组成原理实验课件---运算器.ppt

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1、1计算机组成原理实验计算机组成原理实验任课教师：刘万成任课教师：刘万成 2实验二：脱机运算器实验实验二：脱机运算器实验 （2）实验一：监控程序与简单汇编语言程序设计实验一：监控程序与简单汇编语言程序设计 （1）实验三：存储器扩展实验实验三：存储器扩展实验 （1）实验四：微程序控制器实验实验四：微程序控制器实验 （2）实验五：中断实验实验五：中断实验 （1）实验教学安排实验教学安排3实验考核方法实验考核方法计算机组成原理计算机组成原理实验实验成绩为成绩为20分。分。实验成绩包括：实验成绩包括：考勤考勤课上完成实验情况课上完成实验情况实验报告实验报告综合作业综合作业4第一部分：实验须知第一部分：实

2、验须知实验预习实验预习实验报告实验报告 实验报告是实验后的书面总结，通过对实验现象的整理、实验报告是实验后的书面总结，通过对实验现象的整理、分析、总结，可加深对所学理论知识的理解。分析、总结，可加深对所学理论知识的理解。实验守则实验守则 （1）保持实验室的整洁。保持实验室的整洁。（2）严禁带电接线和拆线，不要用手触及任何带电部严禁带电接线和拆线，不要用手触及任何带电部分。分。（3）非所需实验设备，不经老师允许不得乱动。）非所需实验设备，不经老师允许不得乱动。（4）发生故障时，必须立即断电，并马上报告老师。）发生故障时，必须立即断电，并马上报告老师。5第二部分：第二部分：TH-union 教学计

3、算机介绍教学计算机介绍微程序微程序控制器控制器RESET,START按键按键 运行功能选择开关运行功能选择开关单步，手拨，组合逻辑，联机单步，手拨，组合逻辑，联机 8位，位，连续，内存，连续，内存，微程序，脱机微程序，脱机 16位，位，两个两个12位的位的微型开关微型开关16位的位的手拨输入开关手拨输入开关5V电源电源电源电源开关开关组合逻辑组合逻辑控制器控制器运算器运算器内存内存储器储器串口电路串口电路I86 I53 I20 SST SCI SSH A口口 B口口6选用中小规模集成电路实现的教学计算机系统的组成选用中小规模集成电路实现的教学计算机系统的组成计算机计算机终端终端PC机机微程序微

4、程序控制器控制器运算器运算器(16 位位)主存储器主存储器（16位）位）按键按键 开关开关 指示灯指示灯串串行行接接口口接接口口实实验验 中中断断实实验验内内存存扩扩展展实实验验电源电源+5V硬布线硬布线控制器控制器作为最底层的输入作为最底层的输入/输出手段，开关手拨数据输入，指示灯显示输出的输出手段，开关手拨数据输入，指示灯显示输出的操作方式还是应该有的。对提高学生的实验动手能力也很有用处。操作方式还是应该有的。对提高学生的实验动手能力也很有用处。实验二：脱机运算器实验实验二：脱机运算器实验第三部分：实验项目第三部分：实验项目8实验目的实验目的 深入了解深入了解AM2901运算器的功能与具体

5、用法，掌握用运算器的功能与具体用法，掌握用AM2901完成各种运算操作时各控制信号的使用，观完成各种运算操作时各控制信号的使用，观察指令执行的结果对状态标志的影响；了解察指令执行的结果对状态标志的影响；了解4片片AM2901的级联方式，深化运算器部件的组成、设计、的级联方式，深化运算器部件的组成、设计、控制与使用等知识。控制与使用等知识。实验说明实验说明 1、位片结构的运算器芯片、位片结构的运算器芯片Am2901 Am2901芯片是一个芯片是一个 4位的位片结构的、完整的运算位的位片结构的、完整的运算器器件，作为教学内容的实例具有很好的典型性。器器件，作为教学内容的实例具有很好的典型性。9微程

