组成原理实验课件--运算器

SST
C ZVS
000
C ZVS
001
Cy ZR OV F15
010
IB7 IB6 IB5 IB4
011
0 ZVS
100
1 ZVS
101
RAM0 Z V S
110 RAM15 Z V S
111
Q0 Z V S
说明
标志位值保持不变 接受ALU状态输出 接收内部总线输出 CLC 置 “0” C STC 置 “1” C 右移操作 左移操作 联合右移
C
入 Q15
信 /F15
号
左移控制
33
3、运算器脱机方式实验
脱机运算器实验，是指让运算器从教学计算机中脱离出来， 此时，它的全部控制和操作均需通过两个12位的微型开关来完 成，这就谈不上执行指令，只能通过开关、按键控制教学机的 运算器完成指定的运算功能，并通过指示灯观察运算结果。
其实这就是把计算机的运算器部件从计算机系统中孤立出 来，用手工方式操作其运行过程，这不会涉及计算机的其他功 能部件，事情变得更单纯简单，更容易理解，学懂这一部分内 容之后，很容易与通过计算机的控制器 控制运算器运行的具体 实现方案联系起来，更有利于把复杂的事情简单化。
0
C
Cy
3
F0
右移控制
GAL GAL
右 RAM15
移 输
Q15
运算器 RAM0 Q0
入
信 号
B口
3 D15~0
SSH A口 I8~I0
SSH
左
0
移 输
C
入 Q15
信 /F15
号
左移控制
27
28
RAM0
C 0 通用寄存器
RAM15
SHR 0 SHL
RAM0
C
通用寄存器
RAM15
RCR RCL
29
③ 4个标志位的值的接收与记忆电路 （即运算器的状态寄存器）
有一些功能（数 据）取决于如何 使用 Am2901， 与指令和指令的 执行步骤有关， 必须用另外的线 路来处理的，包 括：
23
需要在Am2901芯片外部处理的逻辑功能：
① 最低位进位控制信号（SCI） ② 移位控制信号（SSH） ③ 状态寄存器接收信号（SST）
24
① 需要正确给出芯片的最低位的进位输入 信号Cin ，选用3位的控制码SCI确定。
微型开关
16位的
手拨输入开关
5
选用中小规模集成电路实现的教学计算机系统的组成
计算机 终端
PC机
微程序
电源 运算器 +5V
串 行 接 口
控制器
硬布线 控制器
(16 位)
主存储器 （16位）
接
内口 存实 扩验 展中 实断
按键 开关 指示灯
验实
验
作为最底层的输入/输出手段，开关手拨数据输入，指示灯显示输出的 操作方式还是应该有的。对提高学生的实验动手能力也很有用处。
17
表2-1 选择8 种运算功能
I5 I4 I3 运算功能
000 R+S
001 SR
010 RS
011 R٧ S
100 R S
101 110
R R⊕S S
111 R⊕S
表2-2 选择ALU的8 种输入 数据组合
I2 I1 I0 R S
000 A Q 001 A B 010 0 Q 011 0 B 100 0 A 101 D A 110 D Q 111 D 0
考勤 课上完成实验情况 实验报告 综合作业
3
第一部分：实验须知
实验预习 实验报告 实验报告是实验后的书面总结，通过对实验现象的整理、 分析、总结，可加深对所学理论知识的理解。 实验守则 （1） 保持实验室的整洁，禁止在实验室用餐、喝饮料。 （2） 严禁带电接线和拆线，不要用手触及任何带电部 分。 （3）实验设备发生故障时，必须立即断电，并马上报 告老师。
片间高A速m进29位02用 Am2902
Cin
Cn+z Cn+y Cn+x
Y7~4
/G
/P
Y3~0
Am2901
Am2901
低位
RAM0
Am2901
Q0
D11~8
D7~4
D3~0
22
Am2901完成功能需要的控制信号
数据组合（ I2 I1 I0 ） 功能代码（ I5 I4 I3 ） 结果处理（ I8 I7 I6 ） A口地址 B口地址 最低位进位控制信号（SCI） 移位控制信号（SSH） 状态寄存器接收信号（SST）
I8 I7 I6
B
Q
Y
000
Q← F F
001
F
010 B← F
A
011 B← F
F
100 B← F/2 Q← Q/2 F
101 B← F/2
F
110 B← 2F Q← 2Q F
111 B← 2F
F
I5 I4 I3
