第一章-组成原理实验.pdf

计算机组成原理与系统结构 实验教程 西安唐都科教仪器公司 Copyright Reserved 2012 计算机组成原理实验指导书 西安唐都科教仪器公司 第 1 章 运算器 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。 1.1 基本运算器实验 1.1.1 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。 1.1.2 实验设备 PC 机一台，TD-CMA 实验系统一套。 1.1.3 实验原理 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。 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 1-1-2 所示。图中显示的是一个 4X4 的矩阵（系统中是一个 8X8 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。 1 计算机组成原理实验指导书 西安唐都科教仪器公司 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（时序单元的介绍见附录二）， 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。 右3 右2 右1 不移位 in[3]