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掌握运算器的组成及工作原理

精品资料

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：
B0
B7
本模块由算术逻辑单元ALU 74LS181（U29、U30）、暂存器74LS273（U27、U28）、三态门74LS244（U31）和进位控制电路GAL芯片（U32）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）GAL芯片进位控制电路
算术逻辑单元ALU是由两片74LS181构成。74LS181的功能控制条件由S3、S2、S1、S0、 M、Cn决定。高电平工作方式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。
两片74LS273构成两个八位数据暂存器，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1
0 0 0 1
F=/(A+B)
F=A+B
F=(A+B)加1
0 0 1 0
F=/A*B
F=A+/B
F=(A+/B)加1
0 0 1 1
F=0
F=减1(2的补)
F=0
0 1 0 0
F=/(A*B)
F=A加A*/B
F=A加A*/B加1
0 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B
0 1 1 1
F=A*/B
F=A*/B减1
F=A*/B
1 0 0 0
F=/A+B
F=A加A*B
F=A加A *B加1
1 0 0 1
F=/(/A*B+A*/B)
F=A加B
F=A加B加1
1 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*B
1 1 0 0
F=1
F=A加A
F=A加A 加1
1 1 0 1
F=A+/B
F=(A+B)加A
F=(A+B)加A加1
1 1 1 0
F=A+B
F=(A+/B)加A
F=(A+/B)加A加1
1 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。集成电路74LS181是4位运算器，两片74LS181以并／串形式构成8位运算器。它可以对两个八位二进制数进行多种算术或逻辑运算，74LS181 有高电平和低电平两种工作方式，高电平方式采用原码输入输出，低电平方式采用反码输入输出，这里采用高电平方式。
三态门74LS244作为输出缓冲器由ALU-G信号控制，ALU-G 为“0”时，三态门开通，此时其输出等于其输入；ALU-G 为“1”时，三态门关闭，此时其输出呈高阻。
两片74LS273作为两个八位数据暂存器，其控制信号分别为LDR1和LDR2，当LDR1和LDR2 为高电平有效时，在T4脉冲的前沿，总线上的数据被送入暂存器保存。
六、实验内容：
验证74LS181运算器的逻辑运算功能和算术运算功能。
七、实验步骤：
Ⅰ、单片机键盘操作方式实验
注：在进行单片机键盘控制实验时，必须把开关K4置于“OFF”状态，否则系统处于自锁状态，无法进行实验。
1.实验连线（键盘实验）：
实验连线图如图1－6所示。
（连线时应按如下方法：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。）

读写控制电路

T4
ALUJ1 运算器电路

S3S2S1S0MCn ALU-G AR LDR1 LDR2

BD7……BD0
数据总线

C1… ...C6 E5 E4 F5 E3 F4
控制总线

图1－6 实验一 键盘实验连线图
2．实验过程：
在监控指示灯滚动显示【CLASS SELECt】时按【实验选择】键，显示【ES--_ _ 】输入01或1，按【确认】键，监控指示灯显示为【ES01】，表示准备进入实验一程序，也可按【取消】键来取消上一步操作，重新输入。再按【确认】键，进入实验一程序，监控指示灯显示【InSt--】，提示输入运算指令，输入两位十六进制数（参考表1－3和表1－1），选择执行哪种运算操作。按【确认】键，监控指示灯显示【Lo=0】,此处Lo相当于表1－1中的M，默认为“0”，进行算术运算，也可以输入“1”，进行逻辑运算。按【确认】，显示【Cn=0】,默认为“0”，由表1－1可见，此时进行带进位运算，也可输入“1”，不带进位运算（注：如前面选择为逻辑运算，则Cn不起作用）。按【确认】，显示【Ar=1】，不用改变，使用默认值“1”，按【确认】，显示【DATA】，提示输入第一个数据，输入十六进制数【34H】，按【确认】，显示【DATA】，提示输入第二个数据，输入十六进制数【B6H】，按【确认】键，监控指示灯显示【FINISH】，表示运算结束，可从数据总线显示灯观察运算结果。再按【确认】后监控显示灯显示【ES01】，可执行下一运算操作。
运算指令（ S3 S2 S1 S0）
输入数据（十六进制）
0 0 0 0
00或0
0 0 0 1
01或1
0 0 1 0
02或2
0 0 1 1
03或3
0 1 0 0
04或4
0 1 0 1
05或5
0 1 1 0
06或6
0 1 1 1
07或7
1 0 0 0
08或8
1 0 0 1
09或9
1 0 1 0
0A或A
1 0 1 1
0B或B
1 1 0 0
0C或C
1 1 0 1
0D或D
1 1 1 0
0E或E
1 1 1 1
0F或F
表1-3 运算指令关系对照表
在给定LT1=34H、LT2=B6H的情况下，改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，填入表中，并和理论值进行比较和验证：