6、序微程序控制器控制器RESET,START按键按键 运行功能选择开关运行功能选择开关单步，手拨，组合逻辑，联机单步，手拨，组合逻辑，联机，8位位连续，内存，连续，内存，微程序，脱机微程序，脱机，16位位两个两个12位的位的微型开关微型开关16位的位的手拨输入开关手拨输入开关5V电源电源电源电源开关开关组合逻辑组合逻辑控制器控制器运算器运算器内存内存储器储器串口电路串口电路I86 I53 I20 SST SCI SSH A口口 B口口TH-union 教学计算机教学计算机Am2901的内部组成与功能的内部组成与功能1011二选一二选一 B 16个个 A 通用寄存器通用寄存器三选一三选一二选一二选

7、一三选一三选一三选一三选一 A L U S RB锁存器锁存器A锁存器锁存器乘商寄存器乘商寄存器QCn/OEQ3Q0RAM0RAM3F输出输出YF3F=0000OVRCn+4输入输入DA口地址口地址B口地址口地址组成组成算逻运算算逻运算 部件部件1 6 个个 累加器累加器乘商寄存器乘商寄存器 Q5组多路选择门组多路选择门功能功能 8 种种 运算功能运算功能8 种种 数据组合数据组合8 种种 结果处理结果处理12 A L U S RCnFF3F=0000OVRCn+4第一个组成部分是第一个组成部分是算逻运算部件算逻运算部件ALU,完成完成 3 种算术运算种算术运算和和 5 种逻辑运算，种逻辑运算，

8、共计共计 8 种功能。种功能。其输出为其输出为 F，两路输，两路输入为入为 S、R，最低位，最低位进位进位Cn，4个状态输个状态输出信号如图所示出信号如图所示符号位符号位结果为零结果为零结果溢出结果溢出进位输出进位输出RSRS8 种运算功能种运算功能0000010100111001011101113 位功能选择码位功能选择码R+SS RR SR SRSRS13 B 16个个 A 通用寄存器通用寄存器 A L U S RB锁存器锁存器A锁存器锁存器CnFF3F=0000OVRCn+4A口地址口地址B口地址口地址第二个组成部分第二个组成部分是通用寄存器组是通用寄存器组由由16个寄存器构个寄存器构成

9、，并通过成，并通过B口口与与A口地址选择口地址选择被读的寄存器，被读的寄存器，B口地址还用于口地址还用于指定写入寄存器指定写入寄存器通过通过B口地址、口地址、A口地址读出的口地址读出的数据将送到数据将送到B、A锁存器，要写锁存器，要写入寄存器的数据入寄存器的数据由一个多路选择由一个多路选择器送来。器送来。（写入）（写入）该寄存器组的写入，只能用该寄存器组的写入，只能用B 地址实现，写入数地址实现，写入数据是据是ALU的输出经三选一门（移位器）送到寄存的输出经三选一门（移位器）送到寄存器组的输入端。移位器可执行直送、左移一位、器组的输入端。移位器可执行直送、左移一位、右移一位的操作，使加减等运算

10、和移位操作可在右移一位的操作，使加减等运算和移位操作可在同一操作步骤中完成。同一操作步骤中完成。14二选一二选一 B 16个个 A 通用寄存器通用寄存器三选一三选一二选一二选一三选一三选一三选一三选一 A L U S RB锁存器锁存器A锁存器锁存器乘商寄存器乘商寄存器QCn/OEQ3Q0RAM0RAM3F输出输出YF3F=0000OVRCn+4输入输入DA口地址口地址B口地址口地址第三个组成部第三个组成部分是乘商寄存分是乘商寄存器器Q，主要用，主要用于实现硬件的于实现硬件的乘法、除法运乘法、除法运算。它能对自算。它能对自己的内容完成己的内容完成左右移位功能，左右移位功能，其输出可以送其输出可以

11、送往往ALU，并可，并可接收接收ALU的输的输出结果。出结果。也可称为移位器也可称为移位器15该芯片的第四该芯片的第四个组成部分是个组成部分是 5 组多路数据选组多路数据选择电路，通过择电路，通过它们，实现芯它们，实现芯片内上述三个片内上述三个组成成分之间组成成分之间的联系，也实的联系，也实现该芯片和其现该芯片和其外界信息的输外界信息的输入与输出操作。入与输出操作。包括：包括：二选一二选一 B 16个个 A 通用寄存器通用寄存器三选一三选一二选一二选一三选一三选一三选一三选一 A L U S RB锁存器锁存器A锁存器锁存器乘商寄存器乘商寄存器QCn/OEQ3Q0RAM0RAM3F输出输出YF3

