计算机系统综合设计 实验二 运算器

一、实验目的

1、熟悉 74LS181 函数功能发生器，提高应用器件在系统中应用的能力。
2、熟悉运算器的数据传送通路。
3、完成几种算术逻辑运算操作，加深对运算器工作原理的理解。

二、实验原理

1、四位函数功能发生器（ALU）74LS181 的功能
74LS181 通过“控制参数”S3～S0 和“模式控制”M，可对两个输入操作数完成 32 种算 术逻辑运算，并可以工作于正逻辑输入输出或负逻辑输入输出方式(本实验为正逻辑方式)。 控制端 M＝0 时，属算术运算；M=1 时，属逻辑运算。进位采用反码形式输入输出，电路亦 可进行数的比较运算。其操作功能可查阅附录。
2、运算器数据通路实验方案
运算器是计算机对数据进行运算的重要部件，它的核心是 AlU 函数功能发生器，其次还 要有存放操作数和运算中间结果的寄存器、移位门、传送数据的总线等部件，在不同的控制 信号下，运算器完成不同的运算功能。运算器（ALU）数据通路如图 2-1 示。
在图 2-1，SA、SB 为存放两个现行操作数的缓冲寄存器。其中 SA 兼作存放中间结果的累加器，它的输出接 LED 灯用于显示。它们仅接收来自总线的数据信息，送入 ALU 进行算逻 运算。ALU 输出经移位门，将运算结果送入总线。移位门挂总线是发送源，需用三态门作隔 离器。可采用 74LS244 兼作移位门和隔离器。
要实现移位功能需在 ALU 和 BUS 之间接入一排移位控制门。右移时，其末位进入 C(进位位)，首位补 0。移位数据通路如图 2-2 示。
左移指令利用 ALU“A+A”指令模式来完成，这个左移 8 位三态门可以省去。
3、运算器数据通路电路图
通过以上分析，整个数据通路在 ALU 与 BUS 之间除原有直送隔离门外，还需要添加一个 右移控制门。在总线上挂上开关、程序计数器和输出显示。
在计算机运算过程中，经常要根据运算结果和进位输出来决定程序的流程，可从 ALU8的 A=B 和 C n+4 端输出判断信息，分别打入进位位 C 和结果 Z 触发器。
实验中，为减少开关占用量，可在总线上挂一个指令寄存器，存放 ALU 的控制信息 S3～S0，M、Cn。
运算器通路如下：

ALU通路如下：

三、实验器材

1、计算机组成原理实验系统 1 台
实验使用的部件：
●运算器（ALU）模块
●控制器模块（CU）中的 74LS273(IR)，74LS244
●数据输入开关 D7-D0
●控制开关 K7、K6、K5、K0
●A3、A2、A1 按键。
2、5V 稳压电源一个
3、插接导线 15 根

四、实验步骤

1、将 5V 电源输出插头接到实验系统的插座，（这时，板子上电源开关应在关位置）。
2、将 5V 电源插到 220V 交流电源插座。
3、实验接线 ：实验所使用的各个模块、开关、按键等接线孔。共需接线 14 根，所需接线孔 28 个。

五、实验内容

1、加法实验
以两个数的加法为例，实现(SA)+(SB)→(SA)。因为是单总线结构，同一时间只能有一 种信息进入总线，所以首先用 K7、K6、K5 把两个传输门 74LS244 的控制端置“1”，K0置“0”，所有传输门的输出为不定态，使总线悬空。此时总线 BUS 灯为：1111 1111。
（1）打开实验板上的电源开关
（2）置运算指令
1）100110 D7~D2 ；用 D7-D0 置加法指令
2）按A3 ；0→µpc非，74LS273(IR)清零
3）0K7 ；Switch→Bus非 置低电平，打开三态门 74LS244（1），加法指令 进入总线，BUS 灯显示 10010100
4) 1K0，0K0 ；Lod IR 端置高电平，总线上的加法指令打入 74LS273(IR)输出端。微地址灯显示 x10 01xxxxxx，A9-A6 显示指令高四位。
5）1K7 ；Switch→Bus非 置高电平，关三态门 74LS244。BUS 灯显示 1111 1111
（3）置数据 1
1）DATA1D7~D0 ；置数据 1：00010010
2）0 K7 ；Switch→Bus非 置低电平，打开三态门 74LS244（1），数据 1 进入总线。BUS 灯显示 00010010
3）按开关 A1 ；74LS273(SA)的 ck 端置上升沿，将数据 1 打入暂存器 SA。SA灯显示 00010010

