3章-数据表示算法和线路-3.ppt

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1、计算机计算机计算机计算机组成原理组成原理组成原理组成原理20112011201120112012201220122012学年学年学年学年 第第第第1 1 1 1学期学期学期学期内蒙古民族大学内蒙古民族大学内蒙古民族大学内蒙古民族大学 计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院计算机科学与技术学院计算机硬件教研室计算机硬件教研室计算机硬件教研室计算机硬件教研室 杜连山杜连山杜连山杜连山1 1、运算器在整机中的地位。、运算器在整机中的地位。2 2、运算器部件的功能、组成。、运算器部件的功能、组成。3 3、位片结构的运算器芯片：、位片结构的运算器芯片：Am-2901Am-2901。

2、4 4、教学计算机运算器的设计。、教学计算机运算器的设计。1.1.运算器在整机中的地位运算器在整机中的地位 控制器控制器 运算器运算器 存储器存储器输出设备输出设备输入设备输入设备计算机硬件系统的组成包括计算机硬件系统的组成包括:又称为五大功能部件又称为五大功能部件控制器控制器 控制与计算机相控制与计算机相连的所有部件协连的所有部件协调运行。调运行。计算机的计算机的三总线结构三总线结构包括：包括：控制总线、地控制总线、地址总线和数据总线。址总线和数据总线。运算器：运算器：完成算数运算和完成算数运算和逻辑运算逻辑运算运算器主要承担数据的运算和处理。运算器主要承担数据的运算和处理。运算器主要承担数

3、据的运算和处理。运算器主要承担数据的运算和处理。(5)(5)、具有具有接收外部数据接收外部数据和和输出运算结果输出运算结果的的逻辑电路逻辑电路。2 2、运算器部件的功能和组成、运算器部件的功能和组成(1)(1)、完成完成算数算数和和逻辑逻辑运算，由运算，由ALUALU承担。能够给出承担。能够给出 运算结果和特征，存入相应触发器中。运算结果和特征，存入相应触发器中。(2)(2)、参加运算的数据和中间结果参加运算的数据和中间结果暂存暂存于运算器的于运算器的通通 用寄存器用寄存器中。中。(3)(3)、能够能够自行移位自行移位的专用的专用乘商寄存器乘商寄存器，程序员不能，程序员不能 访问。访问。(4)

4、(4)、用用多路选择器多路选择器实现电路的相互连接，完成实现电路的相互连接，完成数据数据 传送。传送。完成完成3 3种算数运算种算数运算和和5 5种逻种逻辑运算辑运算。由。由ALUALU来承担，其来承担，其中的主要部件是具有中的主要部件是具有超前进超前进位位功能的功能的并行加法器并行加法器。由触发器构成。包括乘由触发器构成。包括乘商寄存器，通用寄存器，商寄存器，通用寄存器，锁存器，计数器等。锁存器，计数器等。运算器用到数据运算器用到数据由这里输入，存由这里输入，存储在寄存器中。储在寄存器中。由控制器送来的由控制器送来的控制信号。教学控制信号。教学计算机运算器用计算机运算器用到到2424位的命令

5、码。位的命令码。一个运算周期的执行流程：一个运算周期的执行流程：1 1、把需要运算的数据输入到通用、把需要运算的数据输入到通用 寄存器中。寄存器中。2 2、控制器把控制命令传给运算、控制器把控制命令传给运算 器，运算开始。器，运算开始。3 3、根据控制器的控制命令，运算、根据控制器的控制命令，运算 器把数据送到加法器中。器把数据送到加法器中。4 4、运算器的加法器执行运算。这、运算器的加法器执行运算。这 是运算器的主要工作时间。是运算器的主要工作时间。5 5、加法器将运算结果输出到通用、加法器将运算结果输出到通用 寄存器。寄存器。6 6、通用寄存器接收运算结果。、通用寄存器接收运算结果。(3)

