组成原理实验课件--运算器
计算机组成原理实验（接线、实验步骤）
计算机组成原理实验（接线、实验步骤）实验⼀运算器[实验⽬的]1.掌握算术逻辑运算加、减、乘、与的⼯作原理；2.熟悉简单运算器的数据传送通路；3.验证实验台运算器的8位加、减、与、直通功能；4.验证实验台4位乘4位功能。
[接线]功能开关：DB=0 DZ=0 DP=1 IR/DBUS=DBUS接线：LRW：GND（接地）IAR-BUS# 、M1、M2、RS-BUS#：接+5V控制开关：K0：SW-BUS# K1：ALU-BUSK2：S0 K3：S1 K4：S2K5：LDDR1 K6：LDDR2[实验步骤]⼀、(81)H与(82)H运算1.K0=0：SW开关与数据总线接通K1=0：ALU输出与数据总线断开2.开电源，按CLR#复位3.置数（81）H：在SW7—SW0输⼊10000001→LDDR2=1，LDDR1=0→按QD：数据送DR2置数（82）H：在SW7—SW0输⼊10000010→LDDR2=0，LDDR1=1→按QD：数据送DR1 4.K0=1：SW开关与数据总线断开K1=1：ALU输出与数据总线接通5. S2S1S0=010：运算器做加法（观察结果在显⽰灯的显⽰与进位结果C的显⽰）6.改变S2S1S0的值，对同⼀组数做不同的运算，观察显⽰灯的结果。
⼆、乘法、减法、直通等运算1.K0K1=002.按CLR#复位3.分别给DR1和DR2置数4.K0K1=115. S2S1S0取不同的值，执⾏不同的运算[思考]M1、M2控制信号的作⽤是什么？运算器运算类型选择表选择操作S2 S1 S00 0 0 A&B0 0 1 A&A(直通)0 1 0 A+B0 1 1 A-B1 0 0 A(低位)ΧB(低位)完成以下表格ALU-BUS SW-BUS# 存储器内容S2S1S0 DBUS C输⼊时：计算时：DR1：01100011DR2：10110100（与）DR1：10110100DR2：01100011（直通）DR1：01100011DR2：01100011（加）DR1：01001100DR2：10110011（减）DR1：11111111DR2：11111111（乘）实验⼆双端⼝存储器[实验⽬的]1.了解双端⼝存储器的读写；2.了解双端⼝存储器的读写并⾏读写及产⽣冲突的情况。
计算机组成原理实验
DR1 65
DR2 A7
S3S2S1S0 0000
M=0 Cn=1 Cn=0
M=1
0001
0010 0110 1000 1001 1011 1101
1111
运算器实验原理图
实验线路
74LS181功能表
注意: F=A+B 不带进位加 F=A加B 带进位加
实验二
一、实验目的
存储器实验
了解静态存储器的工作原理
注:
A7…A0 => AD7…AD0
写存储器
读存储器
实验三
一、实验目的
微程序控制器实验
学习微程序的编写方法，了解微程序控制的实现过程 二、实验设备 TDN-CM++实验仪一套、PC机一台 三、实验内容
要求编写以下五条指令的微程序，在数据通路图中 观察执行过程
1、IN R0 INPUT →R0
2、OUT [ADDR]
02
03 04 05 06 07
00C043
01ED84
RAM →IR
PC →AR，PC+1 →PC RAM →AR RAM →DR1 R0 →DR2
*****3
DR1+DR2->R0
六、实验线路
注: 从实验箱手动输入微码时 : UA5…UA0 => MA5…MA0 从电脑输入微码时 : UA5… UA0 =源自 SE6…SE1微指令格式
WE A9 A8 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1
INPUT RAM读 RAM写 LED 无
S3-S0,M,Cn是运算器74LS181的运 算控制（看P16)； UA5-UA0是下一条微指令地址.
