計算機組織與體系結構
實驗報告
實驗名稱：
姓名班級
學號實驗一基本運算器實驗
一、 實驗目的
(1) 了解運算器的組成結構。
(2) 掌握運算器的工作原理。
二、 實驗裝置
pc 機一台，td-cma 實驗系統一套。
三、 實驗原理
本實驗的原理如圖 1-1-1 所示。
運算器內部含有三個獨立運算部件，分別為算術、邏輯和移位運算部件，要處理的資料存於暫存器 a和暫存器 b，三個部件同時接受來自 a 和b 的資料（有些處理器體系結構把移位運算器放於算術和邏輯運算部件之前，如 arm） ，各部件對運算元進行何種運算由控制訊號 s3…s0和 cn 來決定，任何時候，多路選擇開關只選擇三部件中乙個部件的結果作為 alu的輸出。如果是影響進製的運算，還將置進製標誌 fc，在運算結果輸出前，置 alu 零標誌。alu 中所有模組整合在一片 fpga 中。
邏輯運算部件由邏輯門構成，較為簡單，而後面又有專門的算術運算部件設計實驗，在此對這兩個部件不再贅述。移位運算採用的是桶形移位器，一般採用交叉開關矩陣來實現，交叉開關的原理如圖 1-1-2所示。圖中顯示的是乙個 4x4 的矩陣（系統中是乙個 8x8的矩陣） 。
每乙個輸入都通過開關與乙個輸出相連，把沿對角線的開關導通，就可實現移位功能，即：
(1) 對於邏輯左移或邏輯右移功能，將一條對角線的開關導通，這將所有的輸入位與所使
用的輸出分別相連,而沒有同任何輸入相連的則輸出連線 0。
(2) 對於迴圈右移功能，右移對角線同互補的左移對角線一起啟用。例如，在 4 位矩陣中
使用『右 1』和『左 3』對角線來實現右迴圈 1 位。
(3) 對於未連線的輸出位，移位時使用符號擴充套件或是 0 填充，具體由相應的指令控制。使用另外的邏輯進行移位總量解碼和符號判別。
運算器部件由一片 fpga 實現。alu 的輸入和輸出通過三態門 74ls245 連到 cpu 內匯流排上，另外還有指示燈標明進製標誌 fc 和零標誌 fz。請注意：
實驗箱上凡絲印標註有馬蹄形標記『 』，表示這兩根排針之間是連通的。圖中除 t4 和 clr，其餘訊號均來自於 alu 單元的排線座，實驗箱中所有單元的 t1、t2、t3、t4 都連線至控制匯流排單元的 t1、t2、t3、t4，clr 都連線至 con 單元的 clr 按鈕。t4 由時序單元的 ts4 提供（時序單元的介紹見附錄二），其餘控制訊號均由 con 單元的二進位制資料開關模擬給出。
控制訊號中除 t4 為脈衝訊號外，其餘均為電平訊號，其中 alu_b 為低有效，其餘為高有效。
暫存器 a 和暫存器 b 的資料能在 led 燈上實時顯示，原理如圖 1-1-3 所示（以 a0 為例，其它相同）。進製標誌 fc、零標誌 fz 和資料匯流排 d7…d0 的顯示原理也是如此。
alu 和外圍電路的連線如圖 1-1-4 所示，圖中的小方框代表排針座。
運算器的邏輯功能表如表 1-1-1 所示，其中 s3 s2 s1 s0 cn 為控制訊號，fc 為進製標誌，fz 為運算器零標誌，表中功能欄內的 fc、fz 表示當前運算會影響到該標誌。
四、 實驗步驟
(1) 按圖 1-1-5 連線實驗電路，並檢查無誤。圖中將使用者需要連線的訊號用圓圈標明（其它實驗相同）。
(2) 將時序與操作台單元的開關 kk2 置為『單拍』檔,開關 kk1、kk3 置為『執行』檔。
(3) 開啟電源開關，如果聽到有『嘀』報警聲，說明有匯流排競爭現象，應立即關閉電源，重新檢查接線，直到錯誤排除。然後按動 con 單元的 clr 按鈕，將運算器的 a、b 和 fc、fz 清零。
(4) 用輸入開關向暫存器 a 置數。
① 撥動 con 單元的 sd27…sd20 資料開關，形成二進位制數 01100101（或其它數值），資料顯示亮為『1』，滅為『0』。
② 置 lda=1，ldb=0，連續按動時序單元的 st 按鈕，產生乙個 t4 上沿，則將二進位制數 01100101置入暫存器 a 中，暫存器 a 的值通過 alu 單元的 a7…a0 八位 led 燈顯示。
(5) 用輸入開關向暫存器 b 置數。
① 撥動 con 單元的 sd27…sd20 資料開關，形成二進位制數 10100111（或其它數值）。
② 置 lda=0，ldb=1，連續按動時序單元的 st 按鈕，產生乙個 t4 上沿，則將二進位制數10100111 置入暫存器 b 中，暫存器 b 的值通過 alu 單元的 b7…b0 八位 led 燈顯示
(6) 改變運算器的功能設定， 觀察運算器的輸出。置 alu_b=0、lda=0、ldb=0，然後按表 1-1-1置 s3、s2、s1、s0 和 cn 的數值，並觀察資料匯流排 led 顯示燈顯示的結果。如置 s3、s2、s1、s0 為 0010，運算器作邏輯與運算，置 s3、s2、s1、s0 為 1001，運算器作加法運算。
如果實驗箱和 pc 聯機操作，則可通過軟體中的資料通路圖來觀測實驗結果（軟體使用說明請看附錄一），方法是：開啟軟體，選擇聯機軟體的「【實驗】—【運算器實驗】」，開啟運算器實驗的資料通路圖，如圖 1-1-6 所示。進行上面的手動操作，每按動一次 st 按鈕，資料通路圖會有資料的流動，反映當前運算器所做的操作，或在軟體中選擇「【除錯】—【單節拍】」，其作用相當於將時序單元的狀態開關 kk2 置為『單拍』檔後按動了一次 st 按鈕，資料通路圖也會反映當前運算器所做的操作。
重複上述操作，並完成表 1-1-2。然後改變 a、b 的值，驗證 fc、fz 的鎖存功能。
五、 實驗結果
表 1-1-2 運算結果表
六、 實驗體會
本次實驗做起來並不難，因為實驗步驟給的非常詳細，只要按照步驟一步一步操作就可以成功完成實驗。但是完成實驗並不是主要目的，將實驗原理弄明白才是本次實驗的真正目的。我在做實驗的過程中，沒有遇到太大的問題，但是想要通過看原理**釋實驗結果的時候，才發現還有地方沒弄明白，最後聽過老師解答之後，才知道原來實驗原理這麼簡單，只是因為自己不夠細心，沒有專心看原理圖，才會有地方不明白。
通過本次實驗，使我了解了運算器的組成結構，掌握了運算器的工作原理，也讓我學到做事情應該專心，不能只是急於完成它，更重要的是要通過做這件事情學到知識。
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