12、F=0000OVRCn+4输入输入DA口地址口地址B口地址口地址16二选一二选一 B 16个个 A 通用寄存器通用寄存器三选一三选一二选一二选一三选一三选一三选一三选一 A L U S RB锁存器锁存器A锁存器锁存器Q寄存器寄存器Cn/OEQ3Q0RAM0RAM3F输出输出YF3F=0000OVRCn+4输入输入DA口地址口地址B口地址口地址一组二选一门，一组二选一门，选择把选择把A口数据口数据或或ALU结果送出结果送出芯片，以给出输芯片，以给出输出出Y的数据，的数据，Y输输出的有无还受输出的有无还受输出使能出使能/OE信号信号的控制，仅当的控制，仅当/OE为低是才有为低是才有Y输出输出，/O

13、E为高，为高，Y输出输出为高阻态。为高阻态。Am2901 运行功能的控制运行功能的控制17 为了控制为了控制Am2901 运算器按我们的意运算器按我们的意图完成预期的运算操作功能，就必须向其图完成预期的运算操作功能，就必须向其提供相应的控制信号，包括：用提供相应的控制信号，包括：用3组各组各3位位的编码，分别用于选择的编码，分别用于选择ALU 的运算功能，的运算功能，输入数据，结果处置方案，具体规定如输入数据，结果处置方案，具体规定如 表表2-1、表、表2-2 和表和表2-3 所示。所示。18RSRS表表2-1 选择选择8 种运算功能种运算功能000001010011100101110111R

14、+SS RR SR SRSRSI5 I4 I3运算功能运算功能I2 I1 I0 R S 000 A Q 001 A B 010 0 Q 011 0 B 100 0 A 101 D A 110 D Q 111 D 0表表2-2 选择选择ALU的的8 种输入种输入数据组合数据组合19表表2-3 选择运算器的选择运算器的8 种运算结果处置方案种运算结果处置方案 000 QF F 001 F 010 BF A 011 BF F 100 BF/2 QQ/2 F 101 BF/2 F 110 B2F Q2Q F 111 B2F F3位控制码位控制码通用寄存器通用寄存器 Q寄存器寄存器 Y输出输出I8 I7

15、 I6结果处置结果处置20Am2901的控制信号汇总表的控制信号汇总表 000 Q F F R+S A Q 001 F S R A B 010 B F A R S 0 Q 011 B F F R S 0 B 100 B F/2 Q Q/2 F RS 0 A 101 B F/2 F RS D A 110 B 2F Q 2Q F RS D Q 111 B 2F F RS D 0B Q YR S编码编码 I8 I7 I6 I5 I4 I3 I2 I1 I0212、教学计算机运算器的设计与实现、教学计算机运算器的设计与实现 教学计算机运算器是由教学计算机运算器是由 4片片Am2901芯片和一些配套电路

16、组成，芯片和一些配套电路组成，字长字长16位。位。22片间高速进位用片间高速进位用 Am2902高位高位Am2901Am2901Am2901低位低位Am2901 Am2902 Cn+z Cn+y Cn+x /G /PY1512Y118Y74Y30D1512D118D74D30OVERF=0F15CyCinCPRAM15Q15RAM0Q0A口口B口口I86I53I20VccR23Am2901完成功能需要的控制信号完成功能需要的控制信号数据组合（数据组合（I2 I1 I0）功能代码（功能代码（I5 I4 I3）结果处理（结果处理（I8 I7 I6）A口地址口地址B口地址口地址最低位进位控制信号最低

