脱机运算器实验
组成原理实验课件--运算器
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
2运算器实验
科技学院综合实验报告( 20 -- 20 年度第一学期)名称：计算机组成原理综合实验题目：运算器实验院系：信息工程系班级：学号：学生姓名：指导教师：设计周数： 1成绩：日期：年月一、目的与要求（1）熟悉与深入理解4位的运算器芯片Am2901的功能和内部组成，运行中要求使用的控制信号及其各自的控制作用；（2）熟悉与深入理解用4片4位的运算器芯片构成16位的运算器部件的具体方案，各数据位信号、各控制位信号的连接关系；（3）熟悉与深入理解用2片GAL20V8芯片解决ALU最低位的进位输入信号和最高、最低位的移位输入信号、实现4位的标志位寄存器的方案，理解为什么这些功能不能在运算器芯片之内实现而要到芯片之外另外处理。
（4）明确教学计算机的运算器部件，使用总计23位的控制信号就完全确定了它的全部运算与处理功能，脱机运算器实验中可以通过24位的微型开关中的23位提供这些控制信号，教学计算机正常执行指令时，这些控制信号必须改由控制器部件来提供。
在两种方式下，每一位（组）的控制功能是完全相同的。
二、实验正文1．实验内容1．1脱机运算器和联机运算器的区别和联系区别：脱机运算器只能通过数据开关拨入参加运算的数据，通过微型开关提供操作运算器运行所必需的控制信号，通过信号指示灯观察运算结果，操作简单，实验结果清晰易理解。
在计原16系统中，运算器最低位的进位输入信号Cin和左右移位输入信号RAM0、Q0、RAM15、Q15是由MACH芯片内部的SHIFT线路提供的。
16个开关拨入的数据经开关门电路送到内部总线，内部总线与运算器的输入端D15~D0已经连接。
联机运算器与计算机主机保持正常的连接关系，可以通过指令提供参加运算的数据，通过控制器提供操作运算器运行所必需的控制信号，通过信号指示灯或者通过运行监控程序观察运算结果，操作略显复杂，涉及到目前尚未讲解到的如何让控制器提供运算器实验所要求的控制信号的办法，有一定难度。
联系：两种运算器运算是都是由操作运算器运行所必须的控制信号，并通过指示灯观察运行结果1．2脱机运算器实验微型开关各字段的控制功能I2~I0表示数据来源，I5~I3表示运算功能，I8~I6表示结果处理。
实验二 运算器实验
南京工程学院计算机工程学院计算机组成与结构实验报告书实验学生班级 K网络工程121实验学生姓名王云峰学号 240121525实验地点信息楼A115实验二运算器实验同组同学李翔240121515（合作小组朱赛杰240121533）实验日期 11月27日实验仪器号 TEC-XP+14S022一、实验目的1．加深对Am2901运算器内部组成的了解, 掌握四片Am2901芯片间的连接关系, 以及它与有关外部逻辑电路的连接关系。
2．准确把握该运算器的控制与使用, 即掌握其运算与操作功能, 以及正确地为其提供全部控制信号及有关数据的手段与技术。
3．初步了解运算器在计算机整机中的作用。
二、实验内容1．脱机方式下运算器的控制及运行设计控制信号序列，在脱机方式实现给定程序段的功能。
记录按压START 前后的ALU的运算结果和状态标志。
2．联机方式下运算器的控制及运行在联机方式下，汇编并单步执行给定程序段，查看并记录每条指令执行后的运行结果。
使用指令的单步骤执行方式，观察与运算器相关的控制信号的状态。
三、实验步骤与结果脱机的运算器实验，在教学实验中实现如下7项操作功能：预期功能实现方案R0 ←1234 数据开关拨1234，B地址给0，D+0，结果送B口选的R0R9 ←789F 数据开关拨789F，B地址给9，D+0，结果送B口选的R9 R9 ←R9-R0 B地址9，A地址给0，最低位进位给1，B-A，结果送B 口选的R9R0 ←R0+1 B地址给0，最低位进位给1，B+0，结果送B口选的R0 R10←R0 B地址给A，A地址给0，A+0，结果送B口选的R10逻辑右移在有了预期功能和实现方案之后，要解决的具体问题，就是依据教学计算机的简明操作卡中的有关表格中规定的内容，找出实现每一操作功能要用到的控制码。
请把表2-3中各组控制信号的正确的取值填写在相应位置，然后把运行结果的状态信息填入表2-4。