4）1K7 ；Switch→Bus非 置高电平，关三态门 74LS244（1）。BUS 灯显示 1111 1111
（4）置数据 2
1）DATA2D7~D0 ；置数数据 2： 00100101
2）0 K7 ；Switch→Bus非 置低电平，打开三态门 74LS244，数据 2 进入总线。BUS 灯显示 00100101
4）按开关 A2 ；74LS273(SB)的 ck 端置上升沿，将数据 2 打入暂存器 SB。SB灯显示 00100101

5）1K7 ；Switch→Bus非 置高电平，关三态门 74LS244。BUS 灯显示 1111 1111
经过步骤（1）~（4），ALU 实现加法运算，结果放在 74LS244(L)的输入端。
（5）运算结果送输出
1）0K6 ；K5 置低电平，打开移位门 74LS244(L)，运算结果送入总线。BUS 灯显示 00110111
按开关 A1 ；74LS273(SA)的 ck 端置上升沿，将数据 1 打入暂存器 SA。SA输出端的 LED 灯显示运算结果。SA 灯显示结果 00110111。

2、减法实验
以两个数的减法为例，实现(SA)-(SB)→(SA)。因为是单总线结构，同一时间只能有一 种信息进入总线，所以首先用 K7、K6、K5 把两个传输门 74LS244 的控制端置“1”，K0置“0”，所有传输门的输出为不定态，使总线悬空。此时总线 BUS 灯为：1111 1111。
（1）打开实验板上的电源开关
（2）置运算指令
1）011000 D7~D2 ；用 D7-D0 置减法指令
2）按A3 ；0→µpc非，74LS273(IR)清零
3）0K7 ；Switch→Bus非 置低电平，打开三态门 74LS244（1），加法指令 进入总线，BUS 灯显示 01100000
4) 1K0，0K0 ；Lod IR 端置高电平，总线上的加法指令打入 74LS273(IR)输出端。微地址灯显示 x01 10xxxxxx，A9-A6 显示指令高四位。
5）1K7 ；Switch→Bus非 置高电平，关三态门 74LS244。BUS 灯显示 1111 1111
（3）置数据 1
1）DATA1D7~D0 ；置数据 1：00000011
2）0 K7 ；Switch→Bus非 置低电平，打开三态门 74LS244（1），数据 1 进入总线。BUS 灯显示 00000011
3）按开关 A1 ；74LS273(SA)的 ck 端置上升沿，将数据 1 打入暂存器 SA。SA灯显示 00000011

4）1K7 ；Switch→Bus非 置高电平，关三态门 74LS244（1）。BUS 灯显示 1111 1111
（4）置数据 2
1）DATA2D7~D0 ；置数数据 2： 00000001
2）0 K7 ；Switch→Bus非 置低电平，打开三态门 74LS244，数据 2 进入总线。BUS 灯显示 00000001
4）按开关 A2 ；74LS273(SB)的 ck 端置上升沿，将数据 2 打入暂存器 SB。SB灯显示 00000001

5）1K7 ；Switch→Bus非 置高电平，关三态门 74LS244。BUS 灯显示 1111 1111
经过步骤（1）~（4），ALU 实现减法运算，结果放在 74LS244(L)的输入端。
（5）运算结果送输出
1）0K6 ；K5 置低电平，打开移位门 74LS244(L)，运算结果送入总线。BUS 灯显示 00000010
2）按开关 A1 ；74LS273(SA)的 ck 端置上升沿，将数据 1 打入暂存器 SA。SA输出端的 LED 灯显示运算结果。SA 灯显示结果 00000010。