运算器组成实验原理
运算器组成实验原理
运算器是计算机的关键部件之一，它负责执行各种数学和逻辑运算。
一个基本的运算器通常由算术逻辑单元（ALU）、控
制器和寄存器组成。
算术逻辑单元（ALU）是运算器的核心部件，它负责执行各
种算术和逻辑运算，如加法、减法、与、或等。
ALU通常由
一组逻辑门、加法器和寄存器组成。
逻辑门用于执行逻辑运算，如与门和或门可以实现与和或运算。
加法器用于执行加法运算，可以将两个二进制数相加并得到结果。
寄存器用于存储运算的中间结果或最终结果。
控制器是运算器的另一个重要组成部分，它负责调度和控制ALU的操作。
控制器根据指令和输入信号来确定ALU要执行
的操作，并将结果存储到相应的寄存器中。
控制器通常由逻辑电路和状态机组成，它可以根据不同的输入信号和状态来产生相应的控制信号。
寄存器是运算器中的存储设备，用于存储数据和中间结果。
寄存器可以存储一个或多个位的数据，并且可以通过地址进行读写操作。
在运算器中，寄存器主要用于存储操作数和结果。
运算器通常具有多个寄存器，以便同时执行多个运算。
总的来说，运算器的组成实验原理主要是基于逻辑门、加法器、寄存器和控制器的组合和控制。
通过合理的设计和控制，可以实现各种数学和逻辑运算，从而完成计算机的核心功能。
2024版计算机组成原理说课课件
辅助存储器原理与设计
辅助存储器概述
介绍辅助存储器的概念、作用及分类。
磁表面存储器
阐述磁表面存储器的原理、特点及发展趋势。
光盘存储器
探讨光盘存储器的原理、特点及应用领域。
辅助存储器的设计原理
分析辅助存储器的设计原理，包括记录方式、寻址方式、读写控制等。
高速缓冲存储器（Cache）原理与设计
Cache概述
教学目标与要求
知识目标
掌握计算机硬件系统各部件的组成、工作原理及设计方法； 理解计算机系统层次化结构概念及软硬件界面划分；了解 计算机性能指标及评测方法。
能力目标 培养学生具备分析和设计计算机硬件系统的能力；提高学 生解决实际问题的能力；增强学生的创新能力和团队协作 精神。
素质目标
培养学生的工程素养和职业素养；提高学生的综合素质和 可持续发展能力。
即BCD码，采用四位二进制数表 示一位十进制数，方便进行十进 制数的运算和转换。
非数值数据表示方法
字符数据表示
包括ASCII码和Unicode编码等，用于 表示计算机中的字符信息。
图形和图像数据表示
采用像素矩阵、矢量图形等方式表示 计算机中的图形和图像信息。
逻辑数据表示
采用二进制数中的0和1表示逻辑值 “真”和“假”，用于进行逻辑运算。
常见I/O设备
键盘、鼠标、显示器、打印机、扫描仪、摄像头等。
I/O接口电路设计与应用
A
I/O接口定义
连接CPU和I/O设备的电路，用于实现数据的传 输和控制。
I/O接口功能
数据缓冲、电平转换、时序匹配、中断控 制等。
B
C
I/O接口类型
按数据传输方式可分为并行接口和串行接口； 按功能可分为通用接口和专用接口。
组成原理课件 - 计算机的运算方法
§ 2-1 无符号数和有符号数 复习：数值型数据的表示和转换
1．数制： 权： 基数： ２、进制转换 （１）十进制→二、八、十六 整数：除以基数取余法 小数：乘以基数取整法 （２）二、八、十六 → 十进制：按权相加 （３）二、八、十六间转换：按位段转换方法
§ 2-1 无符号数和有符号数
一、无符号数
§ 2-2 数的定点表示和浮点表示
一、定点表示
1、定点小数
将小数点固定在符号位之后，数值最高位之前。
2、定点整数
小数点固定在数的最低位后面。 计算机无须为小数点设置专门元件，只要将全部参 与运算的数都用同一个比例因子进行折算即可 。
二、浮点表示