LT1

LT2

S3S2S1S0
M=0（算术运算）
M=1（逻辑运算）
Cn=1（无进位）
Cn= 0（有进位）

34H
B6H
00或0
F=
F=
F=

01或1
F=
F=
F=

02或2
F=
F=
F=

03或3
F=
F=
F=

04或4
F=
F=
F=

05或5
F=
F=
F=

06或6
F=
F=
F=

07或7
F=
F=
F=

08或8
F=
F=
F=

09或9
F=
F=
F=

0A或A
F=
F=
F=

0B或B
F=
F=
F=

0C或C
F=
F=
F=

0D或D
F=
F=
F=

0E或E
F=
F=
F=

0F或F
F=
F=
F=

Ⅱ、开关控制操作方式实验
注：为了避免总线冲突，首先将控制开关电路的ALU-G和C-G拨到输出高电平“1”状态(所对应的指示灯亮。)
本实验中所有控制开关拨动，相应指示灯亮代表高电平“1”，指示灯灭代表低电平“0”。
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。

ALUJ1 运算器电路

S3S2S1S0MCn ALU-G AR LDR1 LDR2

读写控制电路

T4

BD7 ……. BD0
数据总线
BD7 ……. BD0

DIJ1 DIJ-G

数据输入电路

C-G S3S2S1S0MCn ALU-G AR LDR1 LDR2
控制开关电路

T+ fin f/8
脉冲源及时序电路

图1－7 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：
注意：本实验中ALU-G和C-G不能同时为0，否则造成总线冲突，损坏芯片！故每次实验时应时刻保持只有一路与总线相通。
1）置ALU-G＝1：关闭ALU的三态门Ｕ31(74LS244)；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（Ｕ27，74LS273）中置数：
（1）设置数据输入电路的数据开关“D７……D0”为要输入的数值，如“0101 0101”；
（2）置LDR1＝1：使数据暂存器LT1（Ｕ27，74LS273）的控制信号有效，置 LDR2＝0：使 数据暂存器LT2（Ｕ28，74LS273）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（Ｕ27，74LS273）送时钟，上升沿有效，把数据存在LT1中。
3）向数据暂存器LT2（Ｕ28，74LS273）中置数：
（1）设置数据输入电路的数据开关“D７……D0”为想要输入的数值，如“1010 1010”；
（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LT1（Ｕ27，74LS273）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“11111”，数据总线显示灯显示数据暂存器LT1中的数 “0101 0101”，表示往暂存器LT1置数正确；
（3）置“S3S2S1S0M”为“10101”，数据总线显示灯显示数据暂存器LT2中的数 “1010 1010” ，表示往暂存器LT2置数正确。
3．验证74LS181的算术和逻辑功能:
LT1
LT2
S3S2S1S0
M=0（算术运算）
M=1（逻辑运算）
Cn=1（无进位）
Cn= 0（有进位）

