組成原理實(shí)驗(yàn)運(yùn)算器

組成原理實(shí)驗(yàn)課件運(yùn)算器第1頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2實(shí)驗(yàn)二：脫機(jī)運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)（2）實(shí)驗(yàn)一：監(jiān)控程序與簡(jiǎn)單匯編語言程序設(shè)計(jì)（1）實(shí)驗(yàn)三：存儲(chǔ)器擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)（1）實(shí)驗(yàn)四：微程序控制器實(shí)驗(yàn)（2）實(shí)驗(yàn)五：中斷實(shí)驗(yàn)（1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排第2頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月3實(shí)驗(yàn)考核方法《計(jì)算機(jī)組成原理》實(shí)驗(yàn)成績(jī)?yōu)?0分。實(shí)驗(yàn)成績(jī)包括：考勤課上完成實(shí)驗(yàn)情況實(shí)驗(yàn)報(bào)告綜合作業(yè)第3頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月4第一部分：實(shí)驗(yàn)須知實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)報(bào)告是實(shí)驗(yàn)后的書面總結(jié)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的整理、分析、總結(jié)，可加深對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解。實(shí)驗(yàn)守則（1）保持實(shí)驗(yàn)室的整潔。（2）嚴(yán)禁帶電接線和拆線，不要用手觸及任何帶電部分。（3）非所需實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不經(jīng)老師允許不得亂動(dòng)。（4）發(fā)生故障時(shí)，必須立即斷電，并馬上報(bào)告老師。第4頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月5第二部分：TH-union教學(xué)計(jì)算機(jī)介紹微程序控制器RESET,START按鍵

運(yùn)行功能選擇開關(guān)單步，手撥，組合邏輯，聯(lián)機(jī)8位，連續(xù)，內(nèi)存，微程序，脫機(jī)16位，兩個(gè)12位的微型開關(guān)16位的手撥輸入開關(guān)5V電源電源開關(guān)組合邏輯控制器運(yùn)算器內(nèi)存儲(chǔ)器串口電路I8~6I5~3I2~0SSTSCISSHA口B口第5頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月6選用中小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)的教學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)終端PC機(jī)微程序控制器運(yùn)算器(16位)主存儲(chǔ)器（16位）按鍵開關(guān)指示燈串行接口接口實(shí)驗(yàn)中斷實(shí)驗(yàn)內(nèi)存擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)電源+5V硬布線控制器作為最底層的輸入/輸出手段，開關(guān)手撥數(shù)據(jù)輸入，指示燈顯示輸出的操作方式還是應(yīng)該有的。對(duì)提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力也很有用處。第6頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)二：脫機(jī)運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)第三部分：實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目第7頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月8實(shí)驗(yàn)?zāi)康纳钊肓私釧M2901運(yùn)算器的功能與具體用法，掌握用AM2901完成各種運(yùn)算操作時(shí)各控制信號(hào)的使用，觀察指令執(zhí)行的結(jié)果對(duì)狀態(tài)標(biāo)志的影響；了解4片AM2901的級(jí)聯(lián)方式，深化運(yùn)算器部件的組成、設(shè)計(jì)、控制與使用等知識(shí)。實(shí)驗(yàn)說明

1、位片結(jié)構(gòu)的運(yùn)算器芯片Am2901Am2901芯片是一個(gè)4位的位片結(jié)構(gòu)的、完整的運(yùn)算器器件，作為教學(xué)內(nèi)容的實(shí)例具有很好的典型性。第8頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月9微程序控制器RESET,START按鍵

運(yùn)行功能選擇開關(guān)單步，手撥，組合邏輯，聯(lián)機(jī)，8位連續(xù)，內(nèi)存，微程序，脫機(jī)，16位兩個(gè)12位的微型開關(guān)16位的手撥輸入開關(guān)5V電源電源開關(guān)組合邏輯控制器運(yùn)算器內(nèi)存儲(chǔ)器串口電路I8~6I5~3I2~0SSTSCISSHA口B口TH-union教學(xué)計(jì)算機(jī)第9頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月

