脫機(jī)運(yùn)算器實驗

實驗二：

脫機(jī)運(yùn)算器實驗實驗?zāi)康模?）理解運(yùn)算器芯片Am2901的功能和內(nèi)部組成，運(yùn)行中使用的控制信號及各自的控制作用；（2）理解4片Am2901構(gòu)成16位運(yùn)算器的具體方案，各數(shù)據(jù)位信號、各控制位信號的連接關(guān)系；（3）使用24位微型開關(guān)中的23位控制信號確定運(yùn)算與處理功能。運(yùn)算器簡介運(yùn)算器是計算機(jī)硬件系統(tǒng)傳統(tǒng)的5大功能部件之一，承擔(dān)執(zhí)行運(yùn)算和暫存運(yùn)算數(shù)據(jù)的功能。組成：ALU線路（執(zhí)行算術(shù)邏輯運(yùn)算功能）、通用寄存器組（暫存參加ALU運(yùn)算的數(shù)據(jù)和中間運(yùn)算結(jié)果）、專用寄存器（支持乘除法運(yùn)算）三部分。三個部分之間通過多路選擇器線路實現(xiàn)連接，從而構(gòu)成一個完整的運(yùn)算器部件。技術(shù)說明運(yùn)算器部件主體部分由4片4位的位片結(jié)構(gòu)Am2901組成。使用MACH芯片內(nèi)部部分電路提供ALU最低位的進(jìn)位輸入信號和最高、最低位的移位輸入信號。使用一片GAL20V8實現(xiàn)4位的標(biāo)志位寄存器FLAG，接收ALU輸出的4個標(biāo)志位信號和來自內(nèi)存堆棧區(qū)的4位數(shù)據(jù)，用于恢復(fù)現(xiàn)場狀態(tài)信息

。運(yùn)算器組成線路和信息連接關(guān)系脫機(jī)運(yùn)算器實驗的環(huán)境脫離與計算機(jī)主機(jī)的連接數(shù)據(jù)開關(guān)撥入?yún)⒓舆\(yùn)算的數(shù)據(jù)；微型開關(guān)提供操作運(yùn)算器運(yùn)行必需控制信號；信號指示燈觀察運(yùn)算結(jié)果。最低位的進(jìn)位輸入信號Cin和左右移位輸入信號RAM0、Q0、RAM15、Q15由MACH內(nèi)部SHIFT線路提供。Am2901芯片的內(nèi)部組成框圖Am2901的內(nèi)部組成4位的算邏運(yùn)算部件ALU，輸出為F，兩路輸入R和S，最低位進(jìn)位信號Cn。實現(xiàn)R+S、S-R、R-S三種算術(shù)運(yùn)算，R∨S、R∧S、R∧S、R⊕S、R⊕S五種邏輯運(yùn)算。16個4位通用寄存器組成的寄存器組。雙端口(A和B)控制讀出、單端口(B)控制寫入。通過A和B指定被讀寫的寄存器。4位的Q寄存器,實現(xiàn)硬件乘除法指令和對本身內(nèi)容完成左右移位，能接收ALU輸出。輸出送到ALU的S輸入端。5組多路數(shù)據(jù)選擇器，實現(xiàn)上述三個組成之間的聯(lián)系及芯片和外界信息的輸入與輸出操作：①一組4位的二選一器件控制把運(yùn)算器內(nèi)的兩路4位輸出數(shù)據(jù)送出芯片，標(biāo)記為Y；②一組4位的二選一和③一組4位的三選一器件，分別用于組合外部送來信息D，通用寄存器組的雙路讀出信息A和B，乘商寄存器Q的信息，以決定ALU的兩路輸入R和S的數(shù)據(jù)來源；④一組4位的三選一器件，完成從ALU的輸出結(jié)果，ALU輸出結(jié)果左移一位的值，ALU輸出結(jié)果右移一位的值中選擇其一，作為通用寄存器的寫入信息，實現(xiàn)的是通用接存器接收及移位功能。⑤一組4位的三選一器件，用于完成Q寄存器內(nèi)容的左右移位，或接收ALU的輸出結(jié)果的操作功能。Am2901的內(nèi)部組成

