掌握運算器的組成及工作原理

實驗一運算器實驗一、實驗目的:掌握運算器的組成及工作原理；了解4位函數(shù)發(fā)生器74LS181的組合功能，熟悉運算器執(zhí)行算術操作和邏輯操作的具體實現(xiàn)過程；驗證帶進位控制的74LS181的功能。二、 預習要求：1復習本次實驗所用的各種數(shù)字集成電路的性能及工作原理；2預習實驗步驟，了解實驗中要求的注意之處。三、 實驗設備：EL-JY-II型計算機組成原理實驗系統(tǒng)一套，排線若干。四、 電路組成：本模塊由算術邏輯單元ALU74LS181(U29、U30)、暫存器74LS273(U27、U28)、三態(tài)門74LS244(U31)和進位控制電路GAL芯片(U32)等組成。電路圖見圖1-1(a)、1-1(b)。圖1-1(a)ALU電路

圖1-1（b）GAL芯片進位控制電路算術邏輯單元圖1-1（b）GAL芯片進位控制電路算術邏輯單元ALU是由兩片74LS181構成。74LS181的功能控制條件由S3、S2、I. 1SN_3UT>￡>-0-IjI§[ldrT>HUSSCLK>EE? S1、S0、M、Cn決定。高電平工作方式74LS181的功能、管腳分配和引出端功能符號詳見表1-1、圖1-2和表1-2。兩片74LS273構成兩個八位數(shù)據(jù)暫存器，運算器的輸出采用三態(tài)門74LS244。它們的管腳分配和引出端功能符號詳見圖1-3和圖1-4。圖1-274LS181圖1-274LS181管腳分配表1-274LS181輸出端功能符號74LS181功能表見表1—1,其中符號“+”表示邏輯“或”運算，符號“*”表示邏輯“與”運算，符號“/”表示邏輯“非”運算，符號“加”表示算術加運算，符號“減”表示算術減運算。選擇M=1邏輯操作M=0 算術操作S3S2S1S0Cn=1（無進位）Cn=0（有進位）0000F=/AF=AF=A加10001F=/(A+B)F=A+BF=(A+B)加10010F=/A*BF=A+/BF=(A+/B)加10011F=0F=減1（2的補）F=00100F=/(A*B)F=A加A*/BF=A加A*/B加10101F=/BF=(A+B)加A*/BF=(A+B)加A*/B加10110F=(/A*B+A*/B)F=A減B減1F=A減B0111F=A*/Bf=a*/b減1F=A*/B1000F=/A+BF=A加A*BF=A加A*8加11001F=/(/A*B+A*/B)F=A加BF=A加B加11010F=BF=(A+/B)加A*BF=(A+/B)加A*B加1

1011F=A*Bf=a*b減1F=A*B1100F=1F=A加AF=A加A加11101F=A+/BF=(A+B)加AF=(A+B)加A加11110F=A+BF=(A+/B)加AF=(A+/B)加A加11111F=AF=A減1F=A表1-1 74LS181功能表圖1-3 (a) 74LS273管腳分配 圖1-3 (b) 74LS273功能表圖1-4 (a) 74LS244管腳分配 圖1-4 (b) 74LS244功能五、 工作原理：運算器的結構框圖見圖1-5：算術邏輯單元ALU是運算器的核心。集成電路74LS181是4位運算器，兩片74LS181以并/串形式構成8位運算器。它可以對兩個八位二進制數(shù)進行多種算術或邏輯運算，74LS181有高電平和低電平兩種工作方式，高電平方式采用原碼輸入輸出，低電平方式采用反碼輸入輸出，這里采用高電平方式。三態(tài)門74LS244作為輸出緩沖器由ALU-G信號控制，ALU-G為“0”時，三態(tài)門開通，此時其輸出等于其輸入；ALU-G為“1”時，三態(tài)門關閉，此時其輸出呈高阻。