思考题：执行R0+1时，为什么输出Y15-Y0为1234，而不是1235？左右移位时，是通用寄存器本身移位，还是它与Q寄存器联合移位是怎么区分的？最高、最低位的移位输入信号是怎么给出的？C在移位中有什么作用？联机的运算器实验，改用教学计算机的指令实现上述脱机运算器实验完成的功能。
计算机组成原理实验1_脱机运算器
实验一．脱机运算器部件实验一、教学计算机的通电启动和关闭操作1.教学计算机系统通电启动的操作步骤：(1) 准备一台串行接口运行正常的PC机；(2) 将TH-union计原16放在实验台上，打开实验箱的盖子，确定电源处于断开状态；(3) 将黑色的电源线一端接220V交流电源，另一端插在计原16实验箱的电源插座；(4) 取出通讯线，将通讯线的9芯插头接在计原16实验箱后板上左侧位置的串口插座，另一端接到PC机的串口上；(5) 将计原16实验系统左下方的五个黑色的功能控制开关置于00010的位置（连续、内存读指令、微程序、联机、16位），开关拨向上方表示“1”，拨向下方表示“0”；(6) 接通电源，船形开关和5V电源指示灯亮。
(7) 在PC机上运行PCEC16.EXE文件，根据使用的PC机的串口情况选“1”或“2”，其它的设置一般不用改动,直接回车即可。
(具体步骤附后)(8) 按一下“RESET”按键,再按一下“START”按键，PC机屏幕上显示：TH-union CRT MONITORVersion 1.0 April 2001Computer Architectur Lab.， Tsinghua UniversityProgrammed by He Jia>这个版权信息显示出来之后，表示教学机已经进入正常运行状态，等待输入监控命令。
实验注意事项：1.连接电源线和通讯线前TH-union计原16实验系统的电源开关一定要处于断开状态，否则可能损坏教学计算机系统的或PC机的串行接口电路；2.五个黑色控制开关的功能示意图如下：开关位置，自左向右共5个，分别控制1 2 3 4 5向上拨：单步手工拨指令组合逻辑运算器联机 8位向上拨：连续读内存指令微程序运算器脱机 16位几种常用的工作方式，（开关向上拨表示为1，向下拨表示0）工作方式功能开关状态连续运行程序、硬连线控制器、联机、16位机 00110连续运行程序、微程序控制器、联机、16位机 00010单步、手拨指令、硬连线控制器、联机、16位机 11110单步、手拨指令、微程序控制器、联机、16位机 11010单步、脱机运算器实验、16位机 100002.关闭教学计算机系统在需要关闭教学计算机系统时，应首先通过安装在机箱右侧板上的开关关闭交流电源，教学机上的全部指示灯都会熄灭。
TEC-2000实验说明
实验说明一．TEC-2000教学机使用手册1. TEC-2000教学机介绍2. TEC-2000教学机和PC机的互联教学机和PC机通过RS-232串行口通信教学机使用其固化在ROM上的监控程序监控与PC机的通信PC机通过运行仿真终端程序PCEC与教学机进行通信。
即PC使用PCEC程序通过串行口与教学机的监控程序通信.使用PCEC主要可完成以下功能:1) 通过PC机向教学机加载程序2) 向监制程序发送调试命令，使之控制程序在教学机中的运行，可令程序单步运行、连续运行等，控制方法参见监控程序一节。
二．仿真终端程序PCEC由于教学计算机只配有开关、按钮、指示灯形式的输入输出设备，而没有标准的输入输出设备，所以就需要利用PC机的键盘和显示器进行程序和命令的输入和显示，解决的方法就是采用PCEC这样一个程序来控制PC 机与教学机之间的信息传送，所以PCEC被称为联机通讯程序。
1. PCEC的运行过程(1)进入微型机C 盘上的a文件夹；(2)双击PCEC16图标，出现如图所示的界面：(3)以上内容表明系统默认选择串口1（com1），可根据实际连接情况选择串口1或是串口2，按回车后出现如图界面：(4)上图中是系统设定的一些有关串口传输参数，没有特殊要求时一般不需修改这些参数，建议用户不要改动，直接回车，然后按一下教学计算机的“RESET”按钮，再按一下“ST ART”按钮，出现大于号（> ）提示符，界面如下图所示：此时表明TEC-2000教学计算机与PC机联机通讯正常。
系统处于命令行状态，即可通过发出计算机提供的监控命令执行相应的操作。
2. 监控命令(1) 单条汇编命令A用A 命令键入一段汇编源程序。