6、.(3).能够能够接收接收外部送来的外部送来的指令指令和和数数 据据，能够，能够输出输出运算结果。运算结果。与控制器相关的几个问题：与控制器相关的几个问题：(1).(1).明确参加运算的明确参加运算的数据数据来源来源，运，运 算结果的算结果的去向去向。(2).(2).明确运算明确运算功能功能。3 3、位片结构的运算器芯片：、位片结构的运算器芯片：Am-2901 Am 2901Am 2901芯片是一个芯片是一个4 4位的位片位的位片结构的运算结构的运算器芯片，是器芯片，是一个完整的一个完整的运算器，只运算器，只是位数较少，是位数较少，具有很好的具有很好的典型性，作典型性，作为教学实例为教学实例是

7、非常理想是非常理想的。的。Am2901Am2901集成电路芯片引脚图集成电路芯片引脚图Am2901Am2901芯片内部结构图芯片内部结构图Am2901Am2901运算器由运算器由5 5个个部分组成：部分组成：数据选择器：数据选择器：有有5 5个个,用来选择不用来选择不同的数据，实同的数据，实现电路的相互现电路的相互连接，完成连接，完成数数据传送。据传送。算数与逻辑运算单元：算数与逻辑运算单元：完成完成3 3种种算数运算和算数运算和5 5种种逻辑运算逻辑运算。数据锁存器：数据锁存器：将数据暂存于此，在将数据暂存于此，在未接到指令前不再接未接到指令前不再接收通存的数据。收通存的数据。通用寄存器：通

8、用寄存器：由由1616个个4 4位的寄存器组位的寄存器组成，成，R0R0专用来与专用来与I/OI/O口口交换数据；交换数据；R4R4用做堆栈；用做堆栈；R5R5用做程序计数器。用做程序计数器。乘商寄存器：乘商寄存器：能够能够自行移位自行移位的专的专用用寄存器寄存器，程序员，程序员不能访问。不能访问。在做乘法和除法时用到。在做乘法和除法时用到。通存与通存与Q存会联合移位。存会联合移位。Am2901Am2901芯片内部结构图芯片内部结构图 由控制器来由控制器来的的9 9位控制码。位控制码。8 8种运算方式选择码种运算方式选择码:数据来源选择码数据来源选择码:运算结果选择码运算结果选择码:Am290

9、1Am2901芯片内部结构图芯片内部结构图运算器的输出：运算器的输出：ALU ALU 的输出：的输出：最低位的进最低位的进位输入位输入外部数据输入外部数据输入4位位的地址信号用的地址信号用来选择来选择16个个通用寄通用寄存器中的一个。存器中的一个。如：如：A=0011，R3关于状态标志位：关于状态标志位：由由3 3位位SSTSST选择码来控制选择码来控制关于最低位的进位信号：关于最低位的进位信号：由由2 2位位SCISCI选择码来控制选择码来控制最低、最高位的移位输入选择码：最低、最高位的移位输入选择码：由由2 2位的位的SSHSSH来控制来控制运算举例：运算举例：运算举例：运算举例：Am29

10、01Am2901的控制与操作：的控制与操作：（1 1）、控制信号：）、控制信号：ALU的的8种运算选择：种运算选择：选择码为：选择码为：I5、I4、I3 功能见下表：功能见下表：ALU的的2个数据来源选择：个数据来源选择：选择码为：选择码为：I2、I1、I0 功能见下表：功能见下表：运算结果处理选择码：运算结果处理选择码：I8、I7、I6 。功能见下表：。功能见下表：（2 2）、外部的数据：）、外部的数据：a a、通过通过 D D 端接受外部送来的数据。端接受外部送来的数据。b b、CnCn 最低位的进位信号，由另外的电路解决。最低位的进位信号，由另外的电路解决。c c、RAMRAM3 3、R

11、AMRAM0 0 、Q Q3 3、Q Q0 0，移位控制由，移位控制由I I8 8 I I0 0来控制。来控制。d d、C C、Z Z、V V、S S 4 4个标志位，由标志寄存器保存。个标志位，由标志寄存器保存。e e、R R0 0、R R1 1、R R2 2 、R R3 3、R R4 4、R R5 5 R R1515，1616个通用寄存个通用寄存器，由器，由 4 4位的地址控制。由位的地址控制。由Am2901Am2901之外的电路送来。之外的电路送来。A A地址选中地址选中A A端端 口，口，B B地址选中地址选中B B端口，端口，A A、B B地址同时选中同一寄存器，输出地址同时选中同一