兩片74LS273作為兩個八位數(shù)據(jù)暫存器，其控制信號分別為LDR1和LDR2，當LDR1和LDR2為高電平有效時，在T4脈沖的前沿，總線上的數(shù)據(jù)被送入暫存器保存。六、 實驗內(nèi)容：驗證74LS181運算器的邏輯運算功能和算術運算功能。七、 實驗步驟：I、單片機鍵盤操作方式實驗注：在進行單片機鍵盤控制實驗時，必須把開關K4置于“OFF”狀態(tài)，否則系統(tǒng)處于自鎖狀態(tài)，無法進行實驗。實驗連線（鍵盤實驗）：實驗連線圖如圖1—6所示。（連線時應按如下方法：對于橫排座，應使排線插頭上的箭頭面向自己插在橫排座上；對于豎排座，應使排線插頭上的箭頭面向左邊插在豎排座上。）|alUj1I 運算器電路 | 讀寫控制電路BD7 BD0數(shù)據(jù)總線-2~實驗過程:S3S2S1S0MCnAlu-GiARLpR]'LqR?'*I~~T4圖1C1&BD7 BD0數(shù)據(jù)總線-2~實驗過程:在監(jiān)控指示燈滾動顯示【CLASSSELECt】時按【實驗選擇】鍵，顯示【ES--__】輸入01或1，按【確認】鍵，監(jiān)控指示燈顯示為【ES01】，表示準備進入實驗一程序，也可按【取消】鍵來取消上一步操作，重新輸入。再按【確認】鍵，進入實驗一程序，監(jiān)控指示燈顯示【InSt--】，提示輸入運算指令，輸入兩位十六進制數(shù)（參考表1一3和表1一1），選擇執(zhí)行哪種運算操作。按【確認】鍵，監(jiān)控指示燈顯示【Lo=0】，此處Lo相當于表1一1中的M，默認為“0”，進行算術運算，也可以輸入“1”，進行邏輯運算。按【確認】，顯示【Cn=0】，默認為“0”，由表1一1可見，此時進行帶進位運算，也可輸入“1”，不帶進位運算（注：如前面選擇為邏輯運算，則 Cn不起作用）。按【確認】，顯示【Ar=1】，不用改變，使用默認值“1”，按【確認】，顯示【DATA】，提示輸入第一個數(shù)據(jù)，輸入十六進制數(shù)【34H】，按【確認】，顯示【DATA】，提示輸入第二個數(shù)據(jù)，輸入十六進制數(shù)【B6H】，按【確認】鍵，監(jiān)控指示燈顯示【FINISH］，表示運算結束，可從數(shù)據(jù)總線顯示燈觀察運算結果。再按【確認】后監(jiān)控顯示燈顯示【ES01］，可執(zhí)行下一運算操作。運算指令（S3S2S1S0）輸入數(shù)據(jù)（十六進制）000000或0000101或1001002或2001103或3010004或4010105或5011006或6011107或7100008或8100109或910100A或A10110B或B11000C或C11010D或D11100E或E11110F或F表1-3運算指令關系對照表在給定LT1=34H、LT2=B6H的情況下，改變運算器的功能設置，觀察運算器的輸出，填入表中，并和理論值進行比較和驗證：LT1LT2S3S2S1S0M=0（算術運算）M=1（邏輯運算）Cn—1（無講位）Cn=0（有講位）34HB6H00或0F=F=F=01或1F=F=F=

02或2F=F=F=03或3F=F=F=04或4F=F=F=05或5F=F=F=06或6F=F=F=07或7F=F=F=08或8F=F=F=09或9F=F=F=0A或AF=F=F=0B或BF=F=F=0C或CF=F=F=0D或DF=F=F=0E或EF=F=F=0F或FF=F=F=II、開關控制操作方式實驗注：為了避免總線沖突，首先將控制開關電路的ALU-G和C-G撥到輸出高電平“1”狀態(tài)(所對應的指示燈亮。)本實驗中所有控制開關撥動，相應指示燈亮代表高電平“1”，指示燈滅代表低電平“0”。1.按圖1—7接線圖接線:連線時應注意：為了使連線統(tǒng)一，對于橫排座，應使排線插頭上的箭頭面向自己插在橫排座上；對于豎排座，應使排線插頭上的箭頭面向左邊插在豎排座上。