34H
B6H
0 0 0 0
F=
F=
F=

0 0 0 1
F=
F=
F=

0 0 1 0
F=
F=
F=

0 0 1 1
F=
F=
F=

0 1 0 0
F=
F=
F=

0 1 0 1
F=
F=
F=

0 1 1 0
F=
F=
F=

0 1 1 1
F=
F=
F=

1 0 0 0
F=
F=
F=

1 0 0 1
F=
F=
F=

1 0 1 0
F=
F=
F=

1 0 1 1
F=
F=
F=

1 1 0 0
F=
F=
F=

1 1 0 1
F=
F=
F=

1 1 1 0
F=
F=
F=

1 1 1 1
F=
F=
F=
按实验步骤2往两个暂存器LT1和LT2分别存十六进制数“34H”和“B6H”，在给定LT1=34H、LT2=B6H的情况下，通过改变“S3S2S1S0MCn”的值来改变运算器的功能设置，通过数据总线指示灯显示来读出运算器的输出值F，填入下表中，参考表1－1的功能表，分析输出F值是否正确。
4．验证带进位控制的算术运算功能发生器的功能：
1） 进位标志CY清零：
进位标志指示灯CY初始状态为灭，表示当前进位为“1”，可按如下步骤对它进行清零操作。
（1）置S3 S2 S1 S0 M＝“ 00000”，AR＝0（AR为进位控制信号）；
（2）按一下脉冲源及时序电路的【单脉冲】按钮，进位标志指示灯CY亮，表示当前进位为“0”。
2） 验证带进位运算及进位的锁存功能：
（1）首先将控制开关电路的所有开关拨到输出高电平“1”状态，所有对应的指示灯亮。
（2）置ALU-G＝1：关闭ALU的三态门Ｕ31(74LS244)；再置C-G=0：打开数据输入电路的三态门；
（3）置数据输入电路的数据开关“D７……D0”＝“1000 0000”， 置 LDR1＝1，使数据暂存器LT1（Ｕ27，74LS273）的控制信号有效，置 LDR2＝0，使 数据暂存器LT2（Ｕ28，74LS273）的控制信号无效，按一下脉冲源及时序电路的【单脉冲】往暂存器LT1存入数据“1000 0000”。
（4）置数据输入电路的数据开关“D７……D0”＝“0111 1111”， 置 LDR1＝0，使 数据暂存器LT1（Ｕ28，74LS273）的控制信号无效， 置 LDR2＝1，使数据暂存器LT2（Ｕ27，74LS273）的控制信号有效，按一下脉冲源及时序电路的【单脉冲】往暂存器LT2存入数据“0111 1111”，然后置LDR2＝0，使数据暂存器LT2（Ｕ27，74LS273）的控制信号无效，准备执行下一步操作。
（5）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，置“S3S2S1S0M”为“11111”，数据总线显示灯显示数据暂存器LT1中的数“1000 0000”，表示往暂存器LT1置数正确；置“S3S2S1S0M”为“10101”，数据总线显示灯显示数据暂存器LT2中的数“0111 1111” ，表示往暂存器LT2置数正确。
（6）置ALU-G=0（注意先使C-G=1），S3S2S1S0M=“10010”， Cn=1，不带进位操作，AR=0，参考表1－1可知此时执行“F=A加B”操作，数据总线上显示 “1111 1111 ”，即“1000 0000”加“0111 1111”的结果。保持LDR1＝0和LDR2＝0，检查是否产生进位溢出，按一下【单脉冲】，进位指示灯CY亮，表示无进位溢出；
（7）置ALU-G=0（注意先使C-G=1），S3S2S1S0M=“10010”， Cn=0，即当前进位为1， AR=0，参考表1－1可知此时执行“F=A加B加1”操作，数据总线上显示 “0000 0000 ”，即“1000 0000”加“0111 1111”加“1”的结果， 保持LDR1＝0和LDR2＝0，检查是否产生进位溢出，按一下【单脉冲】，进位指示灯CY熄灭，表示有进位溢出；
Ⅲ、PC机联机操作方式实验
1． 实验连线：
实验连线图与采用单片机键盘操作方式实验连线图一样，如图1－6所示。
2． 实验步骤：
1). 将实验系统与计算机串口用实验系统的通讯电缆连接;
3). 打开实验系统上的电源开关，启动实验软件：
启动过程为开始菜单à程序à计算机组成原理试验系统à计算机组成原理试验系统，也可以为该系统软件在桌面上建立快捷方式；
根据提示设置相应参数(下图):（本系统为8位机）

选择与计算机相连的串口，按【确定】进入下一步骤。
4). 在下面的界面中，按【确定】后，再按键盘上【联机】键，系统监控指示灯上显示【Pc-Con】，然后显示【8】，表示联机通讯成功，如果没有显示【Pc-Con】就显示【8】，则联机通讯没有成功，可检查系统。

5). 联机通讯成功后，自动进入实验选择界面：

点击试验一前面的“＋”号，再点击试验说明，查看试验步骤过程，然后点击试验步骤，出现下面的界面：

(1). 在数据总线上输入有效十六进制数据，按"Ldr1"，数据送入暂存器1，观察数据的走向；
(2). 在数据总线上输入有效十六进制数据，按"Ldr2"，数据送入暂存器2，观察数据的走向；
(3).参考实验一的功能表表1－1，在S3...Cn上输入有效数据组合，然后点击其上面的红色区域进行运算，运算器按规定进行运算，运算结果送入三态门，观察数据的走向；
(4). 按"ALUG"，运算结果送入数据总线，观察数据的走向，观察数据总线指示灯显示的结果是否正确。

八、实验报告要求：
1．实验记录：所有的运算结果，故障现象及排除经过；
2．通过本次实验的收获及想法。

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