基本运算器
基本运算器实验
计算机组成原理实验报告实验名称基本运算器实验实验日期2016.9.18 学生姓名学号班级实验目的①了解运算器的组成结构：观察并且熟悉运算器内部的三个独立运算部件（算术、逻辑和移位运算）；②掌握运算器的工作原理：通过连线、给暂存器赋初值、修改操作码观察两暂存器中值的运算结果。
实验内容①连线：用合适的线连接对应的指定区域；②赋初值：拨动相应开关，给暂存器A、B赋相应的初值；③观察T1、T2、T3节拍，并进入T3节拍；④改变K20（S0）、K21（S1）、K22（S2）、K23（S3）、K12（CN_I）的值（即改变不同的操作码），对暂存器中的数进行不同的运算，观察并记录运算器的输出。
实验仪器及元件①STAR COP2018实验仪一套②PC机一台实验原理及电路图①先将要处理的数据存至暂存器A、B中。
暂存器A和暂存器B的数据能在 LED灯上实时显示，原理如下图：②寄存器R0-3、堆栈寄存器SP、标志寄存器PSW（含FC、FZ、FS、I）共用R_0..R_7八个发光二极管，通过Select按键选择，按键上方的发光二极管指示R_0..R_7显示那个寄存器的值。
即下图所示处的发光二极管显示的是寄存器的值：③运算器内部含有三个独立运算部件（算术、逻辑和移位运算部件），这三个部件会（图为成功将二进制数01011000写入暂存器A）④给暂存器B赋初值：A．拨动开关区单元的K7..K0开关，形成二进制数10101011（十进制的171、十六进制的AB）；B．拨动开关区单元K15(wA)、K14(wB)、K13(rALU)、K12(CN_I)开关，赋wA=1、wB=0、rALU=1、CN_I=0，按CON单元的STEP按键一次,将二进制数01011000写入暂存器A中。
★ALU单元的A_7…A_0 LED上显示A中的值。
（如图所示）（图为成功将二进制数10101011写入暂存器B）⑤赋wA=1、wB=1、rALU(K13)=0,按uSTEP键，进入T3节拍；⑥对两暂存器中的数据进行运算，并观察显示屏上显示的十六进制结果：不断改变K20（S0）、K21（S1）、K22（S2）、K23（S3）、K12（CN_I）的值：A．当S3=0 S2=0 S1=0 S0=0、CN_I=0时，进行F = A（直通）运算，显示屏结果为58.（图为F=A的运算结果）B．当S3=0 S2=0 S1=0 S0=0、CN_I=1时，进行F = B（直通）运算，显示屏结果为AB.（图为F=B的运算结果）C．当S3=0 S2=0 S1=0 S0=1、CN_I=X（0或者1）时，进行F = A + B （或）运算，显示屏结果为FB.（图为F = A + B的运算结果）实验结果分析由于课堂时间原因，实际上只完成了运算结果表的前三项，即逻辑运算的前三项，实验结果见下表：运算类型A B S3 S2 S1 S0CN_I结果逻辑运算58 AB 0000 0 ALU=（58） FC=（0）FZ=（0） FS=(0)58 AB 0000 1 ALU=（AB） FC=（0）FZ=（0） FS=(0)58 AB 0001 X ALU=（FB） FC=（0）FZ=（0） FS=(0)注：FC、FZ、FS中0表示灭，1表示亮对应ALU功能表，对实验结果进行分析可得：①当S3=0 S2=0 S1=0 S0=0、CN_I=0时，进行F = A（直通）运算，由于显示屏只有两位，且我们写入寄存器A的数据为01011000，因此在显示屏上显示的是该数据的十六进制表示：58。
运算器名词解释
运算器名词解释
运算器是计算机的一种设备，有助于以更快的速度来完成自动计算、处理数据和求解数学问题。
本文将对运算器的名词进行详细解释，以便于读者更好地理解运算器。
首先，什么是CPU（Central Processing Unit），也称中央处理器，简称处理器。
它是一种计算机硬件设备，完成所有计算机系统功能的核心。
它可以接收外部输入、处理数据和执行指令，使用它可以实现图形处理、图像处理和机器学习等功能，是一种多功能的计算机设备。
其次，什么是ALU（Arithmetic Logic Unit），也称算术逻辑单元，是CPU的主要组件之一。
它完成算术运算和逻辑运算，执行基本的指令，如加法、减法、乘法、除法等。
它将输入信号转换为输出信号，实现对数字数据的计算、比较和逻辑判断。