12、寄存器，输出 同一内容。同一内容。f f、通用寄存器通用寄存器写操作写操作时，结果写入由时，结果写入由B B地址选中的寄存器。地址选中的寄存器。g g、Am2901 Am2901 的输出的输出Y Y由由F F 或或 A A 锁存器输出。锁存器输出。（3 3）、芯片线路的几点说明：）、芯片线路的几点说明：a a、/OE/OE 输出输出Y Y允许控制，当允许控制，当 /OE/OE =0=0时，时，Y Y值输出。值输出。b b、标志位标志位 F=0000F=0000 为集电极开路门输出。为集电极开路门输出。c、RAM3、RAM0、Q3、Q0 为双向三态逻辑。为双向三态逻辑。d、通用寄存器与通用寄存器

13、与ALUALU之间有数据锁存器支持，保证结之间有数据锁存器支持，保证结 果处理的准确性。果处理的准确性。e、芯片具有超前进位输出信号芯片具有超前进位输出信号G、P，可实现多芯片并联。，可实现多芯片并联。4 4、教学计算机的运算器设计、教学计算机的运算器设计教学计算机的运算器的组成与设计教学计算机的运算器的组成与设计字长字长1616(8)(8)位，用位，用4 4(2)(2)片片4 4位的位的Am2901Am2901组成。组成。(一一).).要掌握要掌握Am2901Am2901芯片的内部组成和实现的功能。芯片的内部组成和实现的功能。(二二).).4 4(2)(2)片片Am2901Am2901怎样连

14、接成为怎样连接成为1616(8)(8)位的运算器。位的运算器。(三三).).怎样解决运算器实用中的几个问题：怎样解决运算器实用中的几个问题：(1)(1)如何给出如何给出 Am2901Am2901最低位的进位输入信号。最低位的进位输入信号。(2)(2)如何处理运算结果的标志位。如何处理运算结果的标志位。(3)(3)如何处理移位指令、置如何处理移位指令、置11和清和清00触发器的触发器的指令。指令。(4)(4)如何支持硬件乘法、除法指令。如何支持硬件乘法、除法指令。重点重点是前是前 2 2 项内容和第项内容和第 3 3 项中的项中的 (1)(2)(1)(2)。教学计算机运算器的控制和使用（包括教学

15、实验）。教学计算机运算器的控制和使用（包括教学实验）。教学计算机外观图教学计算机外观图:教学计算机的内部结构图教学计算机的内部结构图Y3Y0D3D0RAM3Q3RAM0Q0CPOECinCyF=0OverF3Am2901A3A0 B3B0I8I6 I5I3 I2I0返回返回输入输出信号及引脚输入输出信号及引脚Y30D30CinRAM0Q0高位高位Am2901Y74D74OVERF=0F7CyCPRAM7Q7A口口B口口I86I53I208 8 位的运算器部件位的运算器部件2 2 片片Am2901Am2901之间的连接之间的连接低位低位Am2901VccR返回返回Am2901Y118Y30D11

16、8D74D30CinRAM0Q0Y74高位高位Am2901Y1512D1512OVERF=0F15CyCPRAM15Q15A口口B口口I86I53I204 4 片片Am2901Am2901之间的连接之间的连接Am2901Am2901VccR返回返回片间高速进位用片间高速进位用 Am2902Am2902高位高位Am2901Am2901Am2901低位低位Am2901 Am2902 Cn+z Cn+y Cn+x /G /P+5VY1512Y118Y74Y30D1512D118D74D30OVERF=0F15CyCinCPRAM15Q15RAM0Q0A口口B口口I86I53I20返回返回16(8)1

