01试验一运算器试验20161025

计算机组成原理实验指导书16实验一运算器实验一、实验目的：.掌握运算器的组成及工作原理；.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；.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：本模块由算术逻辑单元ALU74LS181（U7、U8、U9、U10）、暂存器74LS273（U3、U4、U5、U6）、三态门74LS244（U11、U12）和控制电路（集成于EP1K10内部）等组成。电路图见图1-1（a）、1-1（b）。U7HDEUS>£0 6SI 5U9soSIS2 _S3 PM &Cn A=B_ Cn+4<LDBUS >£0 6S1 5SOSIS3 _S3 P_15~17U374LS273S3 4S3 3U47+LS273 邑 ——CLR 1CLR>CLK IQ2QID 3Q2D 4Q3D 5Q4D 6Q5D 7Q6D 8Q7D8DM 8CLK1112 1HD0CN2 7M 8XHDATAD3CLR 1CLK1 口\LDATAO3\LDATA14\LDATA27\LDATA38_\LDATA413X.LDATA514_\LDATA6_1Z_X.LDATA718CLR，CLK IQ2QID 3Q2D 4Q3D 5Q4D 6Q5D 7Q6D 8Q7D8D1416CHIg LD010LD111LD2B5弓DO 2CNOUT73 1LD0 1LD0 2―0——坦毡2LD0 1―~皿 期― 3LD1 观― 1LD2 21― 3LD2 ⑪Cn A=B_ Cn+474LS181USSOSI6 1HD21H9HD0\HDATA149 1HD32HD0 1\HDATA27121HD41HD12310HD1\HDATA38151HD52HD12211HD2\HDATA413161HD61HD22113HD3\HDATA514191HD72HD220\HDATAfi171HD319\JIDATA7IS2HD318-1LD3193LD孑 揩U574LS27374LS181U1074LS273 辿 2—CLR 1CLR>CLK iqID 3Q2D 4Q3D 5Q4D 6Q5D 7Q6D 8Q7D8DSO 6SOSIS2 _S3 PM &Cn A=B_ Cii+4B0 FO~~T7―16 CN4CLK2112 2HD0SI 5S1 5\HDATAD35 2Hm差 46 2HD2S3 3CLR 1CLR，CLK iq2QID 3Q2D +q3D 5Q4D eq5D ?qCD 8Q7DfinS2 4CLK211\_LDATAO3\_LDATA14\_LDATA27\_LDATA38 \_LDATA413\_LDATA514 \LDATA617;嚣 __3——1LD4 23一迺 2LD4 1—1LD533S3 PM GCil A=E_ Cti+474LS181T_Ng LD410LD5\HDATA149 2HD3M 8\HDATA27122HD4CN3 7\HDATA38152HD5D4 2\HDATA413162HD61H9 HD4\HDATA514192HD72HD4 1\HDATAfi171HD52310HD5\HDATA7182HD52211HD6-3LD52211LD61HD62113HD71LD62113LD7k,LDATA7182LD620U121LDF 吟3LDF3HpyUll7+LS181AUJ_G 1c1G 1¥1Al 1Y2A2 1¥3A3 1Y4A42G 2Y1Bl 2¥2B2 2Y3B3 2Y4B4ISLDATJiJOU1 1G 1Y1Al 1Y2A2 1¥3A3 1Y4A42G 2Y1El 2Y2E2 2¥3E3 2Y4E4ISHDATA0LDO 2"16LDATJHD0 2"15HDATA1LD1 414LDATJ<4HD1 414HDATA2LD2 612LDATJHD2 612HDATA3LD3 $9 LDATJHD3 89HDATA41jJLD4 11"7 LDATA5HD4 11"7HDATA5LD5 135 LDATJ<j6<7HD5 135HDATAfiLD6 153 LDATJHD6 153HDATA7LD7 17HD7 1774LS244图1-1(a)ALU电路74LS244