再次，什么是CU（Control Unit），也称控制单元，是CPU的核心组件，用来控制和协调整个系统的工作。
它接收来自外部设备的信号，根据计算机的程序，有序地将它分配到各部件，并进行必要的控制和协调，以实现整个系统的运行。
CU可以说是运算器的核心，负责控制各个部分的运行，保证系统的正常运行。
最后，什么是内存，也称存储器，是计算机系统中用来存储数据和指令的设备，可以按照指定的顺序执行程序。
内存的大小决定了系统能处理的数据量和计算速度，对运算器的效率有很大影响。
以上就是运算器的名词解释，通过这些名词的解释，读者可以更
加全面地了解运算器的功能，以及具体的组成部分，从而有助于更好地利用计算器。
算器在工业自动化、金融、医疗、航空航天等领域都发挥着重要作用，它是未来科技发展的重要支柱，也是实现社会科技进步的重要动力。
减法器的原理
减法器的原理减法器是一种逻辑电路，用于实现数字减法操作。
它可以将两个二进制数相减，并产生相应的差值。
减法器是计算机中基本运算器的重要组成部分之一。
减法器的原理基于数学减法运算的规则。
在二进制数相减时，我们可以使用借位的方式来实现减法操作。
借位就是从高位向低位“借”1，以实现减法的运算。
在设计一个减法器时，我们首先需要确定输入和输出的位数。
通常情况下，一个减数和被减数具有相同的位数，而差值的位数要多一位，以便能够容纳可能产生的借位。
假设有两个4位二进制数A和B，它们的差值可以由一个5位二进制数C来表示。
为了实现减法操作，我们需要实现减法器的逻辑电路。
减法器通常由减法单元和借位处理单元组成。
减法单元负责执行二进制数的减法操作，而借位处理单元负责处理可能产生的借位。
减法单元通常由比较器和异或门组成。
比较器用于比较两个相应位的数值大小。
如果被减数的某一位大于减数的相应位，则该位为1；如果相等，则为0；如果被减数的某一位小于减数的相应位，则需要借位。
借位处理单元通常由与门和或门组成。
与门用于判断某一位是否需要借位，或门用于将各位的借位结果进行合并。
借位处理单元通过与门和或门的组合，可以实现多位二进制数的借位操作。
具体地说，借位处理单元可以通过以下方式实现：假如被减数的某一位小于减数的相应位，那么此位就需要借位，借位的值为1；如果该位不需要借位，借位的值为0。
这些借位信息通过与门的输入进行连接，与门的输出表示是否需要进行借位操作。
当所有位的借位信息都为1时，减法器产生的借位为1，否则为0。
减法器还需要考虑溢出问题。
溢出是指减法运算结果的位数超出了设定的范围。
在减法器中，溢出通常是通过检查最高位的进位信号是否与借位信号相同来判断的。
如果最高位的进位信号和借位信号相同，表示产生了溢出；如果它们不同，表示没有产生溢出。
减法器的输出是两个二进制数的差值，以及产生的溢出信号。
差值的每一位可以通过异或门实现，而溢出信号可以通过比较器和与门实现。
运算器的主要功能是
运算器的主要功能是运算器是一种用来进行数学运算的设备，主要用于进行加法、减法、乘法和除法等基本的算术运算。
它既可以是一种机械设备，也可以是一种电子设备。
无论是机械运算器还是电子运算器，其主要功能都是对数值进行运算，方便人们进行数学计算。
首先，运算器的主要功能之一是进行加法运算。
加法是数学中最基本的运算之一，也是我们日常生活中经常进行的运算。
通过运算器，我们可以将两个或多个数字进行相加，得到它们的和。
无论是小学生还是专业的数学工作者，都可以利用运算器进行加法运算，准确计算出相加数字的和。
其次，运算器的另一个主要功能是进行减法运算。
减法是加法的逆运算，是数学中另一种基本的运算方式。
通过运算器，我们可以将一个数字从另一个数字中减去，得到它们的差。
无论是计算月供还是计算综合利率等需要减法运算的场合，运算器都能够方便快捷地帮助我们进行减法运算。
此外，运算器还可以进行乘法运算。
乘法是一种重要的数学运算，通过运算器，我们可以将两个数字相乘，得到它们的积。
乘法在很多实际的计算场景中都有着广泛的应用，比如计算商品的总价、计算光速等。
通过运算器的乘法功能，我们可以快速准确地得到所需的结果。
最后，运算器还能够进行除法运算。
除法是一种较为复杂的运算方式，通过运算器，我们可以将一个数字除以另一个数字，得到它们的商。