Am2901芯片的管腳信號

OVRD3~D0B3~B0CPI8~I0Q0F3/P/GA3~A0/OERAM0CnQ3RAM3Cn+4Am2901F=0000Y3~Y0數(shù)據(jù)類型信號：4位數(shù)據(jù)輸入(D3-D0)，4位數(shù)據(jù)輸出(Y3-Y0)，最低位進(jìn)位輸入信號(Cn)，4個標(biāo)志位輸出信號(F3,OVR,F=0000,Cn+4)，通用寄存器最高/低位移位入出信號(RAM3,RAM0)，Q寄存器最高、最低位移位入出信號(Q3,Q0)，用于并行進(jìn)位的2個信號(/G,/P)。共19位?？刂祁愋托盘枺褐髅}沖信號(CP)，輸出使能信號(/OE)，兩個4位的寄存器選擇信號

(A3-A0,B3-B0)，選擇ALU數(shù)據(jù)來源，運(yùn)算功能，結(jié)果處置的信號各3位(I8-I0)。共19位。該芯片還有電源和地線引腳各一個，故該芯片共有40個引腳。教學(xué)計算機(jī)運(yùn)算器的設(shè)計與實現(xiàn)由4片各自的D3-D0組成16位的數(shù)據(jù)輸入D15-D0。由4片各自的Y3-Y0組成16位的數(shù)據(jù)輸出Y15-Y0。有高低位進(jìn)位關(guān)系的3組信號，高低位相鄰芯片間的連接關(guān)系：高位芯片的RAM0、Q0分別與低位芯片的RAM3、Q3相連；串行進(jìn)位，高位芯片的Cn與低位芯片的Cn+4相連；最低位芯片Cn是運(yùn)算器最低位進(jìn)位輸入信號。最高位芯片Cn+4是運(yùn)算器進(jìn)位輸出信號。D11~D8Y15~Y12Am2902Cn+z/G/PCn+y/G/PCn+x/G/POVRQ0RAM0CinI8~I0B地址A地址/OECPQ15RAM15CyF15D

3~D0D7~D4D15~D12Y3~Y0Y7~Y4Y11~Y8F=0+5v低位Am2901高位Am2901R微型開關(guān)各字段控制功能SSTCZVS000CZVS001CYF=0OVRF15010內(nèi)部總線0110ZVS1001ZVS101RAM0ZVS110RAM15ZVS111Q0ZVSSSHSCICin/Shift000Cin=0001Cin=1010Cin=C100邏輯移位101循環(huán)移位A/B口地址：源與目的操作數(shù)的寄存器編號；I8-I0：3組3位分別選擇操作數(shù)來源、操作功能、操作數(shù)處理結(jié)果和運(yùn)算器輸出內(nèi)容；SCi、SSH和SST：確定運(yùn)算器最低位進(jìn)位輸入、移位信號入/出和狀態(tài)標(biāo)志位。I8~6I5~3I2~0REGQY功能RS000F→QFR+SAQ001FS–RAB010F→BAR–S0Q011F→BFR∨S0B100F/2→BQ/2→QFR∧S0A101F/2→BF/R∧SDA1102F→B2Q→QFR⊕SDQ1112F→BF/（R⊕S）D0在Am2901芯片外部的處理的邏輯功能3位選擇碼SSHSCI編碼指令舉例Cin取值000001010ADD，DECSUB，INCADC，SBB０１Ｃ3位控制碼SSHSCI編碼左移RAM0Q0右移RAM15Q15說明100101110111０ＸＣＸＱ15/Ｆ15ＸＸ０ＸＣＸＣyRAM0F15RAM0邏輯移位指令循環(huán)移位指令原碼除(左移)乘(右移)算術(shù)右移指令①芯片的最低位的進(jìn)位輸入信號Cn，用3位控制碼確定。②左移RAM3與Q3輸出，RAM0和Q0輸入；相反右移RAM0和Q0輸出，RAM3和Q3輸入，這是由I8和I7共同控制的。③四個標(biāo)志位的值的接收與記憶電路4個標(biāo)志位信號的變化有8種不同情況，用3位編碼SST來區(qū)分。可用一片GAL20V8實現(xiàn)時序邏輯類型的邏輯功能。3位選擇碼SST編碼狀態(tài)位輸入ＣＺＶＳ說明０００００１０１００１１１００１０１１１０１１１ＣＺＶＳＣYF=0OVRF15內(nèi)部總線對應(yīng)的一位０ＺＶＳ１ＺＶＳRAM0ＺＶＳRAM15ＺＶＳＱ0ＺＶS四個標(biāo)志位的值保持不變接收ALU的標(biāo)志位輸出的值恢復(fù)標(biāo)志位原來的現(xiàn)場值置"0"C,另三個標(biāo)志位不變置"1"C,另三個標(biāo)志位不變右移,另三個標(biāo)志位不變左移,另三個標(biāo)志位不變聯(lián)合右移,另三個標(biāo)志位不變16位運(yùn)算器完整組成框圖D15~D0Y15~Y0RAM0Q001CSSHCinSCICP/OEAB