17、6(8)位机位机 运算器运算器 入出信号及引脚入出信号及引脚Y15（7）Y0D15（7）D0RAM15（7）Q15（7）RAM0Q0CPOECinCyF=0OverF15(7)运运 算算 器器 部部 件件A3A0 B3B0I8I6 I5I3 I2I0返回返回 16位的位的 运算器运算器8 8 位运算器最低位进位输入信号位运算器最低位进位输入信号CinCin 最最低低位位进进位位 GAL3CyF=0OVRF7SCiRAM7Q7RAM0Q001CC0或或方波方波Y70D70B口口A口口 I8I0Cin返回返回 16位的位的 运算器运算器16 位运算器最低位进位输入信号位运算器最低位进位输入信号Ci

18、n 最最低低位位进进位位 GAL3CyF=0OVRF15SCi运算功能码运算功能码RAM15Q15RAM0Q001C/C方波方波Y150D150B口口A口口 I8I0Cin（TEC-2机）机）返回返回最低位进位输入选择码最低位进位输入选择码:SCi0,1,RAM0Q0,RAM15 16位的位的 运算器运算器16 位运算器的状态寄存器位运算器的状态寄存器 四四位位标标志志位位GAL1 SSTCZVSCyF=0OVF15来自内部总线来自内部总线 IBRAM15Q15RAM0Q0Y150D150B口口A口口 I8I0Cin返回返回ALUALU的状态标志位选择码的状态标志位选择码:SSTSST 16位

19、的位的 运算器运算器16 位运算器的最高位、最低位移位输入信号位运算器的最高位、最低位移位输入信号右右移移输输入入信信号号GAL3 左左移移输输入入信信号号GAL3CyF=0OVRF15SSHSSH右移控制右移控制左移控制左移控制RAM15Q15RAM0Q00CQ15/F150CCyRAM0Y150D150B口口A口口 I8I0Cin返回返回最高位、最低位的移位输入选择码最高位、最低位的移位输入选择码:SSHSSH0,1,RAM0Q0,RAM7 8 位的位的 运算器运算器TEC-2000 8 位运算器的完整组成位运算器的完整组成 四四位位标标志志位位GAL1右右移移输输入入信信号号GAL3 S

20、ST左左移移输输入入信信号号GAL3 最最低低位位进进位位 GAL3CZVSCyF=0OVRF7来自内部总线来自内部总线 IBSSHSSHSCi右移控制右移控制左移控制左移控制RAM7Q7RAM0Q00CQ7/F70CCyRAM001CC0Y70D70B口口A口口 I8I0Cin返回返回0,1,RAM0Q0,RAM15 16位的位的 运算器运算器16 位机的运算器的完整组成位机的运算器的完整组成 四四位位标标志志位位GAL1右右移移输输入入信信号号GAL3 SST左左移移输输入入信信号号GAL3 最最低低位位进进位位 GAL3CZVSCyF=0OVRF15来自内部总线来自内部总线 IBSSHS

21、SHSCi运算功能码运算功能码右移控制右移控制左移控制左移控制RAM15Q15RAM0Q00CQ15/F150CCyRAM001C/C方波方波Y150D150B口口A口口 I8I0Cin返回返回实验一实验一脱机的运算器实验脱机的运算器实验0,1,RAM0Q0,RAM15 16位的位的 运算器运算器完整完整 16 位运算器的脱机实验位运算器的脱机实验 四四位位标标志志位位GAL1右右移移输输入入信信号号GAL3 SST左左移移输输入入信信号号GAL3 最最低低位位进进位位 GAL3CZVSCyF=0OVRF15来自内部总线来自内部总线 IBSSHSSHSCi运算功能码运算功能码右移控制右移控制左

22、移控制左移控制RAM15Q15RAM0Q00CQ15/F150CCyRAM001C/C方波方波Y150D150B口口A口口 I8I0返回返回16位运算器脱机实验位运算器脱机实验Y15Y0 (用用16个指示灯显示结果个指示灯显示结果)D15D0RAM15Q15RAM0Q0CinCyF=0OverF15运运 算算 器器 部部 件件A30B30I86(用用16个开关提供输入数据个开关提供输入数据)CZVSSSHSSTSCiI53 I20A口口 B口口 SCi SSHI86 I53 I20 SST通过通过24位微型开关位微型开关提供控制信号提供控制信号用用四四个个指指示示灯灯显显示示状状态态返回返回实