除法在金融计算、统计学、几何学等领域都有着重要的应用。
通过运算器的除法功能，我们可以方便地进行除法运算，得到所需的商。
除了基本的四则运算，运算器还可以进行其他一些高级的运算，比如平方、开方、幂运算等。
通过运算器的这些功能，人们可以进行更加复杂的数学计算，满足各种不同的需求。
运算器的主要功能是对数值进行运算，能够帮助人们进行各种数学计算。
它的出现极大地提高了计算的效率和准确性，使得数学计算变得更加方便快捷。
无论是日常生活中的简单加减乘除，还是专业的数学运算，运算器都是一个不可或缺的工具。
5 运算器
附加 加法器
δ
D寄存器
Xe
Xn
X
为加减运算标记触发器， 为溢出标记触发器， GA、 GS 为加减运算标记触发器，V为溢出标记触发器，α两个操作 数的符号（1同、0异），δ 控制加减法步骤。 数的符号（ ），δ 控制加减法步骤。
二、浮点乘法、除法运算器的硬件组成 浮点乘法、 1、浮点乘除运算步骤 、 （1）阶码相加减（2）尾数乘除（3）规格化（4）舍入（5）溢出判断 ）阶码相加减（ ）尾数乘除（ ）规格化（ ）舍入（ ） 2、浮点乘、除法运算器逻辑电路图 、浮点乘、除法运算器逻辑电路图
§ 5 · 3 浮点运算器
一、浮点加、减法运算器 浮点加、 1、浮点加减运算步骤 、 （1）对阶（2）尾数求和（3）规格化（4）舍入（5）溢出判断 ）对阶（ ）尾数求和（ ）规格化（ ）舍入（ ） 2、浮点加、减法运算器逻辑电路图 、浮点加、减法运算器逻辑电路图
GA α GS V C寄存器 Ae An m位 并行加法器 A
2、双总线结构
A 运算过程 L 锁存器 （1）将操作数 、 通用寄存器 ）将操作数1、 U 操作数2分别从总 操作数 分别从总 线1、总线 送入 、总线2送入 ALU，并存结果于锁存器。 ，并存结果于锁存器。 （2）从锁存器中取出结果送入目标空间。 ）从锁存器中取出结果送入目标空间。 特点 速度比较快 状态标志寄存器
Qm ρ 附加 加法器 C寄存器 Ae An m位并行加 法器及控制 线路 D寄存器 Xe Xn X A MQ寄存器
τ
Qm（Qd）为浮点乘（ Qm（Qd）为浮点乘（除）法标记触发器，τ为主周期计数器； 法标记触发器， 为主周期计数器； 为节拍计数器。 ρ为节拍计数器。
§ 5 · 4 改善和增加运算器功能的几种硬件实现
运算器的基本组成
②累加寄存器：在进行双操作数运算时，必须有一个数放在累加寄存器中，最后的结果也存放在这里。
③通用寄存器：通常用来存放操作数和运算的中间结果。
运算器的基本组成
1994-10-07
1.算术逻辑部件：这是运算器的主要部件。加、减法运算以及乘除都在这里进行。此外，这个部件还要具备左移和右移的功能。
2.寄存器：参加运算的操作数一般是存放在寄存器中的。因此运算器中必须有若干个寄存器，速度要求越高的机器，寄存器个数越多，一般有以下几类寄存器。
④标志寄存器：用来存放运算结果的特征。
运算器名词解释
运算器名词解释运算器是用于计算数字和表达式的计算机硬件设备。
简单地说，利用运算器，可以进行加、减、乘、除以及进行更复杂的数学和逻辑运算。
它也可以以数值形式存储和处理数据，因此又可以将其归类为数据处理器。
运算器可以是独立的计算机，也可以是作为计算机系统的一部分而存在的。
运算器的使用方式也可以有所不同，是全自动的，比如计算机，还是手动的，比如四则运算器，也可以是混合的两者。
2.算器的种类运算器的种类很多，大致可以分为四类：（1）四则运算器：这是最常见的一类运算器，它用于简单的加减乘除四则运算，通常使用计算机进行运算，但也可以使用手动运算器。
（2）函数运算器：这类运算器专门用于计算各种数学函数，包括三角函数、指数函数等，通常有大型和小型两种结构，其中小型的函数运算器一般出现在计算机键盘上。
（3）科学运算器：这类运算器用于求解特殊函数，比如高等数学函数等，也可以用来解决复杂的问题，如求衍生、积分等。
（4）数据处理运算器：这类运算器是最为复杂的一种，它可以对各种数据进行处理，例如算术运算、统计分析、曲线拟合等。
它也可以模拟计算机运算，如编程、流程控制等。
3.何使用运算器运算器的使用方法取决于运算器类型：（1）四则运算器的使用方法：如果使用的是计算机四则运算器，只需将要计算的数字和符号输入后，按下“等号”键，即可显示运算结果；如果使用的是手动四则运算器，则需要一步一步逐位地计算，并按下相应的运算符号来进行计算，最终显示出结果。