计算机组成原理实验指导书17图计算机组成原理实验指导书17图1-1（b）ALU控制电路算术逻辑单元ALU是由四片74LS181构成。74LS181的功能控制条件由S3、S2、S1、S0、M、Cn决定。高电平方式的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。四片74LS273构成两个16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。- 1 ,一…B1_1 24―1VccA1—So1 2 233 22巳f a0-a3运算数输入端（低电平有效）Si|_4 21—（三、 B0~B3运算数输入端正氐电平有效）S21_5 20二। 。口 进位输久端S3I_6 19二）也三 进位输出端Cnl_7 18二|B3 F「F3 运算输出端（低电平有效）M1_8 17二|Fg F皿 比较输出端Fo1_9 16二1C0n+4Fg 进位产生输出端（I氐电平有效）Fi1_10 15二1Fp Fp 进位传输输出端（低电平有效）F21_11 14二1Fa=e M 工作方式控制GNDI_12 13二1F3 期陷功能选择图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S3S2S1S0Cn=1（无进位）Cn=0（有进位）0000F=/AF=AF=A加10001F=/(A+B)F=A+BF=(A+B)加10010F=/A*BF=A+/BF=(A+/B)加10011F=0F=-1F=00100F=/(A*B)F=A加A*/BF=A加A*/B加10101F=/BF=(A+B)加A*/BF=(A+B)加A*/B加10110F=(/A*B+A*/B)F=A减B减1F=A减B0111F=A*/BF=A*/B减1F=A*/B1000F=/A+BF=A加A*BF=A加A*B加11001F=/(/A*B+A*/B)F=A加BF=A加B加11010F=BF=(A+/B)力口A*BF=(A+/B)加A*B加11011F=A*BF=A*B减1F=A*B1100F=1F=A加AF=A加A加11101F=A+/BF=(A+B)加AF=(A+B)加A加11110F=A+BF=(A+/B)加AF=(A+/B)加A加11111F=AF=A减1F=A计算机组成原理实验指导书18表1-1 74LS181功能表CRI_1DI_2D|_2Q|_3Q|_3D|_4D|_4Q1_GNDI_1 ,2 202 193 184 175 166 157 148 13g 1210 11Vcc£Q8D7D7Q6Q6D5D5QCP输入输出CRCPDQL x xH t HH t LH L x图1-3(a)74LS273管脚分配 图1-3(b)74LS273功能表

仆久二1W20 |Vcc]A=2 19二1弛8YI_3 13_11Y2A1—4 17―18A7YII3A|_」 1U6 15_I7A输入输出6Y|_7 14―13YENAYTT 三r4~i11『H-同电干4A1—8 13―16ALLLL-低电平5YI_9 12_I4YLHH笨-任意GNDI_10 11_15AHXZZ-高阻图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：计算机组成原理实验指导书19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，四片74LS181以并/串形式构成16位运算器。它可以对两个16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。四片74LS273作为两个16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。计算机组成原理实验指导书六、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。注意：F4只用一个排线插头孔2、实验过程：（1）拨动清零开关CLR,使其指示灯灭。再拨动CLR,使其指示灯亮。（2）在监控滚动显示【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。（3）再按【确认】键，进入实验一程序，监控显示【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。（4）监控显示【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

计算机组成原理实验指导书 -21-为逻辑运算，则Cn不起作用）。按【确认】，显示【Ar=1］，使用默认值“1”，关闭进位输出。也可输入“0”，打开进位输出，按【确认】。（5）监控显示【DATA］，提示输入第一个数据，输入十六进制数【1234H】，按【确认】，显示【DATA］，提示输入第二个数据，输入十六进制数【5678H】，按【确认］键，监控显示【FINISH］,表示运算结束，可从数据总线显示灯观察运算结果，CY指示灯显示进位输出的结果。按［确认］后监控显示［ES01］,可执行下一运算操作。运算指令（S3S2S1S0）输入数据（十六进制）000000或0000101或1001002或2001103或3010004或4010105或5011006或6011107或7100008或8100109或910100A或A10110B或B11000C或C11010D或D11100E或E11110F或F表1-3运算指令关系对照表在给定LT1=1234H、LT2=5678H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：LT1LT2S3S2S1S0M=0（算术运算）M=1（逻辑运算）Cn—1（无进位）Cn=0（有进位）1234H5678H00或0F二F=F=01或1F二F=F=02或2F=F=F=03或3F=F=F=04或4F=F=F=05或5F=F=F=06或6F=F=F=07或7F=F=F=08或8F=F=F=09或9F=F=F=计算机组成原理实验指导书 -22-0A或AF二F=F=0B或BF二F=F=0C或CF=F=F=0D或DF=F=F=0E或EF=F=F=0F或FF=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。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）拨动清零开关CLR,使其指示灯。再拨动CLR,使其指示灯亮。置ALU-G=1：关闭ALU的三态门；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（U3、U4）中置数：（1）设置数据输入电路的数据开关“D15……D0”为要输入的数值；计算机组成原理实验指导书 -23-(2)置LDR1=1：使数据暂存器LT1(U3、U4)的控制信号有效，置LDR2=0：使数据暂存器LT2(U5、U6)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送时钟，上升沿有效，把数据存在LT1中。3)向数据暂存器LT2(U5、U6)中置数：(1)设置数据输入电路的数据开关“D15……D0”为想要输入的数值；(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LT2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。)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，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，表示往暂存器LT2置数正确。3、验证74LS181的算术和逻辑功能:LT1LT2S3S2S1S0M=0(算术运算)M=1(逻辑运算)CnT(无进