0000 R12=0000 R13=0000 R14=0000 R15=0000 F=000111110806: 5801 OR R0, R1>TR0=E000 R1=4000 R2=0000 R3=0000 SP= OFD0 PC=0807 IP=00CD R7=016A R8=0000R9=0000 R10=0000 R11=0000 R12=0000 R13=0000 R14=0000 R15=0000 F=000111110807: 5001 AND R0, R1>TR0=4

30、000 R1=4000 R2=0000 R3=0000 SP= OFD0 PC=0808 IP=00CD R7=016A R8=0000R9=0000 R10=0000 R11=0000 R12=0000 R13=0000 R14=0000 R15=0000 F=000011110808: 5401 XOR R0, R1>TR0=0000 R1=4000 R2=0000 R3=0000 SP= OFD0 PC=0809 IP=00CD R7=016A R8=0000R9=0000 R10=0000 R11=0000 R12=0000 R13=0000 R14=0000 R15=0000

31、F=010011110809: 0801 ADC R0, R1>TR0=4000 R1=4000 R2=0000 R3=0000 SP= OFD0 PC=080A IP=00CD R7=016A R8=0000R9=0000 R10=0000 R11=0000 R12=0000 R13=0000 R14=0000 R15=0000 F=00001111080A: 6000 SHL R0>TR0=8000 R1=4000 R2=0000 R3=0000 SP= OFD0 PC=080B IP=00CD R7=016A R8=0000R9=0000 R10=0000 R11=0000

32、R12=0000 R13=0000 R14=0000 R15=0000 F=00001111080B: 7400 INC R0>T R0=8001 R1=4000 R2=0000 R3=0000 SP= OFD0 PC=080C IP=00CD R7=016A R8=0000 R9=0000 R10=0000 R11=0000 R12=0000 R13=0000 R14=0000 R15=0000 F=00011111 080C: AC00 RET>六.思考题1 .在脱机方式下进行运算器实验室，在按STEP®之前和按STEP®之后，ALU勺输出结果及状态SVZC

33、T何不同，为彳f么？根据 Am290H算器的组成结构及其工作原理加以说明。从Am290H算器的组成结本可以看出，A口和B口的寄存器在将数据传入 ALU：前，会经过对应的A锁存器和B锁存器。而由图IIAm2901时钟信号的作用图中可以看出，在一个时钟周期内，C福电平时寄存器的内容通过两个锁存器传送到输入端野口 S中，且通用寄存器不接收数据。由于AL虚组合逻辑电路，不受时钟信号影响，因而ALU俞出的数据即为当前 状态下的运算结果。在按下STE而ALU俞出当前运算结果，SVZ型示当前的状态结果；当按下STE由，CPF降沿到来时，A、骑存器锁存数据，通用寄存器开始接收新数据，此时 在下降沿，ALU各输出的结果存入通用寄存器中，ALUW根据通用寄存器中新的数据再次进行运算，因而ALU俞出新的运算结果，而 SVZ供态寄存器则将上次的状态记录下来。2 .写出实现以下