当一个数Ｎ＝S×rj 时，当改变阶码 j 的值，小数点 的位置就会浮动。N=1034.56×103 N=1011.101×2101
1 2 1 2
2、原码表示法 （2）n=8 ,x1=0.1010, x2= - 0.1101 求 x1, x2 的原码
（1）原码定义（字长n+1位，包括一位符号位）
整数
小数
[X]原=
[X]原=
X 2n-X X 1-X
2 n –1 ≥ X ≥ 0 0 ≥ X ≥ - （2 n – 1） 1 - 2 - n ≥ X≥ 0 0 ≥ X ≥ -（1- 2 – n ）
（2）求法：① 由定义求 ② 符号位用0或1表示，数值位用原数的绝对 值表示。
2、原码表示法
（3）性质 ① 当真值x为正数时，[x]原的符号位是0；当真值x为 负数时，[x]原的符号位为1。 ② 真值0有两种表示方法，[+0]原和[-0]原。 ③ 一个n+1位整数原码能表示的最大数为0111…111最 小数为11….11能表示数的范围是 -（2 n – 1）~ +（2 n – 1 ) ④一个n+1位定点小数原码能表示的最大正数0.11…1， 能表示最小负数为1 .11…..1即 –( 1 - 2 -n )～+(1 - 2 -n ) 原码特点：简单、易理解，在四则运算中特别适合乘除法 运算，符号位与数值位分开。 缺点是加减法运算比较复杂。
计算机组成原理计算机的运算方法(共56张PPT)精选全文
10 0001 0000
0000
0001
……
……
1001
1010
0
00110000
1
00110001
……
9
00111001
A
16 0001 0110
1111
F
由于ASCII码低四位与BCD码相同，转换方便。 ASCII码左移四位得BCD码， BCD码前加0011得ASCII码。
一般采用二进制运算的计算机中不采用BCD码，矫正不方便。 商用计算机中采用BCD码，专门设置有十进制运算电路。
八进制数与十六进制数之间，可将二进制数作为中介进行转换。
、数值的处理（数制转换）
3） BCD码（十进制）：P214-215
如果计算机以二进制进行运算和处理时，只要在输入输出处理时进
行二 / 十进制转换即可。
但在商业统计中，二 / 十进制转换存在两个问题：
（1）转换占用实际运算很大的时间； （2）十进制的，无法用二进制精确表示；
例：将(0. 1)10转换成二进制数 ( 要求5位有效位) 。
结果
0.1×2
最高位 0 .2×2
… 0 .4×2
0 .8×2
1 .6×2
1 .2×2
0 .4×2
直到乘积的小数部分为0，
或结果已满足所需精度要求为止.
0 .8×2
最低位 1 .6000
可能永远乘不完，小数部分不为0， 意味存在一点误差。
2 105
余数
结果
2 52
1
2 26
0
2 13
0
26
1
23
0
21
1
0
1
直到商等于0为止
计算机组成原理-运算器实验
实验一运算器实验计算机的一个最主要的功能就是处理各种算术和逻辑运算，这个功能要由CPU 中的运算器来完成，运算器也称作算术逻辑部件ALU。
首先安排基本运算器实验，了解运算器的基本结构。
1.1实验目的(1) 了解运算器的组成结构。
(2) 掌握运算器的工作原理。
1.2实验设备PC机一台，Digilent Nexys 4TM开发板，Xilinx Vivado开发套件。
1.3实验原理Digilent Nexys 4TM开发板的通用I/O设备电路图如图1.1所示：图1.1Digilent Nexys 4TM开发板的通用I/O设备电路图如上所示，Nexys4 DDR板包括2个三色LED，16个滑动开关，6个按钮开关，16个单体LED和1个数字-8的七段显示器。