在命令行提示符状态下输入：A 2000↙；表示该程序从2000H地址开始，屏幕将显示：2000：输入如下形式的程序：2000: MVRD R0，0036 ↙2002: OUT 80↙2003: RET ↙；程序的最后以RET指令结束2004: ↙（直接敲回车键，结束A命令输入程序的操作过程）若输入有误，系统会给出提示并显示出错地址，用户只需在该地址重新输入正确的指令即可。
运算器实验报告--孔锐-16281132-1
脱机运算器实验报告理论课教师姓名：高金山实验指导教师：坐位号：54 姓名：孔锐学号：16281132实验目的：1、深入了解AM2901运算器的功能与具体用法；2、深化运算器部件的组成、设计、控制与使用等知识实验内容：运算器实验（2）实验步骤将教学机左下方的5个拨动开关置为1XX00（单步、16位、脱机）；先按一下“RESET”按键，再按一下“START”按键，进行初始化。
接下来，按下表所列的操作在机器上进行运算器脱机实验，将结果填入表中：实验结果分析：在做实验分析之前，先把与该实验相关的有关总结性内容展示如下：1、脱机运算器实验，是指让运算器从数学计算机整机中脱离出来，此时，他的全部控制与操作均需通过两个12位的卫星开关来完成，这就谈不上执行指令，只能通过开关，案件控制数学机的运算器完成指定的运算功能，并通过指示灯观察运算器结果。
（1）12位的微型开关的具体控制功能分配如下：A口，B口地址送给AM2901器件用于选择源与目的操作数的寄存器编号：I8-I0：选择操作数来源，运算操作数功能，选择操作数处理结果和运算器输出内容的3组3位的控制码：SCI、SSH和SST：用于确定运算器最低位的进位输入，移位信号的入\出和怎样处理AM2901产生的状态标志位的结果。
（2）开关位置说明：（3）做脱机运算器实验时，要用到提供24位控制信号的微动开关和提供16位数据的拨动开关，微动开关有三个一个可以提供12位的控制信号三个开关分别标有SW1-micro-switch、SW2-micro-switch和SW3-micro-switch。
他们所对应的控制信号见下表；数据开关是黑色的，左边的标有SWH的是高8位；右边的标有SWL的是低8位(4)开关检测红色微动开关是该实验系统中使用寿命最短的器件，开关好坏的检测方法比较简单，用户将五个控制机器工作方式的开关置于“1XX00”。
二、结果分析，先给出各个表：由上表可知，所做的实验则是对数据的存放，自加，移位，不同存储器之间的相加相减等，实验中，各个数据的均为16进制显示，有4个4位LED灯显示信号，分析：此指令要完成的目的是将FFFF赋给R0.B口对应R0，且地址为0000；只有R0一个值，所以A口不用。
TEC-2实验计算机运算器实验
实验报告实验人：学号：08 日期：2010-05-18 院（系）：软件学院专业（班级）：0实验题目：TEC-2实验计算机运算器实验一. 实验目的1.了解和掌握Am2901运算器的组成结构的工作原理；2.认识和掌握TEC-2机计算器的组成和工作原理；3.认识和掌握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；二. 实验原理1）.综述TEC-2实验计算机是为计算机组成原理的教学与实验而研制的实验计算机。
有两种方式实验：高级方式实验-联机实验，初级方式实验-脱机实验。
本实验即是采用脱机实验的方法，对运算器的原理和功能进行探究。
首先，运算器部件是计算机五大功能部件中的数据加工部件。
运算器的首要功能是完成对数据的算术和逻辑运算，由其内部的应该被称为算术与逻辑运算部件（ALU）来实现，它在给出运算结果的同时，还给出运算结果的标志，如溢出与否，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。
运算器的得二项功能，是暂存将参加运算的数据和中间结果，由其内部的一个寄存器来承担。
因为这些寄存器可被汇编程序直接方位与使用，因此将它们成为通用寄存器，以区别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程序指令运算，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实验即得运算器核心部分是Am2901。
Am2901芯片是一个4位的位片结构的完整的运算器部件。
对运算器的控制与操作，指的是如何让运算器完成所预期的操作功能。
这是通过正确的向其提供控制信号。
