一、实验目的

1. 了解运算器的组成结构。

2. 掌握运算器的工作原理。

二、实验设备

PC机一台，TD-CMA实验系统一套，USB线一根，排线若干。

三、实验原理

本实验的原理如图1-1所示。

运算器内部含有三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，要处理的数据存于暂存器A和暂存器B，三个部件同时接受来自A和B的数据，各部件对操作数进行何种运算由控制信号S3…S0和CN来决定，任何时候，多路选择开关只选择三部件中一个部件的结果作为ALU的输出。如果是影响进位的运算，还将置进位标志FC，在运算结果输出前，置ALU零标志。

 

                   

 

图1-1  运算器原理图

运算器部件由一片CPLD实现。ALU的输入和输出通过三态门74LS245连到CPU内总线上，另外还有指示灯标明进位标志FC和零标志FZ。（请注意：实验箱上凡是印标注有马蹄形标记‘  ’，表示这两根排针之间是连通的）。图中除T4和CLR，其余信号均来自于ALU单元的排线座，实验箱中所有单元的T1、T2、T3、T4都连接至控制总线单元的T1、T2、T3、T4，CLR都连接至CON单元的CLR按钮。T4由时序单元的TS4提供（时序单元的介绍见附录二），其余控制信号均由CON单元的二进制数据开关模拟给出。控制信号中除T4为脉冲信号外，其余均为电平信号，其中ALU_B为低有效，其余为高有效。

ALU和外围电路的连接如图1-2所示，图中的小方框代表排针座。

运算器的逻辑功能表如表1-1所示，其中S3 S2 S1 S0 CN为控制信号，FC为进位标志，FZ为运算器零标志，表中功能栏内的FC、FZ表示当前运算会影响到该标志。

 

 

图1-2  ALU和外围电路连接原理图

表1-1  运算器逻辑功能表

运算类型	S3 S2 S1 S0	CN	功  能
逻辑运算	0000	X	F=A（直通）
	0001	X	F=B（直通）
	0010	X	F=AB                                   （FZ）
	0011	X	F=A+B                                  （FZ）
	0100	X	F=/A                                    （FZ）
移位运算	0101	X	F=A不带进位循环右移B（取低3位）位    （FZ）
	0110	0	F=A逻辑右移一位                        （FZ）
		1	F=A带进位循环右移一位              （FC，FZ）
	0111	0	F=A逻辑左移一位                        （FZ）
		1	F=A带进位循环左移一位              （FC，FZ）
算术运算	1000	X	置FC=CN                               （FC）
	1001	X	F=A加B                            （FC，FZ）
	1010	X	F=A加B加FC                       （FC，FZ）
	1011	X	F=A减B                            （FC，FZ）
	1100	X	F=A减1                             （FC，FZ）
	1101	X	F=A加1                             （FC，FZ）
	1110	X	（保留）
	1111	X	（保留）

*表中“X”为任意态，下同

四、实验连线

1. 按图1-3连接实验电路，并检查无误。图中将用户需要连接的信号用圆圈标明（其它实验相同）。

        

 

图1-3  实验接线图

2. 将时序与操作台单元的开关KK2置为‘单拍’档，开关KK1、KK3置为‘运行’档。

3. 打开电源开关，如果听到有‘嘀’报警声，说明有总线竞争现象，应关闭电源，重新检查接线，直到错误排除。然后按动CON单元的CLR按钮，将运算器的A、B和FC、FZ清零。

4. 用一根USB线连接PC机和实验箱。

五、实验内容及实验步骤

1．用输入开关向暂存器A置数。

① 拨动CON单元的SD27…SD20数据开关，形成二进制数01100101（或其它数值），数据显示亮为‘1’，灭为‘0’。

② 置LDA=1，LDB=0，连续按动时序单元的ST按钮，产生一个T4上沿，则将二进制数01100101置入暂存器A中，暂存器A的值通过ALU单元的A7…A0八位LED灯显示。

2．用输入开关向暂存器B置数。

  ① 拨动CON单元的SD27…SD20数据开关，形成二进制数10100111（或其它数值）。

  ② 置LDA=0，LDB=1，连续按动时序单元的ST按钮，产生一个T4上沿，则将二进制数10100111置入暂存器B中，暂存器B的值通过ALU单元的B7…B0八位LED灯显示。                         

3．改变运算器的功能设置，观察运算器的输出。

在给定暂存器A、B的情况下，置ALU_B=0、LDA=0、LDB=0，然后按表1-1改变运算器的功能设置即S3、S2、S1、S0和Cn的数值（状态），并观察数据总线LED显示灯显示的结果，填入运算结果表1-2中。并与运算器逻辑功能表1-1的理论值进行比较分析。

4．通过软件中的数据通路图来观测实验结果

如果实验箱和PC联机，则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果。     

表1-2  运算结果表

运算类型	A	B	S3 S2 S1 S0	CN	F理论值	F实测值	FC	FZ
逻辑运算	65	A7	0  0  0  0	X	01100101	01100101	0	0
	65	A7	0  0  0  1	X	10100111	10100111	0	0
	65	A7	0  0  1  0	X	00100101	00100101	0	0
	65	A7	0  0  1  1	X	11100111	11100111	0	0
	65	A7	0  1  0  0	X	10011010	10011010	0	0
移位运算	65	A7	0  1  0  1	X	11001010	11001010	0	0
	65 65	A7 A7	0  1  1  0	0	11001010	11001010	0	0
				1	00110010	00110010	0	0
	65 65	A7 A7	0  1  1  1	0	10110010	10110010	1	0
				1	11001010	11001010	1	0
算术运算	65	A7	1  0  0  0	X	11001010	11001010	0	0
	65	A7	1  0  0  1	X	01100101	01100101	1	0
	65 65	A7 A7	1  0  1  0（FC=0）	X	00000011	00000011	0	0
			1  0  1  0（FC=1）	X	00001100	00001100	1	0
	65	A7	1  0  1  1	X	00001101	00001101	1	0
	65	A7	1  1  0  0	X	10111110	10111110	1	0
	65	A7	1  1  0  1	X	01100100	01100100	0	0

 

六、思考题

1．CON 单元的控制信号 LDA 和 S0 有区别吗？

 

是有区别的。LDA是将地址单元中的数据内容加载到累加器中，而S0是将累加器中的数据内容送给地址单元。

 LDA 和 S0 是两个不同的控制信号。LDA（Load A）通常用于指示将数据加载到寄存器 A，而 S0 是一个更通用的控制信号，它可以用于控制多个操作，如选择输入或输出设备、控制数据传输方向等。具体的功能取决于电路设计和上下文。

 

2．实验电路中数据开关设置的数据可以同时送暂存器 A 和 B 两个寄存器吗？如果可以，该如

何操作？

 

可以同时送到A和B寄存器。需要在数据开关的控制下，将数据同时送到A和B寄存器中

a. 将数据开关设置为所需的数据值。
b. 为寄存器 A 和 B 同时提供一个加载信号（例如，将 LDA 和 LDB 信号设置为高电平）。
c. 在适当的时钟边沿（例如上升沿或下降沿），数据将同时加载到寄存器 A 和 B。

 

七、实验分析和心得体会

在实验过程中，首先要学会看懂电路的每个单元代表的区域名称，接着要学会看懂电路图以及按着步骤一步一步来，实验要完整无误的进行，确保实验接线图连接的正确性。这样才能够保证在进行实验时数据通路的流向以及数据的准确性，从而达到实验目的。并且要在实验过程中理解每一步骤的原因，也加强自己的理解性和掌握程度。