计算机组成原理运算器实验
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。
(计算机组成原理)实验一运算器实验
D5
D4
D3
D2
CLK D1 D0
Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0
D7
D DA2(74LS273)6
D5
D4
D3
D2
CLK D1 D0
返回
D7-D0
BUS TO ALU
Cn181
B-DA2 B-DA1
DA1，DA2：两片74LS273
❖ 74LS273：带清零端的8D寄存器 ❖ MR：异步清零信号（－－接＋5V） 返回 ❖ CP：时钟脉冲（－－B-DA1、 B-DA2）
74LS245
B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7
18 17 16 15 14 13 12 11
D0 D1
D2 D3 D4 D5 D6 D7
19 1
E D IR
地址
Ai
+5
❖ 只有当I/O-R#和Ai同时=0时E#打开，开关 值BUS(D7~D0)
2、Input Device
❖ 输入设备（开关）的工作过程：
0FFH+01H (算术加) 5BH+0A0H+FC(算术加) 5BH∧0A0H（逻辑与） 79H+32H+FC（算术加）
返回
（一）实验原理逻辑框图
T4
74299
299-B M
S0 S1 S2 S3
ALU UNIT
ALU (74LS181) T4
进位 判零 电路
ALU-B
CyCn CyNCn M Ci
B-DA1
DA1 (74LS273)
DA2 (74LS273)
B-DA2
I/O-R INPUT
Ai=“0”
计算机组成原理运算器实验报告
计算机组成原理运算器实验报告计算机组成原理运算器实验报告1. 简介本报告旨在介绍我们小组进行的计算机组成原理运算器实验，包括实验目的、实验过程、实验结果以及总结。
2. 实验目的•理解运算器在计算机系统中的作用和原理。
•掌握运算器设计和实现的基本方法。
•熟悉计算机寄存器的结构和功能。
•熟练使用Verilog HDL进行电路设计和仿真。
3. 实验过程实验准备•阅读相关教材和文献，了解运算器的基本原理和设计方法。
•确定实验所需的功能和性能要求。
•分析运算器的输入输出信号及其功能。
•设计运算器的数据通路和控制逻辑。
运算器设计与实现1.根据实验要求，设计运算器的数据通路和控制逻辑，并使用Verilog HDL进行电路定义。
2.编写仿真测试程序，验证设计的运算器在不同情况下的正确性和性能。
3.将设计的电路综合为目标器件，并进行逻辑门级的仿真和验证。
4.将综合结果下载到目标芯片上进行验证和测试。
实验结果•实验结果表明，设计的运算器在满足要求的情况下能够正确地完成各种运算操作。
•通过仿真和验证，验证了运算器的正确性和性能。
4. 实验总结•本实验通过设计和实现计算机组成原理运算器，进一步加深了我们对运算器原理和设计的理解。
•验证了运算器的正确性和性能，提高了我们的动手实践能力和团队协作能力。
•在实验过程中，我们遇到了一些问题和挑战，但通过不断学习和尝试，最终解决了这些问题。
•通过本次实验，我们深刻认识到如何将理论知识应用于实际问题的重要性，同时也意识到了自己在计算机组成原理领域的不足之处，将继续努力提高自己的能力。
5. 参考文献•张泽民. 计算机组成原理. 电子工业出版社, 2018. •Patterson, D. A., & Hennessy, J. L. (2017). Computer Organization and Design: The Hardware Software Interface.Morgan Kaufmann.。
计算机组成原理-运算器实验
实验题目实验四运算器实验实验类型验证性实验实验日期4月6日题目来源1、必修 2、选修 3、自拟（设计） 4、专题一、实验目的及要求（1）掌握算术逻辑运算加、减、与等的工作原理。
（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）按给定数据，完成几种指定的算术和逻辑运算。
二、实验仪器设备与软件环境TEC-9 计算机组成原理实验台、PC机、组成原理实验环境三、实验过程及实验结果分析（包括实验原理、步骤、数据、图表、结果及分析。
软件类实验应写出程序代码；硬件类实验画出电路原理图（或逻辑框图）、列出实验数据，并对实验结果进行分析）(1)根据个人理解,画出本次实验的电路逻辑框图。
向DR2存入55H,二进制为：0101 0101，设置开关，按QD.实验结果：控制信号 RS-BUSRS0 RD0 RS1 RD1WRD WR0 WR1S3S2S1S0MCN #LDD R2LDD R1 ALU-BUS SW-BUS开关 K15 K14 K13 K12 K11 K10 K9 K8 K7 K6 K5 K4 K3 K2 K1 K0 内容112、验证运算器的算术运算和逻辑运算功能。
置 SW_BUS = 0，关闭数据开关 SW0—SW7 对数据总线 DBUS 的输出；置ALU_BUS = 1，开启 ALU 对 DBUS 的输出。
正确选择 S3、S2、S1、S0，完成表 2的实验内容，记下实验结果（数据和进位）并对结果进行分析。
完成表2的部分实验，对A 取反。
DR2中数据作为A,DR1中数据作为B ，进行算数和逻辑运算。
向DR2存入FFH,二进制为：1111 1111，设置开关，按QD.并进行逻辑运算，对A 取反，将结果保存到寄存器堆R3中，设置开关，按QD.实验结果：1111 1111 取反为00H3、结合实验二内容，设计硬件连线和实验步骤，完成从寄存器堆中取数参与运算， 记下实验结果（数据和进位）并对结果进行分析。
计算机组成原理实验一运算器组成实验
实验一 运算器组成实验一、实验目的1．熟悉双端口通用寄存器堆的读写操作。
2．熟悉简单运算器的数据传送通路。
3．验证运算器74LS181的算术逻辑功能。
4．按给定数据，完成指定的算术、逻辑运算。
二、实验电路ALU-BUS#DBUS7DBUS0Cn#C三态门（244）三态门（244）ALU（181）ALU（181）S3S2S1S0MA7A6A5A4F7F6F5F4F3F2F1F0B3B2B1B0Cn+4CnCnCn+4LDDR2T2T2LDDR1LDRi T3SW-BUS#DR1（273）DR2（273）双端口通用寄存器堆RF（ispLSI1016）RD1RD0RS1RS0WR1WR0数据开关(SW7-SW0)数据显示灯A3A2A1A0B7B6B5B4图3.1 运算器实验电路LDRi T3AB三态门R S -B U S #图3.1示出了本实验所用的运算器数据通路图。
参与运算的数据首先通过实验台操作板上的八个二进制数据开关SW7-SW0来设置，然后输入到双端口通用寄存器堆RF 中。
