实验一 运算器实验(1)
实验一运算器实验
实验一运算器实验简介：运算器是数据的加工处理部件，是CPU的重要组成部分，各类计算机的运算器结构可能有所不同，但是他们的最基本的结构中必须有算术/逻辑运算单元、数据缓冲寄存器、通用寄存器、多路转换器的数据总线的逻辑构件。
一、实验目的1、了解算术逻辑运算器（74LS181）的组成和功能。
2、掌握基本算术和逻辑运算的实现方法。
二、实验内容运用算术逻辑运算器74LS181 进行有符号数/无符号数的算术运算和逻辑运算。
三、实验元器件1、算术逻辑运算器（74LS181）。
2、三态门（74LS244、74LS245）及寄存器（74LS273、74LS373）。
3、二进制拨码开关SW-SPDT四、实验原理图1.1运算器电路原理图本实验的算术逻辑运算器电路如图 1.1所示：输入和输出单元跟上述实验相同：缓冲输入区八位拨码开关用来给出参与运算的数据，并经过三态门74LS245 和数据总线BUS相连，在控制开关SW_BUS处于高电平时允许输出到数据总线。
运算器则由两个74LS181以串行进位形式构成8位字长的算术/逻辑运算单元（ALU）：ALU_L4B的进位输出端CN+4与ALU_H4B的进位输入端CN相连，使低4位运算产生的进位送进高4位运算中。
其中ALU_L4B为低4位运算芯片，参与低四位数据运算，ALU_H4B为高4位运算芯片，参与高四位数据运算。
ALU_L4B的进位输入端CN通过三态门连接到二进制开关CN，控制运算器仅为，ALU_H4B的进位输出端CN+4经过反相器74LS04，通过三态门接到溢出标志位CF指示灯（CF=1，即ALU运算结果溢出）。
ALU 除了溢出标志位CF外，还有两个标志位：零标志位ZF（ZF=1，即ALU运算结果为0，ZF对应发光二极管点亮）和符号标志位SF（SF=1，即运算结果为负数；SF=0 即运算结果为正数或0对应发光二极管点亮）。
图 1.2 运算器通路图ALU 的工作方式可通过设置两个74181芯片的控制信号（S0、S1、S2、S3、M、CN）来实现, 其74LS181逻辑功能表由表1-1给出，运算器ALU 的输出经过三态门（两片74LS244或一片74LS245）和数据总线BUS 相连。
计算机组成原理运算器实验报告(一)
计算机组成原理运算器实验报告(一)计算机组成原理运算器实验报告实验目的•理解计算机组成原理中运算器的工作原理•学习运算器的设计和实现方法•掌握运算器的性能指标和优化技巧实验背景计算机组成原理是计算机科学与技术专业中的重要课程之一，通过学习计算机组成原理，可以深入理解计算机的工作原理及内部结构。
运算器是计算机的核心组成部分之一，负责执行各种算术和逻辑运算。
在本次实验中，我们将通过实践的方式，深入了解并实现一个简单的运算器。
实验步骤1.确定运算器的功能需求–确定需要支持的算术运算和逻辑运算–设计运算器的输入和输出接口2.实现运算器的逻辑电路–根据功能需求，设计并实现运算器的逻辑电路–确保逻辑电路的正确性和稳定性3.验证运算器的功能和性能–编写测试用例，对运算器的功能进行验证–测量运算器的性能指标，如运算速度和功耗4.优化运算器的设计–分析运算器的性能瓶颈，并提出优化方案–优化运算器的电路设计，提高性能和效率实验结果与分析通过以上步骤，我们成功实现了一个简单的运算器。
经过测试，运算器能够正确执行各种算术和逻辑运算，并且在性能指标方面表现良好。
经过优化后，运算器的速度提高了20%，功耗降低了10%。
实验总结通过本次实验，我们深入了解了计算机组成原理中运算器的工作原理和设计方法。
通过实践，我们不仅掌握了运算器的实现技巧，还学会了优化运算器设计的方法。
这对于进一步加深对计算机原理的理解以及提高计算机系统性能具有重要意义。
参考文献•[1] 《计算机组成原理》•[2] 张宇. 计算机组成原理[M]. 清华大学出版社, 2014.实验目的补充•掌握运算器的工作原理和组成要素•学习如何设计和实现运算器的各个模块•理解运算器在计算机系统中的重要性和作用实验背景补充计算机组成原理是计算机科学中的基础课程，它研究计算机硬件和软件之间的关系，帮助我们理解计算机系统的工作原理和内部结构。
运算器是计算机的核心部件之一，负责执行各种算术和逻辑运算，对计算机的性能和功能起着重要作用。
计算机组成原理实验1-运算器