Am2901的內(nèi)部組成與功能

10第10頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月11二選一B16個(gè)A通用寄存器三選一二選一三選一三選一ALUSRB鎖存器A鎖存器乘商寄存器QCn/OEQ3Q0RAM0RAM3F輸出YF3F=0000OVRCn+4輸入DA口地址B口地址組成算邏運(yùn)算部件16個(gè)累加器乘商寄存器Q5組多路選擇門功能

8種運(yùn)算功能8種數(shù)據(jù)組合8種結(jié)果處理第11頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月12ALUSRCnFF3F=0000OVRCn+4第一個(gè)組成部分是算邏運(yùn)算部件ALU,完成3種算術(shù)運(yùn)算和5種邏輯運(yùn)算，共計(jì)8種功能。其輸出為F，兩路輸入為S、R，最低位進(jìn)位Cn，4個(gè)狀態(tài)輸出信號(hào)如圖所示符號(hào)位結(jié)果為零結(jié)果溢出進(jìn)位輸出R⊕SR⊕S8種運(yùn)算功能0000010100111001011101113位功能選擇碼R+SSRRSR?

SRSRS第12頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月13B16個(gè)A通用寄存器ALUSRB鎖存器A鎖存器CnFF3F=0000OVRCn+4A口地址B口地址第二個(gè)組成部分是通用寄存器組由16個(gè)寄存器構(gòu)成，并通過B口與A口地址選擇被讀的寄存器，B口地址還用于指定寫入寄存器通過B口地址、A口地址讀出的數(shù)據(jù)將送到B、A鎖存器，要寫入寄存器的數(shù)據(jù)由一個(gè)多路選擇器送來。（寫入）該寄存器組的寫入，只能用B地址實(shí)現(xiàn)，寫入數(shù)據(jù)是ALU的輸出經(jīng)三選一門（移位器）送到寄存器組的輸入端。移位器可執(zhí)行直送、左移一位、右移一位的操作，使加減等運(yùn)算和移位操作可在同一操作步驟中完成。第13頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月14二選一B16個(gè)A通用寄存器三選一二選一三選一三選一ALUSRB鎖存器A鎖存器乘商寄存器QCn/OEQ3Q0RAM0RAM3F輸出YF3F=0000OVRCn+4輸入DA口地址B口地址第三個(gè)組成部分是乘商寄存器Q，主要用于實(shí)現(xiàn)硬件的乘法、除法運(yùn)算。它能對(duì)自己的內(nèi)容完成左右移位功能，其輸出可以送往ALU，并可接收ALU的輸出結(jié)果。也可稱為移位器第14頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月15該芯片的第四個(gè)組成部分是5組多路數(shù)據(jù)選擇電路，通過它們，實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)上述三個(gè)組成成分之間的聯(lián)系，也實(shí)現(xiàn)該芯片和其外界信息的輸入與輸出操作。包括：二選一B16個(gè)A通用寄存器三選一二選一三選一三選一ALUSRB鎖存器A鎖存器乘商寄存器QCn/OEQ3Q0RAM0RAM3F輸出YF3F=0000OVRCn+4輸入DA口地址B口地址第15頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月16二選一B16個(gè)A通用寄存器三選一二選一三選一三選一ALUSRB鎖存器A鎖存器Q寄存器Cn/OEQ3Q0RAM0RAM3F輸出YF3F=0000OVRCn+4輸入DA口地址B口地址一組二選一門，選擇把A口數(shù)據(jù)或ALU結(jié)果送出芯片，以給出輸出Y的數(shù)據(jù)，Y輸出的有無還受輸出使能/OE信號(hào)的控制，僅當(dāng)/OE為低是才有Y輸出，/OE為高，Y輸出為高阻態(tài)。第16頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月Am2901運(yùn)行功能的控制17為了控制Am2901運(yùn)算器按我們的意圖完成預(yù)期的運(yùn)算操作功能，就必須向其提供相應(yīng)的控制信號(hào)，包括：用3組各3位的編碼，分別用于選擇ALU的運(yùn)算功能，輸入數(shù)據(jù)，結(jié)果處置方案，具體規(guī)定如表2-1、表2-2和表2-3所示。第17頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月18R⊕SR⊕S表2-1選擇8種運(yùn)算功能000001010011100101110111R+SSRRSR?

