计算机组成原理 运算器实验-程序员宅基地

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运算器实验

实验环境

计算机组成原理实验环境

实验目的

  1. 掌握算术逻辑运算单元的工作原理。
  2. 熟悉简单运算器的电路组成。
  3. 熟悉 4 位运算功能发生器（74LS181）的算术、逻辑运算功能。

实验要求

  1. 做好实验预习，看懂电路图，熟悉实验中所用芯片各引脚的功能和连接方法。
  2. 按照实验内容与步骤的要求，认真仔细地完成实验。
  3. 写出实验报告。

实验电路

本实验用到的主要数字功能器件有：4 位算术逻辑运算单元 74LS181 ，8 位数据锁存器 74LS273 ，三态输出的 8 组总线收发器74LS245 ，单脉冲、开关、数据显示灯等。芯片详细说明请见芯片数据手册。

图 1 为本实验所用的运算器电路图，图中尾巴上带加粗标记的线条为控制信号线，其余为数据线。实验电路中涉及的控制信号如下：

  1. M：选择ALU 的运算模式（M=0，算术运算；M=1，逻辑运算）。
  2. S3，S2，S1，S0：选择ALU 的运算类型，例如在算术运算模式下设为1001则 ALU 做加法运算，详见 74LS181功能表 3-1。
  3. Cn ：向 ALU 最低位输入的进位信号， Cn=0 时有进位输入， Cn=1时无进位输入。
  4. Cn+4：ALU 最高位向外输出的进位信号，为 0 时有进位输出，为 1 时无进位输出。
  5. P1：脉冲信号，在上升沿将数据打入 DR1。74LS273 触发器在时钟输入为高电平或低电平时，输入端的信号不影响输出，仅仅在时钟脉冲的上升沿，输入端数据才会发送到输出端，并将数据锁存。
  6. P2：脉冲信号，在上升沿将数据打入 DR2 。
  7. MR ：芯片 74LS273的清零信号，低电平有效。当 MR为电平时，74LS273 的数据输出引脚被置零。
  8. ALU-BUS ：ALU 输出三态门使能信号，为 0 时将 74LS245 输入引脚的值从输出引脚输出，从而将 ALU 运算结果输出到数据总线。
  9. SW-BUS ：开关输出三态门使能信号，为 0 时将 SW7~SW0数据送到数据总线。

在这里插入图片描述

实验原理

       运算器实验电路如图 1 所示。两片 4 位的 74LS181 构成了 8 位字长的 ALU。两个 8 位的 74LS273 作为工作寄存器 DR1 和 DR2，用于暂存参与运算的操作数。参与运算的数据由数据开关通过三态门 74LS245 送入工作寄存器，ALU 的运算结果也通过三态门74LS245 发送到数据显示灯上。

       参与运算的操作数由 SW7~SW0 共 8 个二进制开关来设置，当 SW-BUS=0 时，数据通过三态门 74LS245 输出到 DR1 和 DR2 。DR1 接 ALU 的 A 输入端口，DR2 接 ALU 的 B 输入端口。在 P1 的上升沿将数据打入 DR1 ，送至 74LS181 的 A 输入端口；在P2的上升沿将数据打入 DR2 ，送至 74LS181 的 B 输入端口。

       ALU 由两片 74LS181 构成，其中 74LS181(1) 做低 4 位算术逻辑运算，74LS181(2) 做高 4 位算术逻辑运算，74LS181(1) 的进位输出信号 Cn+4 与 74LS181(2) 的进位输入信号 Cn 相连，两片 74LS181 的控制信号 S3 ~ S0 、M 分别相连。运算结果通过一个三态门 74LS245 输出到数据显示灯上。另外，74LS181(2) 的进位输出信号 Cn+4 可另接一个指示灯，用于显示运算器进位标志信号状态。

实验内容与步骤

  1. 运行虚拟实验系统，按照图1绘制运算器实验电路，生成实验电路如图
    在这里插入图片描述

  2. 进行电路预设置，具体步骤如下：
    (1） 将 ALU-BUS 设为高电平，关闭 ALU 输出端的三态门；
    (2） 将两片 74LS273 的 MR 都设为高电平，否则 74LS273 会一直处于清零状态。

  3. 如下图所示，注意开关，打开电源开关。
    在这里插入图片描述

  4. 设置 SW7~SW0 向 DR1 和 DR2 置数。以 DR1 = 65H ，DR2 = A7H 为例，具体步骤如下：
    (1） 将 SW-BUS 置 0，打开数据输入端的三态门；
    (2） 将数据开关的 SW7~SW0 置为 01100101 ；
    (3） 发出 P1 单脉冲信号，在P1的上升沿，数据打入寄存器DR1；
    在这里插入图片描述
    (4） 将数据开关的 SW7~SW0 置为 10100111；
    (5） 发出 P2 单脉冲信号，在 P2 的上升沿，数据打入寄存器DR2。
    在这里插入图片描述
    (6） 将 SW-BUS 置 1，关闭数据输入端的三态门；

  5. 检验 DR1 和 DR2 中存的数是否正确。其具体操作如下：
    (1） ALU-BUS =0，打开 ALU 输出端的三态门；
    (2） 设置 Cn=1，ALU 无进位输入； 在这里插入图片描述
    (3） 将 S3、S2、S1、S0、M 置为 00000 ，指示灯应显示 DR1 中数据 01100101；
    (4） 将 S3、S2、S1、S0、M 置为 10101 ，指示灯应显示 DR2 中数据 10100111。
    在这里插入图片描述

  6. 验证 74LS181 的算术运算和逻辑运算功能（采用正逻辑）。在给定 DR1=65H ， DR2 = A7H 的情况下，改变运算器的功能模式，观察运算器的输出，并填入表 1，并和理论值进行比较、验证。
    在这里插入图片描述
    注意：A和B分别表示参与运算的两个数，“+”表示逻辑或，“plus”表示算术求和。

思考与分析

  1. 运算器主要由哪些器件组成？这些器件是怎样连接的？
  2. 芯片 74LS181 没有减法：A minus B 的指令，怎样实现减法功能？
  3. 74LS181 有哪两种级联方法？分别要用到哪些引脚？哪一种速度更快？

附上完成后的结果图

在这里插入图片描述
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