R+S S− R R− S R٧ S RΛS RΛS R⊕S R⊕S
I2 I1 I0
R
SCI
Y15~0
Cy F=0
最
0
低
1
GAL
OVR 16位的 Cin
位
C
F15
3进
位
RAM15 运算器 RAM0
Q15
Q0
I8~I0 A口 B口
D15~0
25
表 2-4 :
26
② 关于左右移位操作过程中的最高位、最低
位移位输入信号的处理，选用3位的控制码
SSH确定。
Y15~0
Cy
F=0
Cin
OVR 16位的 F15
计算机组成原理实验
任课教师：刘万成
1792742986@qq.com
1
实验教学安排
实验二：脱机运算器实验
（2）
实验一：监控程序与简单汇编语言程序设计 （1）
实验三：存储器扩展实验
（1）
实验四：微程序控制器实验
（2）
实验五：中断实验
（1）
2
实验考核方法
《计算机组成原理》实验成绩为20分。 实验成绩包括：
RAM3
RAM0
也可称为移位器
14
输出Y /OE
F3 F=0000 OVR Cn+4
乘商寄存器Q
Q3
Q0
三选一
二选一 F
ALU
S
R Cn
三选一 二选一
B锁存器 A锁存器 输入D B 16个 A A口地址 通用寄存器 B口地址
该芯片的第四 个组成部分是 5 组多路数据选 择电路，通过 它们，实现芯 片内上述三个 组成成分之间 的联系，也实 现该芯片和其 外界信息的输 入与输出操作。
微型开关
16位的
手拨输入开关
9
Am2901的内部组成与功能
10
输出Y /OE
二选一 F
F3 F=0000 OVR Cn+4
ALU
S
R Cn
三选一 二选一
组成 算逻运算 部件 1 6 个 累加器 乘商寄存器 Q 5组多路选择门
乘商寄存器Q B锁存器 A锁存器 输入D
功能
Q3
Q0
三选一
B 16个 A A口地址 8 种 运算功能 通用寄存器 B口地址 8 种 数据组合
0 1 1 0 00 1 1 1 001
0 0 0 0 0 000 0000
B← F R + S R S D0
接受ALU 状态输出
微型开关与控制信号的对应关系 35
CZVS 运算器的 状态位 状态位 MIO REQ WE DC2,DC1
AR 高8位 AR 低8位
18
表2-3 选择运算器的8 种运算结果处置方案
3位控制码
结果处置
I8 I7 I6
000 001 010 011 100 101 110 111
通用寄存器
BF BF BF/2 BF/2 B2F B2F
Q寄存器
QF
QQ/2 Q2Q
Y输出
F F A F F F F F
Am2901的控制信号汇总表
编码
34
两个12位微型开关的具体控制功能分配如下：
I8-I0：选择操作数来源、运算操作功能、选择操作数处理结 果和运算器输出内容的3组3位的控制码；
SCI、SSH和SST：用于确定运算器最低位的进位输入、移位 信号的入/出和怎样处理AM2901产生的状态标志位的结果。
A口、B口地址：送给AM2901器件用于选择源与目的操作数 的寄存器编号。
4
第二部分：TH-union 教学计算机介绍
微程序
控制器
串口电路 5V电源
电源 开关
组合逻辑
控制器
运算器
内存 储器
RESET,START 运行功能选择开关 I8~6 I5~3 I2~0 SST SCI SSH A口 B口
按键 单步，手拨，组合逻辑，联机 8位，
连续，内存， 微程序，脱机 16位，
两个12位的
Q3
Q0
三选一
二选一 F
ALU
S
R Cn
三选一 二选一
B锁存器 A锁存器 输入D B 16个 A A口地址 通用寄存器 B口地址
第三个组成部 分是乘商寄存 器Q，主要用 于实现硬件的 乘法、除法运 算。它能对自 己的内容完成 左右移位功能， 其输出可以送 往ALU，并可 接收ALU的输 出结果。
三选一
第二个组成部分 是通用寄存器组 由16个寄存器构 成，并通过B口 与A口地址选择 被读的寄存器， B口地址还用于 指定写入寄存器
通过B口地址、 A口地址读出的 数据将送到B、 A锁存器，要写 入寄存器的数据 由一个多路选择 器送来。
13
输出Y /OE
F3 F=0000 OVR Cn+4
乘商寄存器Q
其输出为 F，两路输 入为 S、R，最低位 进位Cn，4个状态输 出信号如图所示
12
B锁存器 A锁存器
B 16个 A A口地址 通用寄存器 B口地址 （写入）