SRSRSI5I4I3運(yùn)算功能I2I1I0

RS000AQ001AB

0100Q0110B1000A101DA110DQ111D0表2-2選擇ALU的8種輸入數(shù)據(jù)組合第18頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月19表2-3選擇運(yùn)算器的8種運(yùn)算結(jié)果處置方案

000QFF001F010BFA011BFF100BF/2QQ/2F101BF/2F110B2FQ2QF111B2FF3位控制碼通用寄存器

Q寄存器Y輸出I8I7I6結(jié)果處置第19頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月20Am2901的控制信號(hào)匯總表000Q←FFR+SAQ001FS?RAB010B←FAR?S0Q011B←FFR?

S0B100B←F/2Q←Q/2FRΛS0A101B←F/2FRΛSDA110B←2FQ←2QFR⊕SDQ111B←2FFR⊕SD0BQYRS編碼

I8I7I6I5I4I3I2I1I0第20頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月212、教學(xué)計(jì)算機(jī)運(yùn)算器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

教學(xué)計(jì)算機(jī)運(yùn)算器是由4片Am2901芯片和一些配套電路組成，字長(zhǎng)16位。第21頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月22片間高速進(jìn)位用Am2902高位Am2901Am2901Am2901低位Am2901Am2902Cn+zCn+yCn+x/G/PY15~12Y11~8Y7~4Y3~0D15~12D11~8D7~4D3~0OVERF=0F15CyCinCPRAM15Q15RAM0Q0A口B口I8~6I5~3I2~0VccR第22頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月23Am2901完成功能需要的控制信號(hào)數(shù)據(jù)組合（I2I1I0

）功能代碼（I5I4I3

）結(jié)果處理（I8I7I6

）A口地址B口地址最低位進(jìn)位控制信號(hào)（SCI）移位控制信號(hào)（SSH）狀態(tài)寄存器接收信號(hào)（SST）

有一些功能（數(shù)據(jù)）取決于如何使用Am2901，與指令和指令的執(zhí)行步驟有關(guān)，必須用另外的線路來處理的，包括：第23頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月24需要在Am2901芯片外部處理的邏輯功能：最低位進(jìn)位控制信號(hào)（SCI）移位控制信號(hào)（SSH）狀態(tài)寄存器接收信號(hào)（SST）第24頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2516位的運(yùn)算器需要正確給出芯片的最低位的進(jìn)位輸入信號(hào)Cin，選用3位的控制碼SCI確定。CyF=0OVRF15RAM15Q15RAM0Q0

最低位進(jìn)位GAL3SCI01CY15~0D15~0B口A口I8~I0Cin第25頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月26表2-4:第26頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月27關(guān)于左右移位操作過程中的最高位、最低位移位輸入信號(hào)的處理，選用3位的控制碼SSH確定。

16位的運(yùn)算器右移輸入信號(hào)GAL3左移輸入信號(hào)GAL3CyF=0OVRF15SSHSSH右移控制左移控制RAM15Q15RAM0Q00CQ15/F150CCyF0Y15~0D15~0B口A口I8~I0Cin第27頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月28第28頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月29C通用寄存器通用寄存器C00RCLRCRSHRSHLRAM15RAM0RAM0RAM15第29頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月300,1,RAM0Q0,RAM1516位的運(yùn)算器4個(gè)標(biāo)志位的值的接收與記憶電路

（即運(yùn)算器的狀態(tài)寄存器）

四位標(biāo)志位GAL1CZVSCyF=0OVF15來自內(nèi)部總線IBRAM15Q15RAM0Q0Y15~0D15~0B口A口I8~I0CinSST第30頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月314個(gè)標(biāo)志位信號(hào)的變化有8種不同情況，使用3