包括选哪个（哪些）数据参加运算，执行何种运算功能，对运算结果（值和特征）如何保存与送出等；同时，要解决正确运算器提供参加运算数据的种种问题，包括从外部向运算器送入数据，正确给出ALU最低的进位信号，运算器左右移位操作中的移位输入信号等。
!1脱机运算器实验
大连理工大学实验预习报告学院（系）：电子信息与电气工程学部专业：计算机科学与技术班级：1101姓名：郝宽宽学号：201181394指导教师签字：成绩：实验一：脱机运算器实验一、实验目的和要求（1）理解运算器芯片Am2901的功能和内部组成，运行中使用的控制信号及各自的控制作用；（2）理解4片Am2901构成16位运算器的具体方案，各数据位信号、各控制位信号的连接关系；（3）使用24位微型开关中的23位控制信号确定运算与处理功能。
二、实验原理、逻辑框图和实验设备实验原理：①运算器脱离与计算机主机的连接；②数据开关拨入参加运算的数据；③微型开关提供操作运算器运行必须控制信号；信号指示灯观察运算结果，信号亮表示高电平1，信号灯灭表示低电平0；④最低位的进位输入信号Cin和左右移位输入信号RAM0、Q0、RAM15、Q15由MACH内部SHIFT线路提供。
Am2901内部组成逻辑框图：4片Am2901构成16位运算器逻辑框图：实验设备：清华大学 TEC-XP 实验箱的MACH 部分三、实验内容（1）实现如下6项操作功能：R0 ← 1234，R9 ← 789F ，R9 ← R9-R0 ，R0 ← R0+1 ，R10← R0 ，R9 ← R9^R0 。
（2）找出上述实现每一操作功能要用到的控制码。
填写表中各组控制信号正确值，然后填入运行结果的状态信息表。
四、实验步骤（1）将教学机左下方的 5 个拨动开关置为1XX00（单步、16 位、脱机）；先按一下“RESET ”按键，再按一下“START ”按键，进行初始化。
（2）按实验内容（1）的操作在机器上进行运算器脱机实验，输入时需要转换通过两个12 位的红色微型开关向运算器提供控制信号，通过16位数据开关向运算器提供数据，通过指示灯观察运算结果及状态标志。
（3）二进制数据由拨动开关SW 给出的（注：实验所给数据为十六进制数，需要转化为二进制输入）。
按“START ”按键之前，ALU 输出的是计算结果，A 、B 口数据锁存是在时钟的下降沿，通用寄存器的接收是在低电平，要想寄存器接收ALU 计算结果必须按一次“START ”。
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高位芯片的RAM0、Q0分别与低位芯片的RAM3、Q3相连；
串行进位，高位芯片的Cn与低位芯片的Cn+4相连；
最低位芯片Cn是运算器最低位进位输入信号。最高位芯片Cn+4是运算器进位 输出信号。
+5v
F=0
Am 2902
R
Cn+z /G /P Cn+y /G /P Cn+x /G /P
OVR F15
• 4位的Q寄存器,实现硬件乘除法指令和对本身内容完成左 右移位，能接收ALU输出。输出送到ALU 的S 输入端。
Am2901的内部组成
• 5组多路数据选择器，实现上述三个组成 之间的联系及芯片和外界信息的输入与输出操作：
• ① 一组4位的二选一器件控制把运算器内的两路4位输出数 据送出芯片，标记为Y；
技术说明
• 运算器部件主体部分由4片4位的位片结构 Am2901组成。
• 使用MACH芯片内部部分电路提供ALU最低位的 进位输入信号和最高、最低位的移位输入信号。
• 使用一片GAL20V8实现4位的标志位寄存器 FLAG，接收ALU输出的4个标志位信号和来自内 存堆栈区的4位数据，用于恢复现场状态信息 。
运算器输出内容；
SCi、SSH 和SST：确定运算器最低位进位输入、移位信号入/出和状态标志位。
I8~6
REG
Q
Y
000
F→Q F
001
F
010 F→B
A
011 F→B
F
100 F/2→B Q/2→Q F
101 F/2→B
F
110 2F→B 2Q→Q F
I5~3 功能 R+S S–R R–S R∨S R∧S /R∧S R⊕S
运算器组成线路和信息连接关系
FtoIB
FLAG
CZVS
RAM15 Q015
Am2901-3
Am2901-2
Am2901-1
Am2901-0
RAM0 Q0 Cin
内部总线IB
AR15~8
AR7~0
ALU 结果指示灯
ALUtoIB
ALUtoIB
脱机运算器实验的环境