地地址址SSHSST來自內(nèi)部總線右移信號RAM15Q15CYF=0OVRF15CZVS0CCYRAM0F15⊕OVR左移信號0CQ15/F154片Am290116位的運(yùn)算器四位標(biāo)志位FLAGGAL形成右移輸入信號SHIFTGAL最低位進(jìn)位SHIFTGAL形成左移輸入信號SHIFTGAL0,1,RAM0,Q0,RAM15實驗步驟1．將教學(xué)機(jī)左下方的5個撥動開關(guān)置為1XX00（單步、16位、脫機(jī)）；先按一下“RESET”按鍵，再按一下“START”按鍵，進(jìn)行初始化。2．接下來，按下表所列的操作在機(jī)器上進(jìn)行運(yùn)算器脫機(jī)實驗，將結(jié)果填入表中：其中D1取0101H，D2取1010H；通過兩個12位的紅色微型開關(guān)向運(yùn)算器提供控制信號，通過16位數(shù)據(jù)開關(guān)向運(yùn)算器提供數(shù)據(jù)，通過指示燈觀察運(yùn)算結(jié)果及狀態(tài)標(biāo)志。實驗操作表注：用*標(biāo)記的運(yùn)算，表示D1、D2的數(shù)據(jù)是由撥動開關(guān)SW給出的，開關(guān)給的是二進(jìn)制的信號，注意二進(jìn)制和十六進(jìn)制間的轉(zhuǎn)換。按“START”按鍵之前，ALU輸出的是計算結(jié)果，A、B口數(shù)據(jù)鎖存是在時鐘的下降沿，通用寄存器的接收是在低電平，要想寄存器接收ALU計算結(jié)果必須按一次“START”。1微型開關(guān)各字段控制功能SSTCZVS000CZVS001CYF=0OVRF15010內(nèi)部總線0110ZVS1001ZVS101RAM0ZVS110RAM15ZVS111Q0ZVSSSHSCICin/Shift000Cin=0001Cin=1010Cin=C100邏輯移位101循環(huán)移位A/B口地址：源與目的操作數(shù)的寄存器編號；I8-I0：3組3位分別選擇操作數(shù)來源、操作功能、操作數(shù)處理結(jié)果和運(yùn)算器輸出內(nèi)容；SCi、SSH和SST：確定運(yùn)算器最低位進(jìn)位輸入、移位信號入/出和狀態(tài)標(biāo)志位。I8~6I5~3I2~0REGQY功能RS000F→QFR+SAQ001FS–RAB010F→BAR–S0Q011F→BFR∨S0B100F/2→BQ/2→QFR∧S0A101F/2→BF/R∧SDA1102F→B2Q→QFR⊕SDQ1112F→BF/（R⊕S）D0思考題實現(xiàn)如下7項操作功能：預(yù)期功能R0←1234R9←789FR9←R9-R0R0←R0+1R10←R0R9←R9^R0找出實現(xiàn)每一操作功能要用到的控制碼。填寫表中各組控制信號正確值，然后填入運(yùn)行結(jié)果的狀態(tài)信息表。運(yùn)算器的功能與所用到的控制信號表預(yù)期功能控制信號I8-6I5-3I