17、位进位控制信号（SCI）移位控制信号移位控制信号（SSH）状态寄存器接收信号状态寄存器接收信号（SST）有一些功能（数有一些功能（数据）取决于如何据）取决于如何使用使用 Am2901，与指令和指令的与指令和指令的执行步骤有关，执行步骤有关，必须用另外的线必须用另外的线路来处理的，包路来处理的，包括：括：24需要在需要在Am2901芯片外部处理的逻辑功能：芯片外部处理的逻辑功能：最低位进位控制信号最低位进位控制信号（SCI）移位控制信号移位控制信号（SSH）状态寄存器接收信号状态寄存器接收信号（SST）25 16位的位的 运算器运算器需要正确给出芯片的最低位的进位输入需要正确给出芯片的最低位的进

18、位输入信号信号Cin ，选用，选用3位的控制码位的控制码SCI确定。确定。CyF=0OVRF15RAM15Q15RAM0Q0 最最低低位位进进位位 GAL3SCI01CY150D150B口口A口口I8I0Cin26表表 2-4:27关于左右移位操作过程中的最高位、最低位关于左右移位操作过程中的最高位、最低位移位输入信号的处理，选用移位输入信号的处理，选用3位的控制码位的控制码SSH确定。确定。16位的位的 运算器运算器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/F150

19、CCyF0Y150D150B口口A口口 I8I0Cin2829C通通 用用 寄寄 存存 器器通通 用用 寄寄 存存 器器C00RCLRCRSHRSHLRAM15RAM0RAM0RAM15300,1,RAM0Q0,RAM15 16位的位的 运算器运算器4个标志位的值的接收与记忆电路个标志位的值的接收与记忆电路（即运算器的状态寄存器）（即运算器的状态寄存器）四四位位标标志志位位GAL1CZVSCyF=0OVF15来自内部总线来自内部总线 IBRAM15Q15RAM0Q0Y150D150B口口A口口 I8I0CinSST314个标志位信号的变化有个标志位信号的变化有8种不同情况，使用种不同情况，使用

20、3位的编码位的编码SST来区分。来区分。用用 3 位码控制位码控制 有有 8 种方案种方案 SST C Z V S 说明说明 000 C Z V S 标志位值保持不变标志位值保持不变 001 Cy ZR OV F15 接受接受ALU状态输出状态输出 010 IB7 IB6 IB5 IB4 接收内部总线输出接收内部总线输出 011 0 Z V S CLC 置置“0”C 100 1 Z V S STC 置置“1”C 101 RAM0 Z V S 右移操作右移操作 110 RAM15 Z V S 左移操作左移操作 111 Q0 Z V S 联合右移联合右移32 教学机运算器控制信号汇总教学机运算器控

21、制信号汇总数据组合（数据组合（I2 I1 I0）3位位功能代码（功能代码（I5 I4 I3）3位位结果处理（结果处理（I8 I7 I6）3位位A口地址口地址4位位B口地址口地址4位位状态寄存器接收信号（状态寄存器接收信号（SST）3位位移位控制信号（移位控制信号（SSH）和最低位进位控制信号（和最低位进位控制信号（SCI）3位位23位位330,1,RAM0Q0,RAM15 16位的位的 运算器运算器16 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 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=0OV

22、RF15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RAM15Q15RAM0Q00CQ15/F150CCyF001CY150D150B口口A口口 I8I0Cin343、运算器脱机方式实验、运算器脱机方式实验 脱机运算器实验，是指让运算器从教学计算机中脱离出来，脱机运算器实验，是指让运算器从教学计算机中脱离出来，此时，它的全部控制于操作均需通过两个此时，它的全部控制于操作均需通过两个12位的微型开关来完位的微型开关来完成，这就谈不上执行指令，只能通过开关、按键控制教学机的成，这就谈不上执行指令，只能通过开关、按键控制教学机的运算器完成指定的运算功能，并通过指示

23、灯观察运算结果。运算器完成指定的运算功能，并通过指示灯观察运算结果。其实这就是把计算机的运算器部件从计算机系统中孤立出其实这就是把计算机的运算器部件从计算机系统中孤立出来，用手工方式操作其运行过程，这不会涉及计算机的其他功来，用手工方式操作其运行过程，这不会涉及计算机的其他功能部件，事情变得更单纯简单，更容易理解，学懂这一部分内能部件，事情变得更单纯简单，更容易理解，学懂这一部分内容之后，很容易与容之后，很容易与通过计算机的控制器通过计算机的控制器 控制运算器运行的具体控制运算器运行的具体实现方案实现方案联系起来，更有利于把复杂的事情简单化。联系起来，更有利于把复杂的事情简单化。350 1 1