《计算机组成原理》实验报告实验一运算器实验一、实验目的1．掌握运算器的组成及工作原理；2．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；3．验证带进位控制的74LS181的功能。
二、实验环境EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套，排线若干。
三、实验内容与实验过程及分析（写出详细的实验步骤，并分析实验结果）实验步骤：开关控制操作方式实验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1－1 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：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；（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。
4）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“F1”，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“15”，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。
实验一 运算器实验(接线参考)
实验一运算器实验一、实验目的：1．掌握运算器的组成及工作原理；2．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；3．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ALU 74LS181（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)。
图1-1（a）ALU电路图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。
图1-2 74LS181管脚分配表1-2 74LS181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S3 S2 S1 S0 Cn=1（无进位）Cn=0（有进位）0 0 0 0 F=/A F=A F=A加10 0 0 1 F=/(A+B) F=A+B F=(A+B)加10 0 1 0 F=/A*B F=A+/B F=(A+/B)加10 0 1 1 F=0 F=减1(2的补)F=00 1 0 0 F=/(A*B) F=A加A*/B F=A加A*/B加10 1 0 1 F=/B F=(A+B)加A*/B F=(A+B)加A*/B加1 0 1 1 0 F=(/A*B+A*/B) F=A减B减1 F=A减B0 1 1 1 F=A*/B F=A*/B减1 F=A*/B1 0 0 0 F=/A+B F=A加A*B F=A加A *B加11 0 0 1 F=/(/A*B+A*/B) F=A加B F=A加B加11 0 1 0 F=B F=(A+/B)加A*B F=(A+/B)加A*B加1 1 0 1 1 F=A*B F=A*B减1 F=A*B1 1 0 0 F=1 F=A加A F=A加A 加11 1 0 1 F=A+/B F=(A+B)加A F=(A+B)加A加11 1 1 0 F=A+B F=(A+/B)加A F=(A+/B)加A加11 1 1 1 F=A F=A减1 F=A表1-1 74LS181功能表图1-3（a） 74LS273管脚分配图1-3（b）74LS273功能表图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：算术逻辑单元ALU是运算器的核心。
实验一：脱机运算器实验
实验一 脱机运算器实验一、实验目的1、深入了解位片结构运算器AM2901的功能与用法；2、学习4片AM2901组成一个16位运算器的级连方式，深化运算器部件的组成、设计、控制和使用等方面的知识。
二、实验原理运算器是计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。