RF(U54)由一个ispLSI1016实现，功能上相当于四个8位通用寄存器，用于保存参与运算的数据，运算后的结果也要送到RF 中保存。
双端口寄存器堆模块的控制信号中，RS1、RS0用于选择从B 端口（右端口）读出的通用寄存器，RD1、RD0用于选择从A 端口（左端口）读出的通用寄存器。
而WR1、WR0用于选择写入的通用寄存器。
LDRi 是写入控制信号，当LDRi＝1时，数据总线DBUS上的数据在T3写入由WR1、WR0指定的通用寄存器。
RF的A、B端口分别与操作数暂存器DR1、DR2相连；另外，RF的B端口通过一个三态门连接到数据总线DBUS上，因而RF中的数据可以直接通过B端口送到DBUS上。
DR1(U47)和DR2(U48)各由1片74LS273构成，用于暂存参与运算的数据。
DR1接ALU 的A输入端口，DR2接ALU的B输入端口。
运算器实验-计算机组成原理
实验题目运算器实验一、算术逻辑运算器1.实验目的与要求：1.掌握算术逻辑运算器单元ALU（74LS181）的工作原理。
2.掌握简单运算器的数据传送通道。
3.验算由74LS181等组合逻辑电路组成的运算功能发生器运算功能。
4.能够按给定数据，完成实验指定的算术/逻辑运算。
2.实验方案：（一）实验方法与步骤1实验连线按书中图1－2在实验仪上接好线后，仔细检查正确与否，无误后才接通电源。
每次实验都要接一些线，先接线再开电源，这样可以避免烧坏实验仪。
2 用二进制数据开关分别向DR1寄存器和DR2寄存器置数。
3 通过总线输出寄存器DR1和DR2的内容。
（二）测试结果3.实验结果和数据处理：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)做算术运算和逻辑运算时应设以下各控制端：ALU-B SW-B S3 S2 S1 S0 M Cn DR1 DR23)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。
4)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。
5)DR1、DR2置数完成后之所以要关闭控制端LDDR1、LDDR2是为了确保输入数据不会丢失。
6)A+B是逻辑运算，控制信号状态000101；A加B是算术运算，控制信号状态100101。
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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。
本章首先安排一个基本的运算器实验，了解运算器的基本结构，然后再设计一个加法器和一个乘法器。
一、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。
二、实验设备
PC机一台，TD-CMA实验系统一套。
三、实验原理
本实验的原理如图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。
逻辑运算部件由逻辑门构成，较为简单，而后面又有专门的算术运算部件设计实验，在此对这两个部件不再赘述。
移位运算采用的是桶形移位器，一般采用交叉开关矩阵来实现，交叉开关的原理如图1-2所示。
图中显示的是一个4×4的矩阵（系统中是一个8×8的矩阵）。
每一个输入都通过开关与一个输出相连，把沿对角线的开关导通，就可实现移位功能，即：
(1) 对于逻辑左移或逻辑右移功能，将一条对角线的开关导通，这将所有的输入位与所使用的输出分别相连,而没有同任何输入相连的则输出连接0。
(2) 对于循环右移功能，右移对角线同互补的左移对角线一起激活。
例如，在4位矩阵中使用‘右1’和‘左3’对角线来实现右循环1位。
(3) 对于未连接的输出位，移位时使用符号扩展或是0填充，具体由相应的指令控制。
使用另外的逻辑进行移位总量译码和符号判别。
D[7..0]
IN[7..0]
图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。
in[3] in[2] in[1] in[0]
out[0]out[1]out[2]
out[3]
图1-2 交叉开关桶形移位器原理图
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1-3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。
VCC A0
图1-3 A0显示原理图
ALU和外围电路的连接如图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表示当前运算会影响到该标志。
IN[7..0]
D[7..0]
图1-4 ALU和外围电路连接原理图
表1-1 运算器逻辑功能表
四、实验步骤
(1) 按图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1-5 实验接线图
(2) 将时序与操作台单元的开关KK2置为‘单步’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。
(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01100101（或其它数值），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01100101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。
(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10100111（或其它数值）。
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10100111
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。
如果实验箱和PC联机操作，则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果（软件使用说明请看附录一），方法是：打开软件，选择联机软件的“【实验】—【运算器实验】”，打开运算器实验的数据通路图，如图1-6所示。
进行上面的手动操作，每按动一次ST按钮，数据通路图会有数据的流动，反映当前运算器所做的操作，或在软件中选择“【调试】—【单节拍】”，其作用相当于将时序单元的状态开关KK2置为‘单拍’档后按动了一次ST按钮，数据通路图也会反映当前运算器所做的操作。
重复上述操作，并完成表1-2。
然后改变A、B的值，验证FC、FZ的锁存功能。
图1-6 数据通路图
表1-2 运算结果表。