（2）函数运算器的使用方法：如果使用的是键盘函数运算器，首先需要选择要进行的函数运算，并输入参数后，按下“等号”按钮，即可显示运算结果；而如果使用的是大型函数运算器，则需要先选择要运算的函数，然后将参数录入进去，按下“计算”键，即可显示运算结果。
（3）科学运算器的使用方法：与函数运算器的使用方法基本相同，但比函数运算器更加复杂，可进行更复杂的运算，比如求衍生、求积分等。
（4）数据处理运算器的使用方法：它的使用方法和科学运算器类似，但是需要更多的参数和更复杂的运算，比如编程、状态控制等。
《计算机组成原理》3.6运算器的组成
由外部送来的三位控制码I2I1I0控制R、S的多路选择器选择输入。 运算器中有1个16×4位的通用寄存器组和一个4位的Q寄存器。 ALU给出的四个状态信息。 RAM3、RAM0、Q3、Q0：移位寄存器接收与送出移位数值的引线 运算器的四位输出为Y3～Y0，它可以是ALU的运算结果，也可以
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3.6.2 浮点运算器
由于浮点运算中阶码运算与尾数运算分别进行，因此 浮点运算部件应包括尾数部件和阶码部件两个部分。
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实现四则运算的浮点运算器
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尾数运算部件
进行尾数的加减乘除运算。 由寄存器R0、R1、MQ及并行加法器Fm组成。 R0、R1：暂存操作数。其中R0也称为累加器，用于存 放运算结果。 MQ：乘商寄存器 用于进行乘除运算，R0、MQ具有联合左移、右移的功 能，实现方法与定点乘、除法器相类似。 R1具有右 移功能，以实现对阶移位。
3.6 运算器组成
3.6.1定点运算器
1.基本结构
运算器结构的基本组成部分：包括ALU、寄存器、多 路开关、标志/状态触发器、移位器和数据总线等基 本逻辑部件。
运算器设计主要是围绕着ALU和寄存器同数据总线之 间如何传送操作数和运算结果而进行的。
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（1）单总线结构运算器
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（2）双总线结构运算器
Q /2→ Q 2Q→ Q
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Y 输出 F F A F F F F F
例：给出实现指令R0＋R1→M的控制信号。
解： 选择R0：A地址＝0000； 选择R1：B地址＝0001； R＝A，S＝B：I2I1I0＝001； R＋S：I5I4I3＝000； 输出运算结果F（Y＝F）：I8I7I6＝001
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本实验的原理如图1-1-1所示。
运算器内部含有三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，要处理的数据存于暂存器A和暂存器B，三个部件同时接受来自A和B的数据（有些处理器体系结构把移位运算器放于算术和逻辑运算部件之前，如ARM），各部件对操作数进行何种运算由控制信号S3…S0和CN来决定，任何时候，多路选择开关只选择三部件中一个部件的结果作为ALU的输出。如果是影响进位的运算，还将置进位标志FC，在运算结果输出前，置ALU零标志。ALU中所有模块集成在一片CPLD中。
图1-1-1运算器原理图
运算器部件由一片CPLD实现。ALU的输入和输出通过三态门74LS245连到CPU内总线上，另外还有指示灯标明进位标志FC和零标志FZ。请注意：实验箱上凡丝印标注有马蹄形标记‘ ’，表示这两根排针之间是连通的。图中除T4和CLR，其余信号均来自于ALU单元的排线座，实验箱中所有单元的T1、T2、T3、T4都连接至控制总线单元的T1、T2、T3、T4，CLR都连接至CON单元的CLR按钮。T4由时序单元的TS4提供，其余控制信号均由CON单元的二进制数据开关模拟给出。控制信号中除T4为脉冲信号外，其余均为电平信号，其中ALU_B为低有效，其余为高有效。