3、逻辑与实验
以两个数的逻辑与为例，实现(SA)与(SB)→(SA)。因为是单总线结构，同一时间只能有一 种信息进入总线，所以首先用 K7、K6、K5 把两个传输门 74LS244 的控制端置“1”，K0置“0”，所有传输门的输出为不定态，使总线悬空。此时总线 BUS 灯为：1111 1111。
（1）打开实验板上的电源开关
（2）置运算指令
1）101101 D7~D2 ；用 D7-D0 置减法指令
2）按A3 ；0→µpc非，74LS273(IR)清零
3）0K7 ；Switch→Bus非 置低电平，打开三态门 74LS244（1），加法指令 进入总线，BUS 灯显示 10110100
4) 1K0，0K0 ；Lod IR 端置高电平，总线上的加法指令打入 74LS273(IR)输出端。微地址灯显示 x10 11xxxxxx，A9-A6 显示指令高四位。
5）1K7 ；Switch→Bus非 置高电平，关三态门 74LS244。BUS 灯显示 1111 1111
（3）置数据 1
1）DATA1D7~D0 ；置数据 1：10110011
2）0 K7 ；Switch→Bus非 置低电平，打开三态门 74LS244（1），数据 1 进入总线。BUS 灯显示 10110011
5）按开关 A1 ；74LS273(SA)的 ck 端置上升沿，将数据 1 打入暂存器 SA。SA灯显示 10110011

4）1K7 ；Switch→Bus非 置高电平，关三态门 74LS244（1）。BUS 灯显示 1111 1111
（4）置数据 2
1）DATA2D7~D0 ；置数数据 2： 01011101
2）0 K7 ；Switch→Bus非 置低电平，打开三态门 74LS244，数据 2 进入总线。BUS 灯显示 01011101
6）按开关 A2 ；74LS273(SB)的 ck 端置上升沿，将数据 2 打入暂存器 SB。SB灯显示 01011101

5）1K7 ；Switch→Bus非 置高电平，关三态门 74LS244。BUS 灯显示 1111 1111
经过步骤（1）~（4），ALU 实现逻辑与运算，结果放在 74LS244(L)的输入端。
（5）运算结果送输出
1）0K6 ；K5 置低电平，打开移位门 74LS244(L)，运算结果送入总线。BUS 灯显示 00010001
2）按开关 A1 ；74LS273(SA)的 ck 端置上升沿，将数据 1 打入暂存器 SA。SA输出端的 LED 灯显示运算结果。SA 灯显示结果 00010001。

4、取反实验
以一个数的取反为例，实现(SB)取反→(SA)。因为是单总线结构，同一时间只能有一 种信息进入总线，所以首先用 K7、K6、K5 把两个传输门 74LS244 的控制端置“1”，K0置“0”，所有传输门的输出为不定态，使总线悬空。此时总线 BUS 灯为：1111 1111。
（1）打开实验板上的电源开关
（2）置运算指令
1）010101 D7~D2 ；用 D7-D0 置减法指令
2）按A3 ；0→µpc非，74LS273(IR)清零
3）0K7 ；Switch→Bus非 置低电平，打开三态门 74LS244（1），加法指令 进入总线，BUS 灯显示 10110100
4) 1K0，0K0 ；Lod IR 端置高电平，总线上的加法指令打入 74LS273(IR)输出端。微地址灯显示 x10 11xxxxxx，A9-A6 显示指令高四位。
5）1K7 ；Switch→Bus非 置高电平，关三态门 74LS244。BUS 灯显示 1111 1111
（3）置数据 1
1）DATA2D7~D0 ；置数数据 2： 01010101
2）0 K7 ；Switch→Bus非 置低电平，打开三态门 74LS244，数据 2 进入总线。BUS 灯显示 01010101
7）按开关 A2 ；74LS273(SB)的 ck 端置上升沿，将数据 2 打入暂存器 SB。SB灯显示 01010101

5）1K7 ；Switch→Bus非 置高电平，关三态门 74LS244。BUS 灯显示 1111 1111
经过步骤（1）~（4），ALU 实现逻辑与运算，结果放在 74LS244(L)的输入端。
（5）运算结果送输出
1）0K6 ；K5 置低电平，打开移位门 74LS244(L)，运算结果送入总线。BUS 灯显示 10101010
2）按开关 A1 ；74LS273(SA)的 ck 端置上升沿，将数据 1 打入暂存器 SA。SA输出端的 LED 灯显示运算结果。SA 灯显示结果 10101010。