24、 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0微型开关与控制信号的对应关系微型开关与控制信号的对应关系B FR+SD 0R S接受接受ALU状态输出状态输出两个两个12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：I8-I0：选择操作数来源、运算操作功能、选择操作数处理结：选择操作数来源、运算操作功能、选择操作数处理结果和运算器输出内容的果和运算器输出内容的3组组3位的控制码；位的控制码；SCI、SSH和和SST：用于确定运算器最低位的进位输入、移位：用于确定运算器最低位的进位输入、移位信号的入信号的入/出和怎样处理出和怎样处理AM2

25、901产生的状态标志位的结果。产生的状态标志位的结果。A口、口、B口地址：送给口地址：送给AM2901器件用于选择源与目的操作数器件用于选择源与目的操作数的寄存器编号。的寄存器编号。36RESET,START按键按键运行功能选择开关运行功能选择开关单步，手播，组合逻辑，联机单步，手播，组合逻辑，联机，8位位连续，内存，连续，内存，微程序，脱机，微程序，脱机，16位位两个两个12位的位的微型开关微型开关16位的位的手拨输入开关手拨输入开关DC2,DC1AR 低低8位位控制运算控制运算器的器的24位位信号信号节拍节拍指示灯指示灯IR 高高8位位CZVS状态位状态位内存储内存储器器DB 低低8位位D

26、B 高高8位位 Y 低低8位位 Y 高高8位位AR 高高8位位IR 低低8位位MIO REQ WE运算器的运算器的状态位状态位I86 I53 I20 SST SSH SCI B口口 A口口37操作操作步骤步骤运算运算I8-I0A口口地址地址B口口地址地址SCiSSH压压START前前压压START后后Y输出输出CZVSY输出输出CZVS11234h-R0011 011 000000 111111不用不用00000000000000001234h随机随机22345h-R1011 011 000000 111111不用不用0001000100000000 3R0+R1-R0011 011 0000

27、00 0010010001000100000000000000004R0-R1-R05R1-R96R0/2-R07R9-Q8R0*2-R09 9R0R1R0R1-R1R11010R0R1R0R1-R1R11111R0R1R0R1-R0R01212/(R0R1/(R0R1）-R0R013R0|Q-(R0+R9+C)|Q(联合右移联合右移)14R1+1-R1运算器实验控制信号与结果运算器实验控制信号与结果 填写控制信号的依据是根据要完成的功能，填写控制信号的依据是根据要完成的功能，通过查简明操作卡上给出的信息来确定，不通过查简明操作卡上给出的信息来确定，不算难但要求不能错，实验简单但很重要。算难但

28、要求不能错，实验简单但很重要。功能功能：把：把 16 进制的补码数进制的补码数 1234 传送到传送到累加器累加器 R0 中。中。实现实现：教学机的功能开关拨到单步、微教学机的功能开关拨到单步、微程序辑控制器、程序辑控制器、16位机、脱机实验。位机、脱机实验。数据数据 1234 通过数据开关拨入，通过数据开关拨入，24 位控位控制信号通过红色微型开关拨入，运行结果看制信号通过红色微型开关拨入，运行结果看指示灯。指示灯。执行方案，执行方案，D+0R0，I2I0选选111,I5I3选选000，I8I6选选011，B口选口选0000，A口口随意，填随意，填0000，最低位进位选，最低位进位选0，无移

29、位。，无移位。38脱机运算器实验内容及步骤：脱机运算器实验内容及步骤：39 运算I8-I0SSTSSHSCIB口A口压START前压START后ALU输出CZVSALU输出CZVS*D1+0-R00110001110010000000不用0101随机01010000*D2+0-R10110001110010000001不用1010000010100000R0+R1-R001100000100100000000001RO-R1-R001100100100100100000001R1-R0-R101100100100100100010000R0R1-R1R0R1-R0R0R1-R0(R0R1)-R