2.通過數(shù)據(jù)輸入電路的撥開關開關向兩個數(shù)據(jù)暫存器中置數(shù):在橫排座上；對于豎排座，應使排線插頭上的箭頭面向左邊插在豎排座上。2.通過數(shù)據(jù)輸入電路的撥開關開關向兩個數(shù)據(jù)暫存器中置數(shù):讀寫控制電路T4ifin~f脈沖源及時序電路注意：本實驗中ALU-G和C-G不能同時為0，否則造成總線沖突，損壞芯片！故每次實驗時應時刻保持只有一路與總線相通。1)置ALU-G=1：關閉ALU的三態(tài)門U31(74LS244)；再置C-G=0：打開數(shù)據(jù)輸入電路的三態(tài)門;2)向數(shù)據(jù)暫存器LT1(U27，74LS273)中置數(shù):設置數(shù)據(jù)輸入電路的數(shù)據(jù)開關“D7D0”為要輸入的數(shù)值，如“01010101”；(2)置LDR1=1:使數(shù)據(jù)暫存器LT1(U27,74LS273)的控制信號有效，置LDR2=0：使數(shù)據(jù)暫存器LT2(U28,74LS273)的控制信號無效；(3)按一下脈沖源及時序電路的【單脈沖】按鈕，給暫存器LT1(U27,74LS273)送時鐘，上升沿有效，把數(shù)據(jù)存在LT1中。3)向數(shù)據(jù)暫存器LT2(U28，74LS273)中置數(shù)：設置數(shù)據(jù)輸入電路的數(shù)據(jù)開關“D7 D0”為想要輸入的數(shù)值，如“10101010”；置LDR1=0：數(shù)據(jù)暫存器LT1的控制信號無效；置LDR2=1：使數(shù)據(jù)暫存器LT2的控制信號有效。按一下脈沖源及時序電路的“單脈沖”按鈕，給暫存器 LT1(U27，74LS273)送時鐘，上升沿有效，把數(shù)據(jù)存在LT2中。置LDR1=0、LDR2=0，使數(shù)據(jù)暫存器LT1、LT2的控制信號無效。4)檢驗兩個數(shù)據(jù)暫存器LT1和LT2中的數(shù)據(jù)是否正確：置C-G=1，關閉數(shù)據(jù)輸入電路的三態(tài)門，然后再置ALU-G=0，打開ALU的三態(tài)門；置“S3S2S1S0M”為“11111”，數(shù)據(jù)總線顯示燈顯示數(shù)據(jù)暫存器LT1中的數(shù)“01010101”，表示往暫存器LT1置數(shù)正確；置“S3S2S1S0M”為“10101”，數(shù)據(jù)總線顯示燈顯示數(shù)據(jù)暫存器LT2中的數(shù)“10101010”，表示往暫存器LT2置數(shù)正確。3.驗證74LS181的算術和邏輯功能:LT1LT2S3S2S1S0M=0(算術運算)M=1(邏輯運算)Cn=1(無進位)Cn=0(有進位)34HB6H0000F=F=F=0001F=F=F=0010F=F=F=0011F=F=F=0100F=F=F=0101F=F=F=0110F=F=F=0111F=F=F=1000F=F=F=1001F=F=F=1010F=F=F=1011F=F=F=1100F=F=F=1101F=F=F=1110F=F=F=1111F=F=F=按實驗步驟2往兩個暫存器LT1和LT2分別存十六進制數(shù)“34H”和“B6H”，在給定LT1=34H、LT2=B6H的情況下，通過改變“S3S2S1S0MCn”的值來改變運算器的功能設置，通過數(shù)據(jù)總線指示燈顯示來讀出運算器的輸出值F，填入下表中，參考表1一1的功能表，分析輸出F值是否正確。4.驗證帶進位控制的算術運算功能發(fā)生器的功能：進位標志CY清零：進位標志指示燈CY初始狀態(tài)為滅，表示當前進位為“1”，可按如下步驟對它進行清零操作。