23、验目的实验目的 深入了解深入了解AM2901AM2901运算器的功能与具体用法，运算器的功能与具体用法，了解了解4 4片片 AM2901 AM2901 的级连方式，深化运算器部件的级连方式，深化运算器部件 的组成、设计、控制与使用等诸项知识。的组成、设计、控制与使用等诸项知识。实验内容：实验内容：1 1、在脱机状态下，由数据开关输入数据在脱机状态下，由数据开关输入数据D1D1和和D2D2。2 2、通过通过2424位的微型开关输入命令码，按照下表，位的微型开关输入命令码，按照下表，每一行是一个操作命令，完成一种特定操作。每一行是一个操作命令，完成一种特定操作。3 3、在按照表的内容设置好功能开关

24、和数据开关之在按照表的内容设置好功能开关和数据开关之 后，通过发光二极管观察和记录结果，填入表后，通过发光二极管观察和记录结果，填入表 中中,然后然后,按按“STARTSTART”按键，再通过发光二极管按键，再通过发光二极管 观察结果，填入表中。观察结果，填入表中。脱机的运算器实验表：脱机的运算器实验表：脱机的运算器实验表：脱机的运算器实验表：D1D1=0101=0101H H=0000 0001 0000 0001=0000 0001 0000 0001B B R R0 0 D2 D2=1010=1010H H=0001 0000 0001 0000=0001 0000 0001 0000B

25、 B R R1 1步骤步骤3:R3:R0 0+R+R1 1=0000 0001 0000 00010000 0001 0000 0001 +0001 0000 0001 0000 0001 0000 0001 0000 按按STARTSTART前前:0001 0001 0001 0001:0001 0001 0001 0001 11111111H H 按按STARTSTART后后:0001 0001 0001 0001 :0001 0001 0001 0001 +0001 0000 0001 0000 0001 0000 0001 0000 0010 0001 0010 00010010 00

26、01 0010 0001 21212121H H步骤步骤3:3:之后之后:R R0 0 =1111=0001 0001 0001 0001=1111=0001 0001 0001 0001B B R R1 1=1010=0001 0000 0001 0000=1010=0001 0000 0001 0000B B步骤步骤4:R4:R0 0-R-R1 1=0001 0001 0001 00010001 0001 0001 0001 -0001 0000 0001 0000 0001 0000 0001 0000 按按STARTSTART前前:0000 0001 0000 0001:0000 00

27、01 0000 0001 01010101H H 按按STARTSTART后后:0000 0001 0000 0001 :0000 0001 0000 0001 +0001 0000 0001 0000 0001 0000 0001 0000 1111 0000 1111 00011111 0000 1111 0001 F0F1F0F1H H实验说明实验说明 脱脱机机运运算算器器实实验验，是是指指让让运运算算器器从从教教学学计计算算机机整整机机中中脱脱离离出出来来。此此时时，它它的的全全部部控控制制与与操操作作均均需需通通过过两两个个1212位位的的微微型型开开关关来来完完成成，这这就就谈谈不

28、不上上执执行行指指令令，只只能能通通过过开开关关、按按键键控控制制教教学学机机的的运运算算器器完完成成指指定定的的运运算算功功能能，并并通通过过指指示示灯灯观观察运算结果。察运算结果。1212位微型开关的具体控制功能分配如下：位微型开关的具体控制功能分配如下：A A口口、B B口口地地址址：送送给给AM2901AM2901器器件件用用于于选选择择源源与与目目的的操操作作数的寄存器编号；数的寄存器编号；I I8 8I I6 6 为为运运算算结结果果选选择择码码，I I5 5I I3 3 为为运运算算功功能能选选择择码码，I I2 2I I0 0为参加运算的数据来源选择码。为参加运算的数据来源选择