脱离与计算机主机的连接 数据开关拨入参加运算的数据； 微型开关提供操作运算器运行必需控制信号； 信号指示灯观察运算结果。 最低位的进位输入信号Cin和左右移位输入信号RAM0、Q0、 RAM15、Q15由MACH内部SHIFT线路提供。
Y 15~Y12
Cy
RAM15
Q15
/OE
CP
高位 Am2901
A地址 B地址
I 8~I0
D15~D12
Y 11~Y8 D11~D8
Y7~Y4
Y3~Y0
低位 Am2901
Cin RAM 0
Q0
D7~D4
D 3~D0
微型开关各字段控制功能
A /B 口地址：源与目的操作数的寄存器编号； I8-I0： 3 组3 位分别选择操作数来源、操作功能、操作数处理结果和
• ② 一组4位的二选一和 ③ 一组4位的三选一器件，分别用于组合 外部送来信息D，通用寄存器组的双路读出信息A和B，乘商寄存 器Q的信息，以决定ALU的两路输入R和S的数据来源；
• ④ 一组4位的三选一器件，完成从ALU的输出结果，ALU输出结 果左移一位的值，ALU输出结果右移一位的值中选择其一，作为 通用寄存器的写入信息，实现的是通用接存器接收及移位功能。
控制类型信号：主脉冲信号(CP)，输出使能信号(/OE)，两个4位的寄存器选择信号 (A3-A0,B3-B0)，选择ALU数据来源，运算功能，结果处置的信号各3位(I8-I0)。
共
19位。 该芯片还有电源和地线引脚各一个/，G 故/P该Y芯3 ~片Y 0共有40个引脚。
F=0000
Cn+4 F3
OVR RAM 3
Q3
A m 2901
Cn RAM 0
Q0
/OE
CP
A3 ~A0 B3 ~B0
I8 ~ I0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱD3 ~D0
教学计算机运算器的设计与实现
• 由4片各自的D3-D0组成16位的数据输入D15-D0。
• 由4片各自的Y3-Y0组成16位的数据输出Y15-Y0。
• 有高低位进位关系的3组信号，高低位相邻芯片间的连接关系：
Am2901芯片的内部组成框 图
Am2901的内部组成
• 4位的算逻运算部件ALU，输出为F，两路输入 R和S，最低位进位信号Cn。实现R+S、S-R、R-S 三种算术运算，R∨S、R∧S、R∧S、R⊕S、R⊕S五种逻辑 运算。
• 16个4位通用寄存器组成的寄存器组。双端口(A和B)控制 读出、单端口(B)控制写入。通过A和B指定被读写的寄存 器。
• ⑤ 一组4位的三选一器件，用于完成Q寄存器内容的左右移位， 或接收ALU的输出结果的操作功能。
Am2901芯片的管脚信号
数据类型信号：4位数据输入(D3-D0)，4位数据输出(Y3-Y0)， 最低位进位输入信号(Cn)，4个标志位输出信号 (F3,OVR,F=0000,Cn+4)， 通用寄存器最高/低位移位入出信号(RAM3,RAM0)，Q寄存器最高、最低位移位入 出信号(Q3,Q0)，用于并行进位的2个信号(/G,/P)。共19位。
实验二： 脱机运算器实验
实验目的
• （1）理解运算器芯片Am2901的功能和内部组成， 运行中使用的控制信号及各自的控制作用；
• （2）理解4片Am2901构成16位运算器的具体方案，各 数据位信号、各控制位信号的连接关系；
• （3）使用24位微型开关中的23位控制信号确定运算与处 理功能。
运算器简介
• 运算器是计算机硬件系统传统的5大功能部 件之一，承担执行运算和暂存运算数据的功能。
• 组成： ALU线路（执行算术逻辑运算功能）、 通用寄存器组（暂存参加ALU运算的数据和中间运 算结果）、专用寄存器（支持乘除法运算）三部 分。
• 三个部分之间通过多路选择器线路实现连接，从 而构成一个完整的运算器部件。
I2~0 RS AQ AB 0Q 0B 0A DA DQ
111 2F→B
F /（R⊕S） D 0
SST
C
Z
V
S
000
C
Z
V
S
001
CY
F=0 OVR F15
010
内部总线
011
0
ZV
S
100
1
ZV
S
101
RAM0
ZV
S
110
RAM15 Z V
S
111
Q0
ZV
S
SSH SCI 000 001 010 100 101
Cin/ Shift Cin = 0 Cin = 1 Cin = C 逻辑移位 循环移位
在Am2901芯片外部的处理的逻辑功
① 芯片的最低位的进位输入信号 Cn，用3位控制码确定。
能
3 位选择码 SSH SCI编码