置S3S2S1S0M="00000”，AR=0(AR為進位控制信號)；按一下脈沖源及時序電路的【單脈沖】按鈕，進位標志指示燈CY亮，表示當前進位為“0”。驗證帶進位運算及進位的鎖存功能：首先將控制開關電路的所有開關撥到輸出高電平“1”狀態(tài)，所有對應的指示燈亮。置ALU-G=1：關閉ALU的三態(tài)門U31(74LS244)；再置C-G=0：打開數(shù)據(jù)輸入電路的三態(tài)門；置數(shù)據(jù)輸入電路的數(shù)據(jù)開關“D7......D0”=“10000000”，置LDR1=1，使數(shù)據(jù)暫存器LT1(U27，74LS273)的控制信號有效，置LDR2=0，使數(shù)據(jù)暫存器LT2(U28，74LS273)的控制信號無效，按一下脈沖源及時序電路的【單脈沖】往暫存器LT1存入數(shù)據(jù)“10000000”。置數(shù)據(jù)輸入電路的數(shù)據(jù)開關“D7......D0”=“01111111”， 置LDR1=0，使數(shù)據(jù)暫存器LT1(U28，74LS273)的控制信號無效，置LDR2=1，使數(shù)據(jù)暫存器LT2(U27，74LS273)的控制信號有效，按一下脈沖源及時序電路的【單脈沖】往暫存器LT2存入數(shù)據(jù)“01111111”，然后置LDR2=0，使數(shù)據(jù)暫存器LT2(U27，74LS273)的控制信號無效，準備執(zhí)行下一步操作。置C-G=1，關閉數(shù)據(jù)輸入電路的三態(tài)門，然后再置ALU-G=0，打開ALU的三態(tài)門，置“S3S2S1S0M”為“11111”，數(shù)據(jù)總線顯示燈顯示數(shù)據(jù)暫存器LT1中的數(shù)“10000000”，表示往暫存器LT1置數(shù)正確；置“S3S2S1S0M”為

“10101”，數(shù)據(jù)總線顯示燈顯示數(shù)據(jù)暫存器LT2中的數(shù)“01111111”，表示往暫存器LT2置數(shù)正確。（6） 置ALU-G=0（注意先使C-G=1），S3S2S1S0M="10010”，Cn=1，不帶進位操作，AR=0，參考表1—1可知此時執(zhí)行“F=A加B”操作，數(shù)據(jù)總線上顯示“11111111”，即“10000000”加“01111111”的結果。保持LDR1=0和LDR2=0，檢查是否產(chǎn)生進位溢出，按一下【單脈沖】，進位指示燈CY亮，表示無進位溢出；（7） 置ALU-G=0（注意先使C-G=1），S3S2S1S0M="10010”，Cn=0，即當前進位為1，AR=0，參考表1—1可知此時執(zhí)行“F=A加B加1”操作，數(shù)據(jù)總線上顯示“00000000”，即“10000000”加“01111111”加“1”的結果， 保持LDR1=0和LDR2=0，檢查是否產(chǎn)生進位溢出，按一下【單脈沖】，進位指示燈CY熄滅，表示有進位溢出；m>pc機聯(lián)機操作方式實驗1.實驗連線：實驗連線圖與采用單片機鍵盤操作方式實驗連線圖一樣，如圖1—6所示。2.實驗步驟：1）.將實驗系統(tǒng)與計算機串口用實驗系統(tǒng)的通訊電纜連接;新建Office文檔交檔（1）設置⑤搜索（￡）幫助（H）程序（1）打開Office史檔新建Office文檔交檔（1）設置⑤搜索（￡）幫助（H）程序（1）打開Office史檔?底ia宣AlteraTexasInEtrumentEWindow三憂化大師附件聯(lián)眾世界啟動網(wǎng)絡實名MicrosoftFowerFoint虛擬光碟 *尚書六