29、码。SCi SCi 用于确定运算器最低位的进位选择码，用于确定运算器最低位的进位选择码，SSH SSH 移位信移位信号的入出选择码，号的入出选择码，SSTSST AM2901 AM2901产生状态标志位的选择码。产生状态标志位的选择码。实验步骤实验步骤:1 1、先先将将教教学学机机左左下下方方的的5 5个个方方式式开开关关置置为为lXX00(lXX00(单单步步、1616位位、脱脱机机)；然然后后按按一一下下“RESETRESET”按按键键复复位位，再再按按一一下下“STARTSTART”按按键键，进进行行运运算算。之之后后，每每设设置置好好一一个个指指令令后后，按：按：“STARTSTART

30、”键执行指令。键执行指令。2 2、进行进行2424位的功能码开关设置和数据开关的设置。位的功能码开关设置和数据开关的设置。操作举例：操作举例：表中的第一行为表中的第一行为 *D1+O RD1+O RO O，是把数据，是把数据D1D1 送入寄存器送入寄存器R R0 0，具体操作是：，具体操作是：（1 1）、）、输入输入 D1=O101H D1=O101H，方法是把，方法是把2 2个个8 8位的数据开关设位的数据开关设 置为：置为：0000 0001 0000 00010000 0001 0000 0001。（2 2）、）、I I8 8I I0 0 为为 011 000 111 011 000 1

31、11，I I8 8-I-I6 6 为为 011011：FB FB，ALUALU的输出送的输出送B B寄存器。寄存器。I I5 5-I-I3 3 为为 000000：R+SR+S，运算功能选择。运算功能选择。I I2 2-I-I0 0 为为 111111：S=0 S=0，R=D1=0101 R=D1=0101 数据来源选择。数据来源选择。（3 3）、）、SST SST 为为 001001：标志位接收标志位接收ALUALU的输出值。的输出值。SCiSCi 为为 0000：指最低位的进位取指最低位的进位取0 0值。值。SSH SSH 为为 0000：通用寄存器逻辑移位。通用寄存器逻辑移位。（4 4）

32、、）、A A口口为不用。为不用。B B口口为为 00000000：00000000是寄存器是寄存器 R R0 0 的编号。的编号。3 3、按按STARTSTART按键之前，记录按键之前，记录ALUALU的输出值。的输出值。然后按然后按STARTSTART按键，再记录按键，再记录ALUALU的输出值。的输出值。至此，表中的第至此，表中的第1 1行操作完成。行操作完成。4 4、按照步骤按照步骤 2 2 的方法的方法送入送入D2D2，D2=1010 D2=1010 送入送入R R1 1。5 5、表的第表的第3 3行以下的操作，按照表中的内容进行直到最后完成。行以下的操作，按照表中的内容进行直到最后完

33、成。6 6、先在草稿上记录实验数据，实验完成之后检查无误再填表。先在草稿上记录实验数据，实验完成之后检查无误再填表。实验要求实验要求1.1.实实验验之之前前认认真真预预习习，写写出出操操作作步步骤骤、实实验验 过过程程所所用用数数据据和和运运行行结结果果等等，否否则则实实验验效效率率会会很低，所学到的内容也会大受影响。很低，所学到的内容也会大受影响。2.2.实实验验过过程程当当中中，要要仔仔细细进进行行，防防止止损损坏坏设设备备，分分析析可可能能遇遇到到的的各各种种现现象象，判判断断结结果果是是否否正确，记录运行结果。正确，记录运行结果。3.3.实实验验之之后后，认认真真写写出出实实验验报报告告，包包括括对对遇遇到到的的各各种种现现象象的的分分析析、实实验验步步骤骤、实实验验结结果果，和自己在这次实验的心得体会及收获。和自己在这次实验的心得体会及收获。9月月21日：第日：第4周（周五）周（周五）5 6节节 一班实验（脱机运算器）一班实验（脱机运算器）9月月24日：第日：第5周（周一）周（周一）1 2节节 二班实验（脱机运算器）二班实验（脱机运算器）9月月25日：第日：第5周（周二）周（周二）1 2节节 一班实验（联机运算器）一班实验（联机运算器）9月月25日：第日：第5周（周二）周（周二）3 4节节 二班实验（联机运算器）二班实验（联机运算器）实验安排实验安排