为了防止粗心大意的短路（假如一个FPGA针脚分派到一个按钮开关或者滑动开关被粗心大意的定为输出时将发生短路）损害，按钮开关和滑动开关通过串联电阻连接到FPGA。
5个按钮开关分派到1个“+”信号的配置是瞬时开关，在正常情况下，这些瞬时开关不用时产生低信号输出，被压时产生高信号输出。
另一方面，“CPU RESET”红色按钮不用时产生高信号输出，被压时产生低信号输出。
“CPU RESET”按钮常常在EDK（嵌入式开发套件）设计中用于重置进程，但你也可以把它当为常用按钮开关使用。
滑动开关根据他们的位置产生固定的高或低信号输入。
16个单体高效LED通过330欧姆的电阻阳极连接到FPGA,所以当其各自I/O 针脚应用到逻辑高电压时他们应该是打开的。
不被用户访问的额外LED表示电源，FPGA编程状态和USB和以太网端口状态。
控制显示模块的七段显示器的原理图如图1.2所示：图1.2七段显示器原理图Nexys4 DDR板包含2个4位同阳极7段LED显示器，配置表现得像1个8位数字显示。
8位数字的每一个由分派在一个“数字8”图案中的7段组成，每段嵌入1个LED。
如图17所示，每段LED是单独发光，所以128种模式的任何一个可以通过使某些LED段发光和另外的不发光显示在一个数字上。
计算机组成原理课件第四章计算机中的算术运算
结果：
[X*Y]补=0.10001111
Ø
被乘数的符号Ｘ０和乘数的符号Ｙ０ 都参加运算。
Ø 乘数寄存器Ｒ１有附加位Ｙｎ＋１， 其初始状态为“０”。当乘数和部分积每次 右移时，部分积最低为移至Ｒ１的首位位臵， 故Ｒ１必须是具有右移功能的寄存器。 Ø 被乘数寄存器Ｒ２的每一位用原码或 反码经多路开关传送到加法器对应位的一个 输入端，而开关的控制信号由ＹｎＹｎ＋１的 输出译码器产生。当ＹｎＹｎ＋１＝0１时， 送［Ｘ］补；当ＹｎＹｎ＋１＝１０时，送 ［－Ｘ］补，即送Ｒ２的反码且在加法器最 末位加上“１”。 Ø Ｒ０保存部分积，它也是具有右移功 能的移位寄存器，其符号位与加法器符号位 始终一致。 当计数器ｉ＝ｎ＋１时，封锁ＬＤＲ１和Ｌ ＤＲ０控制信号，使最后一步不移位。
Yi-1yi 00
00 01 01
Cj 0
1 0 1
操作 部分积加0，右移两位
部分积加|x|，右移两位 部分积加|x| ，右移两位 部分积加2|x| ，右移两位
[X]补=1. 1 0 0 + [Y]补=1. 0 1 1
1 10. 1 1 1
丢到
两负数相加，结果应为负数，但运 算结果为正数，表明有溢出发生
例: X＝100 ，Y＝-11０，求 X-Y＝？ 解:
[X]补=0 1 0 0 + [-Y]补=0 1 1 0
1 01 0 一个正数减去一个负数，结果为正数，但计算 结果为负数，表明有溢出发生，出错
采用双符号位的判断方法
每个操作数的补码符号用两个二进制数表示，称为 变形补码，用“00”表示正数，“11”表示负数，左边第 一位叫第一符号位，右边第一位称为第二符号位，两个 符号位同时参加运算，如果运算结果两符号位相同，则 没有溢出发生。如果运算结果两符号位不同，则表明产 生了溢出。“10”表示负溢出，说明运算结果为负数， “01”表示正溢出，说明运算结果为正数。
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31
教学机运算器控制信号汇总
数据组合（ I2 I1 I0 ）
3位
功能代码（ I5 I4 I3 ）
3位
结果处理（ I8 I7 I6 ）
3位
A口地址
4位
B口地址
4位
状态寄存器接收信号（SST） 3位
移位控制信号（SSH）
和最低位进位控制信号（SCI） 3位
23位
32
16 位运算器的完整组成
SST
C
Z