位的編碼SST來區(qū)分。

用3位碼控制有8種方案

SSTCZVS說明000CZVS標(biāo)志位值保持不變001CyZROVF15接受ALU狀態(tài)輸出010IB7IB6IB5IB4接收內(nèi)部總線輸出0110ZVSCLC置“0”C1001ZVSSTC置“1”C101RAM0ZVS右移操作110RAM15ZVS左移操作111Q0ZVS聯(lián)合右移第31頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月32

教學(xué)機(jī)運(yùn)算器控制信號(hào)匯總數(shù)據(jù)組合（I2I1I0

） 3位功能代碼（I5I4I3

） 3位結(jié)果處理（I8I7I6

） 3位A口地址 4位B口地址 4位狀態(tài)寄存器接收信號(hào)（SST） 3位移位控制信號(hào)（SSH）和最低位進(jìn)位控制信號(hào)（SCI） 3位23位第32頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月330,1,RAM0Q0,RAM1516位的運(yùn)算器16位運(yùn)算器的完整組成

四位標(biāo)志位GAL1右移輸入信號(hào)GAL3

SST左移輸入信號(hào)GAL3

最低位進(jìn)位GAL3CZVSCyF=0OVRF15來自內(nèi)部總線IBSSHSSHSCI右移控制左移控制RAM15Q15RAM0Q00CQ15/F150CCyF001CY15~0D15~0B口A口I8~I0Cin第33頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月343、運(yùn)算器脫機(jī)方式實(shí)驗(yàn)

脫機(jī)運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)，是指讓運(yùn)算器從教學(xué)計(jì)算機(jī)中脫離出來，此時(shí)，它的全部控制于操作均需通過兩個(gè)12位的微型開關(guān)來完成，這就談不上執(zhí)行指令，只能通過開關(guān)、按鍵控制教學(xué)機(jī)的運(yùn)算器完成指定的運(yùn)算功能，并通過指示燈觀察運(yùn)算結(jié)果。其實(shí)這就是把計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器部件從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中孤立出來，用手工方式操作其運(yùn)行過程，這不會(huì)涉及計(jì)算機(jī)的其他功能部件，事情變得更單純簡(jiǎn)單，更容易理解，學(xué)懂這一部分內(nèi)容之后，很容易與通過計(jì)算機(jī)的控制器控制運(yùn)算器運(yùn)行的具體實(shí)現(xiàn)方案聯(lián)系起來，更有利于把復(fù)雜的事情簡(jiǎn)單化。第34頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月350110001110010000

0000

0000微型開關(guān)與控制信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系B←FR+SD0RS接受ALU狀態(tài)輸出兩個(gè)12位微型開關(guān)的具體控制功能分配如下：I8-I0：選擇操作數(shù)來源、運(yùn)算操作功能、選擇操作數(shù)處理結(jié)果和運(yùn)算器輸出內(nèi)容的3組3位的控制碼；SCI、SSH和SST：用于確定運(yùn)算器最低位的進(jìn)位輸入、移位信號(hào)的入/出和怎樣處理AM2901產(chǎn)生的狀態(tài)標(biāo)志位的結(jié)果。A口、B口地址：送給AM2901器件用于選擇源與目的操作數(shù)的寄存器編號(hào)。第35頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月36RESET,START按鍵運(yùn)行功能選擇開關(guān)單步，手播，組合邏輯，聯(lián)機(jī)，8位連續(xù)，內(nèi)存，微程序，脫機(jī)，16位兩個(gè)12位的微型開關(guān)16位的手撥輸入開關(guān)DC2,DC1AR低8位控制運(yùn)算器的24位信號(hào)節(jié)拍指示燈IR高8位CZVS狀態(tài)位內(nèi)存儲(chǔ)器DB低8位DB高8位Y低8位Y高8位AR高8位IR低8位MIOREQWE運(yùn)算器的狀態(tài)位I8~6I5~3I2~0SSTSSHSCIB口A口第36頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月37操作步驟運(yùn)算I8-I0A口地址B口地址SCiSSH壓START前壓START后Y輸出CZVSY輸出CZVS11234h->R0011000