三选一
RAM3
RAM0
也可称为移位器
该寄存器组的写入，只能用B 地址实现，写入数 据是ALU的输出经三选一门（移位器）送到寄存 器组的输入端。移位器可执行直送、左移一位、 右移一位的操作，使加减等运算和移位操作可在 同一操作步骤中完成。
8
微程序
控制器
组合逻辑
控制器
运算器
TH-union 教学计算机
串口电路 5V电源
电源 开关
内存 储器
RESET,START 运行功能选择开关 I8~6 I5~3 I2~0 SST SCI SSH A口 B口
按键 单步，手拨，组合逻辑，联机 ， 8位
连续，内存， 微程序，脱机 ， 16位
两个12位的
S
AQ
AB
0Q
0B
0A
DA
DQ
D0
20
2、教学计算机运算器的设计与实现
教学计算机运算器是由 4片Am2901芯片和一些配套电路组成， 字长16位。
21
Vcc
R
F=0
F15 OVER Y15~12
Cy
高位
RAM15
Am2901
Q15 CP A口 B口 I8~6 I5~3 I2~0 D15~12
Y11~8
/OE为高，Y输出
B 16个 A A口地址 为高阻态。
通用寄存器 B口地址
三选一
RAM3
RAM0
16
Am2901 运行功能的控制
为了控制Am2901 运算器按我们的意 图完成预期的运算操作功能，就必须向其 提供相应的控制信号，包括：用3组各3位 的编码，分别用于选择ALU 的运算功能， 输入数据，结果处置方案，具体规定如 表2-1、表2-2 和表2-3 所示。
SST 来自内部总线 IB
Y15~0
C Z V S
GAL
Cy
四 位 标
F=0 OV
1 志 F15
位
16位的
Cin
0,1,RAM0
Q0,RAM15
RAM15 运算器 RAM0
Q15
Q0
B口
D15~0
A口 I8~I0
30
4个标志位信号的变化有8种不同情况，使用3 位的编码SST来区分。
用 3 位码控制 有 8 种方案
31
教学机运算器控制信号汇总
数据组合（ I2 I1 I0 ）
3位
功能代码（ I5 I4 I3 ）
3位
结果处理（ I8 I7 I6 ）
3位
A口地址
4位
B口地址
4位
状态寄存器接收信号（SST） 3位
移位控制信号（SSH）
和最低位进位控制信号（SCI） 3位
23位
32
16 位运算器的完整组成
SST
C
Z
三选一
RAM3
RAM0
8 种 结果处理
11
符号位 结果为零 结果溢出 进位输出
F3 F=0000 OVR Cn+4
F
ALU
S
R Cn
3 位功能选择码
000 001 010 011 100 101 110 111
8 种运算功能
R+S SR RS R٧ S RS R R⊕S S R⊕S
第一个组成部分是 算逻运算部件ALU, 完成 3 种算术运算 和 5 种逻辑运算， 共计 8 种功能。
三选一
RAM3
RAM0
15
输出Y /OE
F3 F=0000 OVR Cn+4
二选一 F
ALU
S
R Cn
一组二选一门， 选择把A口数据 或ALU结果送出 芯片，以给出输 出Y的数据，Y输 出的有无还受输
三选一 二选一
出使能 /OE信号
的控制，仅当
Q寄存器
Q3
Q0
三选一
B锁存器
A锁存器
输入D
/OE为低是才有Y 输出 ，
6
第三部分：实验项目 实验二：脱机运算器实验
实验目的 深入了解AM2901运算器的功能与具体用法，掌握用 AM2901完成各种运算操作时各控制信号的使用，观 察指令执行的结果对状态标志的影响；了解4片 AM2901的级联方式，深化运算器部件的组成、设计、 控制与使用等知识。 实验说明 1、位片结构的运算器芯片Am2901 Am2901芯片是一个 4位的位片结构的、完整的运算 器器件，作为教学内容的实例具有很好的典型性。
V
S
1
0
C
Cy
3
F0
右移控制
GAL
GAL
GAL
来自内部总线 IB
Y15~0
Cy
四 位 标
F=0 OVR
16位的
Cin
志 F15
3
位
0,1,RAM0
Q0,RAM15
右 RAM15
移 输
Q15
运算器 RAM0 Q0
入
信 号
B口
3 D15~0
A口 I8~I0
SSH
SSH
GAL
SCI
Biblioteka Baidu
最
0
低
1
位
C
进
位
左
0
移 输