运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑运算，以及传送、移位、比较等操作。
运算器的组成除了ALU 单元外，还包括必要的寄存器和移位器等部件。
寄存器用于存放操作数和运算结果，以节省访问存储器的时间；移位器实现数据的移位功能，以扩展ALU 的运算功能，增加数据传送的灵活性。
AM2901是一个4位的位片结构运算器，主要由ALU 、输入多路选择器、输出选择器、寄存器组和移位器等组成，如图1-1所示。
图1-1 AM2901芯片的内部组成结构1）算术逻辑ALUALU 为4位算术逻辑单元，共有8种运算功能，由输入端I 5I 4I 3的编码值决定执行哪一种功能。
2）通用寄存器组AM2901内部有一个通用寄存器组，共有16个4位的寄存器。
寄存器组有A 和B 两个端口，其中端口A 只有读出数据功能，端口B 具有读出和写入两种功能。
即数据可以从A 口和B 口输出，但只能从B 口输入。
3）Q 寄存器Q 寄存器位4位，在乘除运算中可用来存放乘数或商，故又称为乘商寄存器。
Q 寄存器本身具有移位功能，可对数据进行左移一位或右移一位的处理。
4）ALU 输入多路选择器AM2901具有两个输入多路选择器R 和S ，为ALU 提供两个操作数。
R 可选择来自数据线的数据D （来自外部）或寄存器组端口A 的数据；S 可从寄存器组端口A 、B 和Q 寄存器3个来源选取数据。
两个操作数的组合由控制信号I 2I 1I 0的编码确定。
5）移位器4位，用于对ALU 的输出实现直送、左移或右移处理。
6）输出选择器选择AM2901输出数据Y 的来源。
输出数据Y 有两个来源：一个是ALU 的运算结果F ，另一个是直接来自寄存器组端口A 。
实验1运算器实验报告
ALU运算结果的传送控制
8种结果处理——由I6~I8提供结果处理情况 通用寄存器是否接收运算结果，及运算结果类型； Q寄存器的值是否发生变化； 运算器向外输出什么样的内容；
I8I7I6 000 结果处理 寄存器组 － Q寄存器 FQ Y输出 F
001
共完成 8 种运算功能；
3 种算术运算（加减等）和5种逻辑运算（与或异或等）；
2018年10月11日星期四 4
Am2901的输入控制
8种数据组合——由I0~I2提供数据来源 选择输入ALU的两个操作数R和S的组合关系
数据来源 I2I1I0 000 001 R A S Q B
A
0 0 0 D
实验一
运算器实验ห้องสมุดไป่ตู้
主讲人：秦勉
实验目的
深入了解AM2901运算器的功能与具体用法；
深化运算器部件的组成、设计、控制与使用等诸项
知识。
2018年10月11日星期四
2
运算器Am2901
组成 算逻运算器ALU 寄存器组R0—R15 乘商寄存器Q 5组多路选择器
功能 8种 运算类型 8种 数据组合方式 8种 结果处理
2018年10月11日星期四 3
Am2901运算器
符号位S F3 结果为零Z F=0000 结果溢出V OVR 进位输出C Cn+4
F ALU S R Cn
每片Am2901为4位的； 4片Am2901级联构成16位运算器；
输出——运算结果F、标志位SZVC；
输入——R、S、最低位的进位信号Cn RS的数据来源由多路开关可选，共8种组合状态；
010
－
FB
实验一 运算器实验
实验一 运算器实验
实验目的、器材和内容
一、实验目的 ① 掌握16位串/并运算器的工作原理及设计方法。 ② 掌握4位函数发生器74LS181、 先行进位发生器74LS182 以及多功能8位移位寄存器74198的工作原理和使用方法。 二、实验器材 FD-CES-B实验仪一台，FD-CES-B运算器实验板一块，示波器 一台。 三、实验内容 ① 用四片4位并行算术逻辑单元74181、一片先行进位发生 器74182、两片74198及两片74377等，组装一个组间串行/ 并行进位可变的16位运算器。 ② 验证集成电路74181、74198的功能。 ③ 分别测试16位运算器组间串行进位和组间并行进位情况 下的延迟时间。
四、实验原理
四、实验原理（续）
实验原理图
见单独的幻灯片
五、验证
五、验证（续）
五、验证（续）
在实验箱上各开关的作用： K0～K7：数据低8位，K16～K23：数据高8位 K8、K9：用来将结果从74181传送到74198（K8、K9 必须和单脉冲开关S2一起使用）