111不用000000001234h隨機(jī)22345h->R1011000

111不用00010000

3R0+R1->R0011000

0010001000000004R0-R1->R05R1->R96R0/2->R07R9->Q8R0*2->R09R0∨R1->R110R0∧R1->R111R0⊕R1->R012/(R0⊕R1）->R013R0|Q->(R0+R9+C)|Q(聯(lián)合右移)14R1+1->R1運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)控制信號(hào)與結(jié)果

填寫控制信號(hào)的依據(jù)是根據(jù)要完成的功能，通過查簡(jiǎn)明操作卡上給出的信息來確定，不算難但要求不能錯(cuò)，實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單但很重要。

功能：把16進(jìn)制的補(bǔ)碼數(shù)1234傳送到累加器R0中。

實(shí)現(xiàn)：教學(xué)機(jī)的功能開關(guān)撥到單步、微程序輯控制器、16位機(jī)、脫機(jī)實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)1234通過數(shù)據(jù)開關(guān)撥入，24位控制信號(hào)通過紅色微型開關(guān)撥入，運(yùn)行結(jié)果看指示燈。執(zhí)行方案，D+0→R0，I2~I0選111,I5~I3選000，I8~I6選011，B口選0000，A口隨意，填0000，最低位進(jìn)位選0，無移位。第37頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月38脫機(jī)運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟：第38頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月39

運(yùn)算I8-I0SSTSSHSCIB口A口壓START前壓START后ALU輸出CZVSALU輸出CZVS*D1+0->R00110001110010000000不用0101隨機(jī)01010000*D2+0->R10110001110010000001不用1010000010100000R0+R1->R001100000100100000000001RO-R1->R001100100100100100000001R1-R0->R101100100100100100010000R0∨R1->R1R0∧R1->R0R0≮R1->R0┘(R0≮R1)->R02*R0->R0R0/2->R0

注：1、用*標(biāo)記的運(yùn)算，表示D1、D2的數(shù)據(jù)是由撥動(dòng)開關(guān)SW給出的，開關(guān)給的是二進(jìn)制的信號(hào)，注意二進(jìn)制和十六進(jìn)制間的轉(zhuǎn)換。運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)（1）2、一定要按順序執(zhí)行！第39頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月40注：用*標(biāo)記的運(yùn)算，表示D1、D2的數(shù)據(jù)是由撥動(dòng)開關(guān)SW給出的，開關(guān)給的是二進(jìn)制的信號(hào)，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(jì)算結(jié)果，參照ALU的操作周期的時(shí)序可知A、B口數(shù)據(jù)鎖存是在時(shí)鐘的下降沿，通用寄存器的接收是在低電平，所以要想寄存器接收ALU的計(jì)算結(jié)果必須按一次“START”按鍵。在進(jìn)行運(yùn)算器脫機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)，若通過指示燈檢查運(yùn)算器的每次運(yùn)算結(jié)果，得到運(yùn)算結(jié)果是在按STEP鍵之前，而得到狀態(tài)寄存器中存入的狀態(tài)標(biāo)志結(jié)果是在按STEP鍵之后。第40頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月41實(shí)驗(yàn)要求：1、實(shí)驗(yàn)之前認(rèn)真預(yù)習(xí)，根據(jù)所學(xué)理論知識(shí)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)過程中所用數(shù)據(jù)和運(yùn)行結(jié)果，否則實(shí)驗(yàn)效率會(huì)很低；2、實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中，要認(rèn)真仔細(xì)的操作，防止損壞設(shè)備，分析可能遇到的各種現(xiàn)象，判斷結(jié)果是否正確，記錄運(yùn)行結(jié)果；3、實(shí)驗(yàn)之后，認(rèn)真寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，要求要有主要的實(shí)驗(yàn)步驟，填寫實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合所學(xué)理論分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還要有對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)遇到的各種現(xiàn)象