其输出为 F，两路输 入为 S、R，最低位 进位Cn，4个状态输 出信号如图所示
12
B锁存器 A锁存器
B 16个 A A口地址 通用寄存器 B口地址 （写入）
三选一
RAM3
RAM0
也可称为移位器
该寄存器组的写入，只能用B 地址实现，写入数 据是ALU的输出经三选一门（移位器）送到寄存 器组的输入端。移位器可执行直送、左移一位、 右移一位的操作，使加减等运算和移位操作可在 同一操作步骤中完成。
片间高A速m进29位02用 Am2902
Cin
Cn+z Cn+y Cn+x
Y7~4
/G
/P
Y3~0
Am2901
Am2901
低位
RAM0
Am2901
Q0
D11~8
D7~4
D3~0
22
Am2901完成功能需要的控制信号
数据组合（ I2 I1 I0 ） 功能代码（ I5 I4 I3 ） 结果处理（ I8 I7 I6 ） A口地址 B口地址 最低位进位控制信号（SCI） 移位控制信号（SSH） 状态寄存器接收信号（SST）
V
S
1
0
C
Cy
3
F0
右移控制
GAL
GAL
GAL
来自内部总线 IB
Y15~0
Cy
四 位 标
F=0 OVR
16位的
Cin
志 F15
3
位
0,1,RAM0
Q0,RAM15
右 RAM15
移 输
Q15
运算器 RAM0 Q0
入
信 号
B口
3 D15~0
A口 I8~I0
SSH
SSH
GAL
SCI
最
0
低
1
位
C
进
位
左
0
移 输
有一些功能（数 据）取决于如何 使用 Am2901， 与指令和指令的 执行步骤有关， 必须用另外的线 路来处理的，包 括：
23
需要在Am2901芯片外部处理的逻辑功能：
① 最低位进位控制信号（SCI） ② 移位控制信号（SSH） ③ 状态寄存器接收信号（SST）
24
① 需要正确给出芯片的最低位的进位输入 信号Cin ，选用3位的控制码SCI确定。
微型开关
16位的
手拨输入开关
9
Am2901的内部组成与功能
10
输出Y /OE
二选一 F
F3 F=0000 OVR Cn+4
ALU
S
R Cn
三选一 二选一
组成 算逻运算 部件 1 6 个 累加器 乘商寄存器 Q 5组多路选择门
乘商寄存器Q B锁存器 A锁存器 输入D
功能
Q3
Q0
三选一
B 16个 A A口地址 8 种 运算功能 通用寄存器 B口地址 8 种由16个寄存器构 成，并通过B口 与A口地址选择 被读的寄存器， B口地址还用于 指定写入寄存器
通过B口地址、 A口地址读出的 数据将送到B、 A锁存器，要写 入寄存器的数据 由一个多路选择 器送来。
13
输出Y /OE
F3 F=0000 OVR Cn+4
乘商寄存器Q
I8 I7 I6
B
Q
Y
000
Q← F F
001
F
010 B← F
A
011 B← F
F
100 B← F/2 Q← Q/2 F
101 B← F/2
F
110 B← 2F Q← 2Q F
111 B← 2F
F
I5 I4 I3
R+S S− R R− S R٧ S RΛS RΛS R⊕S R⊕S
I2 I1 I0
R
RAM3
RAM0
也可称为移位器
14
输出Y /OE
F3 F=0000 OVR Cn+4
乘商寄存器Q
Q3
Q0
三选一
二选一 F
ALU
S
R Cn
三选一 二选一
B锁存器 A锁存器 输入D B 16个 A A口地址 通用寄存器 B口地址
该芯片的第四 个组成部分是 5 组多路数据选 择电路，通过 它们，实现芯 片内上述三个 组成成分之间 的联系，也实 现该芯片和其 外界信息的输 入与输出操作。
18
表2-3 选择运算器的8 种运算结果处置方案
3位控制码
结果处置
I8 I7 I6