30、02*R0-R0R0/2-R0注：1、用*标记的运算，表示D1、D2的数据是由拨动开关SW给出的，开关给的是二进制的信号，注意二进制和十六进制间的转换。运算器实验（运算器实验（1）2、一定要按顺序执行！、一定要按顺序执行！40注：用*标记的运算，表示D1、D2的数据是由拨动开关SW给出的，开关给的是二进制的信号，注意二进制和十六进制间的转换。按“START”按键之前，ALU输出的是计算结果，参照ALU的操作周期的时序可知A、B口数据锁存是在时钟的下降沿，通用寄存器的接收是在低电平，所以要想寄存器接收ALU的计算结果必须按一次“START”按键。在进行运算器脱机实验时，若通过指示灯检查运算器在进

31、行运算器脱机实验时，若通过指示灯检查运算器的每次运算结果，得到运算结果是在按的每次运算结果，得到运算结果是在按STEP键之前，键之前，而得到状态寄存器中存入的状态标志结果是在按而得到状态寄存器中存入的状态标志结果是在按STEP键之后。键之后。41实验要求：实验要求：1、实验之前认真预习，根据所学理论知识准备实验过程中所用数据和运行结果，否则实验效率会很低；2、实验过程当中，要认真仔细的操作，防止损坏设备，分析可能遇到的各种现象，判断结果是否正确，记录运行结果；3、实验之后，认真写出实验报告，要求要有主要的实验步骤，填写实验结果，结合所学理论分析实验结果，还要有对实验时遇到的各种现象的分析以及自

32、己在这次实验中的心得体会与收获。42注意事项：注意事项：1.不能打乱顺序执行。不能打乱顺序执行。2.注意记录按注意记录按START键之前和之后的结果。键之前和之后的结果。运算器实验（运算器实验（2）43参考内容参考内容4445464748运算器基本功能运算器基本功能完成算术、逻辑运算+、。取得操作数寄存器组、立即数输出、存放运算结果寄存器组、数据总线暂存运算的中间结果Q寄存器、移位寄存器49运算器基本功能运算器基本功能获得运算结果的状态C、Z、V、S理解、响应控制信号50运算结果标志运算结果标志 保存到保存到 标志位寄存器标志位寄存器 算术与逻辑的运算指令算术与逻辑的运算指令产生标志位的值产生

33、标志位的值 该标志位的值只在该标志位的值只在执行运算步骤执行运算步骤接收接收 算术运算指令的结果影响算术运算指令的结果影响 C、Z、V、S 逻辑运算指令的结果只影响逻辑运算指令的结果只影响 Z、S专门改变标志位的指令（专门改变标志位的指令（CLC，STC）几条移位和乘除法指令影响几条移位和乘除法指令影响 C 中断返回指令要从堆栈恢复中断返回指令要从堆栈恢复C、Z、V、S 其他指令或其他执行步骤不接收标志位的值其他指令或其他执行步骤不接收标志位的值 对对标志位寄存器标志位寄存器，会有，会有接收接收或或不接收不接收新的值新的值 这样两种处理（依据什么指令的什么时刻）这样两种处理（依据什么指令的什么

34、时刻）51运算器的时钟脉冲信号 运算器的时钟脉冲信号运算器的时钟脉冲信号 CP 教学计算机的主频教学计算机的主频:1.8432MH z/3A、B口锁存口锁存通用寄存器接受通用寄存器接受Q 接受接受ALU操作周期操作周期和和低低电电平平的的作作用用 注注意意两两个个跳跳变变沿沿系统时钟系统时钟52二选一二选一三选一三选一二选一二选一三选一三选一三选一三选一Q3Q0RAM0RAM3 A L U S RCnFF3F=0000OVRCn+4 B 16个个 A 通用寄存器通用寄存器B锁存器锁存器A锁存器锁存器A口地址口地址B口地址口地址数据组合选择数据组合选择 I2 I1 I0运算功能选择运算功能选择 I5 I4 I3运算结果处理运算结果处理 I8 I7 I6Q寄存器寄存器输入输入D/OE输出输出YI5I3I2I0I8I6