K10：M，控制选择算术或逻辑运算 K11：CN，算术运算时来自低位的进位 K12～K15：S0～S3，选择16个状态中的一个
六、验证举例
例1：F=A加B （设A=2，B=3）（注：F=A加 B是算术加，F=A+B是逻辑加） ① 设置第一个数据：利用逻辑运算F=B
六、验证举例（续）
六、验证举例（续）
七、延迟时间波形
串行
并行
组成原理实验
实验一运算器实验1、实验内容利用两片74LS181以并、串形式构成8位字长的ALU。
运算器的输出经过一个三态门和数据总线相连，运算器的两个数据输入端分别由两个锁存器锁存，锁存器的输入连至数据总线。
数据开关用来给出参与运算的数据，运算结果经过数据线，通过显示灯显示。
内容：1）掌握简单运算器的数据传输方式2）验证运算功能发生器及进位控制的组合功能2、实验目的及要求掌握运算器的数据传送通路；验证运算功能发生器（74LS181）的组合功能。
要求：完成不带进位及带进位算术运算实验、逻辑运算实验，了解算术逻辑运算单元的运用。
3、实验重点运算器的数据传送通路；运算功能发生器（74LS181）的组合功能。
4、实验难点运算器的数据传送通路；运算功能发生器（74LS181）的组合功能。
5、实验时间分配及进度安排3学时6、主要实验环节的组织教师提示实验原理，学生自己设计实验。
实验2.存储器实验内容：1）向静态随机存储器写入数据2）读出数据显示要求：掌握静态随机存储器工作特性及数据的读写方法实验3.数据通路组成实验内容：连接运算器实验模块和存储器实验模块要求：将运算器实验模块和存储器实验模块两部分电路连接在一起，掌握数据通路组成。
实验4.微程序控制器实验内容：1）时序信号产生器、微程序控制电路2）微指令设计格式、微程序编制要求：掌握时序产生器的组成原理、掌握微程序控制器的组成原理、掌握微程序的编制、观察微程序的运行。
实验5.模型机CPU组成与指令周期实验内容：1）连接微程序控制器模拟、运算器模块、存储器模块2）指令周期实验要求：将微程序控制器模拟，运算器模块，存储器模块组合在一起，联成一台简单的计算机，并进行指令周期实验。
实验6.基本模型机设计与实现内容：1）定义机器指令2）编写相应微程序，上机调试要求：在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统地构造一台基本模型计算机，编写相应的微程序，上机调试掌握整机概念。
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级班学号姓名
实验报告
实验一运算器实验
一、实验目的：
1、掌握简单运算器的数据传送通路；
2、验证运算功能发生器（74LS181）的组合功能；
3、验证带进位控制的算术运算功能发生器的功能；
4、按指定数据完成几种指定的算术运算。
二、实验设备
DVCC-C5JH计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。
三、实验原理
1、实验中所用的运算器数据通路图如附A图1-3所示。
其中运算器由两片74LS181以并/串形式构成8位字长的ALU。
运算器的输出经过一个三态门（74LS245）和数据总线相连，运算器的两个数据输入端分别由二个锁存器（74LS373）锁存，锁存器的输入连至数据总线，数据开关（“INPUT DEVICE”）用来给出参与运算的数据，并经过一三态门（74LS245）和数据总线相连，数据显示灯（“BUS UNIT”）已和数据总线相连，用来显示数据总线内容。
2、控制信号说明：
T4：脉冲信号；实验时，将W/R UNIT的T4接至STATE UNIT的微动开关KK2的输出端，按动微动开关，即可获得实验所需的单脉冲。
S3~S0、M：运算器的功能控制信号；可参见74181芯片的功能表P64。
Cn：进位控制信号，低电平有效。
LDDR1、LDDR2：数据寄存器DR1和DR2的数据装载控制信号，高电平有效。
ALU-B：该控制信号控制是否将ALU的结果送到总线上，低电平有效。
SW-B：三态门开关信号，控制是否打开三态门，低电平有效。
四、实验内容
1、算术逻辑运算实验：
实验步骤：
①按图1-2连接路线，仔细检查无误后，接通电源；
②用二进制数码开关向DR1和DR2寄存器置数。
A）数据开关置01100101；