5.用输入开关向暂存器B置数。
1)拨动CON单元的SD27…SD20数据开关，形成二进制数10110010。
2)置LDA=0，LDB=1，连续按动时序单元的ST按钮，产生一个T4上沿，则将二进制数10110010置入暂存器B中，暂存器B的值通过ALU单元的B7…B0八位LED灯显示。
6.改变运算器的功能设置，观察运算器的输出。置ALU_B=0、LDA=0、LDB=0，然后按表1-1-1，置S3、S2、S1、S0和Cn的数值，并观察数据总线LED显示灯显示的结果。如置S3、S2、S1、S0为0010，运算器作逻辑与运算，置S3、S2、S1、S0为1001，运算器作加法运算。
1 1 0 0
X
F=(73) FC=(0) FZ=(0)
1 1 0 1
X
F=(75) FC=(0) FZ=(0)
结论
（结果）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ小结
指导老师评议
成绩评定：指导教师签名：
4.用输入开关向暂存器A置数。
1)拨动CON单元的SD27…SD20数据开关，形成二进制数01110100，数据显示亮为‘1’，灭为‘0’。
2)置LDA=1，LDB=0，连续按动时序单元的ST按钮，产生一个T4上沿，则将二进制数01110100置入暂存器A中，暂存器A的值通过ALU单元的A7…A0八位LED灯显示。
实验步骤：
1.按图1-1-5连接实验电路，并检查无误。图中将用户需要连接的信号用圆圈标明（其它实验相同）。
图1-1-5实验接线图
2.将时序与操作台单元的开关KK2置为‘单拍’档,开关KK1、KK3置为‘运行’档。
3.打开电源开关，如果听到有‘嘀’报警声，说明有总线竞争现象，应立即关闭电源，重新检查接线，直到错误排除。然后按动CON单元的CLR按钮，将运算器的A、B和FC、FZ清零。
四川大学锦江学院
实验报告
学号：100510119姓名：钟霖专业：计算机科学与技术班级：10级计科第9周
课程名称
计算机组成原理实验
实验课时
4
实验项目
基本运算器实验
实验时间
2012-11-2
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。
实验环境
西安唐都TD－CMX实验仪器一套、PC机一台
实验内容（算法、程序、步骤和方法）
数据记录
和计算
表1-1-2运算结果表
运算类型
A
B
S3 S2 S1 S0
CN
结果
逻辑运算
74
B2
0 0 0 0
X
F=(74) FC=(0) FZ=(0)
0 0 0 1
X
F=(B2) FC=(0) FZ=(0)
0 0 1 0
X
F=(30) FC=(0) FZ=(0)
0 0 1 1
X
F=(F6) FC=(0) FZ=(0)
算术运算
1 0 0 0
X
F=(74) FC=(0) FZ=(0)
1 0 0 1
X
F=(26) FC=(0) FZ=(0)
1 0 1 0（FC=0）
X
F=(26) FC=(0) FZ=(0)
1 0 1 0（FC=1）
X
F=() FC=() FZ=()
1 0 1 1
X
F=(C2) FC=(0) FZ=(0)
图1-1-2交叉开关桶形移位原理图
暂存器A和暂存器B的数据能在LED灯上实时显示，原理如图1-1-3所示（以A0为例，其它相同）。进位标志FC、零标志FZ和数据总线D7…D0的显示原理也是如此。
ALU和外围电路的连接如图1-1-4所示，图中的小方框代表排针座。
运算器的逻辑功能表如表1-1-1所示，其中S3 S2 S1 S0 CN为控制信号，FC为进位标志，FZ为运算器零标志，表中功能栏内的FC、FZ示当前运算会影响到该标志。
0 1 0 0
X
F=(8B) FC=(0) FZ=(0)
移位运算
0 1 0 1
X
F=(1D) FC=(0) FZ=(0)
0 1 1 0
0
F=(3A) FC=(0) FZ=(0)
1
F=(3A) FC=(0) FZ=(0)
0 1 1 1
0
F=(E8) FC=(0) FZ=(0)
1
F=(E8) FC=(0) FZ=(0)