000 001 010 011 100 101 110 111
通用寄存器
BF BF BF/2 BF/2 B2F B2F
Q寄存器
QF
QQ/2 Q2Q
Y输出
F F A F F F F F
Am2901的控制信号汇总表
编码
三选一
RAM3
RAM0
8 种 结果处理
11
符号位 结果为零 结果溢出 进位输出
F3 F=0000 OVR Cn+4
F
ALU
S
R Cn
3 位功能选择码
000 001 010 011 100 101 110 111
8 种运算功能
R+S SR RS R٧ S RS R R⊕S S R⊕S
第一个组成部分是 算逻运算部件ALU, 完成 3 种算术运算 和 5 种逻辑运算， 共计 8 种功能。
SCI
Y15~0
Cy F=0
最
0
低
1
GAL
OVR 16位的 Cin
位
C
F15
3进
位
RAM15 运算器 RAM0
Q15
Q0
I8~I0 A口 B口
D15~0
25
表 2-4 :
26
② 关于左右移位操作过程中的最高位、最低
位移位输入信号的处理，选用3位的控制码
SSH确定。
Y15~0
Cy
F=0
Cin
OVR 16位的 F15
0 1 1 0 00 1 1 1 001
0 0 0 0 0 000 0000
B← F R + S R S D0
接受ALU 状态输出
微型开关与控制信号的对应关系 35
CZVS 运算器的 状态位 状态位 MIO REQ WE DC2,DC1
AR 高8位 AR 低8位
考勤 课上完成实验情况 实验报告 综合作业
3
第一部分：实验须知
实验预习 实验报告 实验报告是实验后的书面总结，通过对实验现象的整理、 分析、总结，可加深对所学理论知识的理解。 实验守则 （1） 保持实验室的整洁，禁止在实验室用餐、喝饮料。 （2） 严禁带电接线和拆线，不要用手触及任何带电部 分。 （3）实验设备发生故障时，必须立即断电，并马上报 告老师。
微型开关
16位的
手拨输入开关
5
选用中小规模集成电路实现的教学计算机系统的组成
计算机 终端
PC机
微程序
电源 运算器 +5V
串 行 接 口
控制器
硬布线 控制器
(16 位)
主存储器 （16位）
接
内口 存实 扩验 展中 实断
按键 开关 指示灯
验实
验
作为最底层的输入/输出手段，开关手拨数据输入，指示灯显示输出的 操作方式还是应该有的。对提高学生的实验动手能力也很有用处。
三选一
RAM3
RAM0
15
输出Y /OE
F3 F=0000 OVR Cn+4
二选一 F
ALU
S
R Cn
一组二选一门， 选择把A口数据 或ALU结果送出 芯片，以给出输 出Y的数据，Y输 出的有无还受输
三选一 二选一
出使能 /OE信号
的控制，仅当
Q寄存器
Q3
Q0
三选一
B锁存器
A锁存器
输入D
/OE为低是才有Y 输出 ，
17
表2-1 选择8 种运算功能
I5 I4 I3 运算功能
000 R+S
001 SR
010 RS
011 R٧ S
100 R S
101 110
R R⊕S S
111 R⊕S
表2-2 选择ALU的8 种输入 数据组合
I2 I1 I0 R S
000 A Q 001 A B 010 0 Q 011 0 B 100 0 A 101 D A 110 D Q 111 D 0
0
C
Cy
3
F0
右移控制
GAL GAL
右 RAM15
移 输
Q15
运算器 RAM0 Q0
入
信 号
B口
3 D15~0
SSH A口 I8~I0
SSH
左
0
移 输
C
入 Q15
信 /F15
号
左移控制
27
28
RAM0
C 0 通用寄存器
RAM15
SHR 0 SHL
RAM0
C
通用寄存器
RAM15
RCR RCL