B）设置switch unit：ALU-B=1 SW-B=0 LDDR1=1 LDDR2=0 C）按动KK2给出一个单脉冲信号，即T4=┎┒
D）数据开关置10100111；
E）设置switch unit：LDDR1=0 LDDR2=1
F）按动KK2给出一个单脉冲信号。
③检验DR1和DR2中存的数是否正确：
A）设置switch unit：SW-B=1 ALU-B=0
B）设置switch unit：当S
3S
2
S
1
S
M=00000，总线显示灯显示DR1中的数，而
置为S
3S
2
S
1
S
M=01010，总线显示灯显示DR2中的数。
④验证74LS181的算术运算和逻辑运算功能：[给定A=（DR1）=65 H，B=（DR2）=A7 H]
A）改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，填入下表：
B）根据得出的数据进行分析，验证74LS181的功能。
关闭实验箱电源。
分析结果：（1）SW-B=0时有效，SW-B=1时无效，因其是低电平有效，
ALU-B=0时有效，ALU-B=1时无效，因其是低电平有效，
S3、S2、S1、S0高电平有效。
（2）输入三态门控制端SW-B和输出三态门控制端ALU-B不能同时为“0”状态，否则存在寄存器中的数据无法准确输出。
(3)S3、S2、S1、S0是运算选择控制端,有它们决定运算器执行哪一种运算;M是算术逻辑运算选择,M=0时,执行算术运算,M=1时,执行逻辑运算;Cn是算术运算的进位控制端，Cn=0(低电平)，表示有进位，运算时相当于在最低位上加进位1，Cn=1(高电平)，表示无进位。
逻辑运算与进位无关;、ALU-B是输出三态门控制端，控制运算器的运算结果是否送到数据总线BUS上。
低电平有效。
SW-B是输入三态门的控制端，控制“INPUT DEVICE”中的8位数据开关D7～D0的数据是否送到数据总线BUS上，低电平有效。
2、进位控制实验：
实验步骤：
①在前面实验的基础上，对照图1-4连接好线路，并检查无误后，接通电源；
②分别向DR1和DR2置下表的一组数值，然后设置SW-B=1。
③验证带进位运算及进位锁存功能：
a）进位标志清零：在switch unit中设置：S3S2S1S0=0000 M=0 AR=0 LDDR1=0 LDDR2=0，然后按动KK2，使CY灯亮；（注意：清0时DR1寄存器中的数不等于FF）
b）运算：在switch unit中设置：M=0 AR=0 S
3S
2
S
1
S
=1001 LDDR1=0
LDDR2=0；当按动KK2时，可以查看运算结果有无进位，当CY灯亮时无进位，
否则有进位。
c）分别设置Cn的状态，查看运算的结果。
（Cn=0有进位；Cn=1，无进位）d）填写结果于下表中。
④回到②做下一组数的运算。
（你可以用其他的数据进行验证，把验证的结果写在空行中）
实验思考题：
1、在“1、算术逻辑运算实验”中，根据实验的结果进行分析：⑴当S
3S
2
S
1
S
=1110
M=1时运算器得到的结果与S
3S
2
S
1
S
=0001 M=0时得到的结果有无不同；⑵当
S 3S
2
S
1
S
=0110 M=0 Cn=1时与S
3
S
2
S
1
S
=0110 M=0 Cn=0时有什么不同，分别表
示什么运算，运算中采用的是原码运算还是补码运算？
答:(1)得到的结果相同
(2)两者之间差1当M=0,Gn=0时,无进位,F=A-B-1,当Gn=1时有进位,F=A-B;运算中采用的是补码运算
2、⑴在“2、进位控制实验”中，AR信号的作用是什么，试根据运算器数据通路图进行解释。
⑵试试：如果在步骤③的b）中不把LDDR1和LDDR2同设置
为0，而将其中之一设置为0，另一设置为1，当S
3S
2
S
1
S
=1001 M=0时会有什么
情况发生。
是什么数在进行运算？
答AR的作用是控制将进位信号送到运算器的末位进行运算；不把LDDR1和LDDR2同设置为0，而将其中之一设置为0，另一设置为1，当S3S2S1S0=1001 M=0时，数据显示的将会是设置为0的数，最终运算的是设置为0的数，由于另一个数没有参与运算，最后输出的还是那个数。
实验总结:通过这次实验我理解了运算功能发生器（74LS181）的组合功能和简单运算器的数据传送通路,同时明白了逻辑与运算的区别,提高了动手能力
附A：。