计算机组成原理：运算器实验

实验名称: 1.1 基本运算器实验

实验目的

1. 了解运算器的组成结构。
2. 基于数据通路图，观测并分析运算器的工作原理。
3. 基于信号时序图，观测并分析运算器的工作原理。

实验设备

PC机一台，TDX-CMX实验系统一套。

实验预习

1. 学习使用TDX-CMX实验台，然后回答下列问题。

　　实验台上“时序与操作台单元”中KK1功能是(控制时序状态的开与关)，KK2功能是(控制时钟信号的节拍)，ST功能是(第一次按动后控制器单元低8位显示该单元以前存储的数据，第二次按动后显示当前改动的数据)；方波信号300Hz、30Hz和3Hz位于实验台的(时序与操作台)单元，ALU位于实验台的(ALU&REG)单元。数据输入位于实验台的（输入设备）单元，数据总线和地址总线位于实验台的（系统总线）单元。

　　2. 参看实验台运算器实现原理，填写括号处的部件名称或信号名称。

答：1（算法运算部件）； 2（逻辑运算部件）；3（移位运算部件）；4（S[3.. 0]）。

3. ALU完成哪些基本的逻辑运算，算术运算和移位运算。

答：

 

实验步骤

本次实验包括基本运算器实验和阵列乘法器实验两部分。

1.本机运行

　　（1）把时序与操作台单元的“MODE”用短路块短接，使系统工作在四节拍模式，JP 1（在ALU&REG单元）用短路块将 1、2 短接，按图 1所示连接实验电路，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 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、KK 3 置为‘运行’档。确认连线正确。

　　（3）打开电源，如果听到有‘嘀’报警声，说明有总线竞争，应立即关闭电源，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。记录：

SD17~SD10开关拨到上面，对应LED指示灯状态（亮/灭）（亮），表示二进制数据（1/0）（1），SD17~SD10作用是（输入数据），S3、S2、S1、S0的作用是（模式选择），LDA的作用是（暂存器A的开关，开启后可在T4节拍写入A）。

观察ALU单元中：

CLR前

FZ=（1）；FC=（1） A7~A0=（0000_0000）；B7~B0=（0000_0000）

CLR后

FZ=（0）；FC=（0）A7~A0=（0000_0000）；B7~B0=（00 00_0000）

　　（4）用输入开关向暂存器 A 置数

按动 2 次时序单元的 ST 按钮，产生 T1、T2 节拍后，拨动 CON 单元的 SD17…SD10 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’。置 LDA=1， LDB=0，按动 2 次 ST 按钮产生 T3、T4 节拍，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。

记录：

暂存器A的数据（二进制）：（0110_0101）

按动2次ST按钮后ALU中A7~A0中数据（二进制）：（0110_0101）

　　(5) 用输入开关向暂存器 B 置数

按动 2 次时序单元的 ST 按钮，产生 T1、T2 节拍后，拨动 CON 单元的 SD17…SD10 数据开关，形成二进制数 10100111（或其它数值）。置 LDA=0，LDB=1，按动 2 次 ST 按钮产生 T3、T4 节拍，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。

记录：

暂存器B输入数据（二进制）：（1010_0111）

按动2次ST按钮后ALU中B7~B0中数据（二进制）：（1010_0111）

　　(6) 改变运算器的功能设置，观察运算器的输出

按动 2 次时序单元的 ST 按钮，产生 T1、T2 节拍后，置 ALU_B=0

、LDA=0、LDB=0， 然后按表 3设置 S3、S2、S1、S0 和 Cn

的数值，并观察数据总线 LED 显示灯显示的结果。如置 S3、S2、S1、S0为 1001，运算器作加法运算，置 S3、S2、S1、S0 为 0010，运算器作逻辑与运算。按动 2 次 ST 按钮产生 T3、T4 节拍，观察 FC、FZ标志位变化。

当S3S2S1S0 = （1001），运算器做（加法），寄存器A内容（65），寄存器B内容（A7）

FC =（0），FZ =（0）。

当S3S2S1S0 = （0010），运算器做（逻辑与），寄存器A内容（65），寄存器B内容（A7）

FC =（0），FZ = （0）。

2.连接运行

如果实验箱和 PC 联机操作，则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果，也可通过软件中的信号时序图来观测实验结果。

(1)观测数据通路图

打开 TDX-CMX 软件，选择联机软件的“【实验】—【运算器实验】”，打开运算 器实验的数据通路图，如图 2所示。 操作方法同本机运行，每按动一次 ST 按钮，

数据通路图会有数据的流动，反映当前运算器所做的操作，或在软件中选择“【调试】—【单节拍】”，其作用相当于将时序单元的状态开关 KK2 置为‘单拍’档后按动了一次

ST 按钮，数据通路图也会反映当前运算器所做的操作。

图2 数据通路图

重复上述操作，并完成表 3。然后改变 A、B 的值，验证 FC、FZ 的锁存功能。点击联机软件的 “【回放】—【保存…】” 按钮，可保存数据通路图的实验过程。 (2)观测数据时序图 打开 TDX-CMX 软件，选择联机软件的“【实验】—【运算器实验】”，打开运算器实验的数据通路图。再点击

图3 选择观察信号

最后，请上传时序图至实验报告。 在时序图界面右键点击“【上传】”按钮，将时序图上传至学生登陆账户对应的实验报告。

实验结果及分析

实验思考题

本实验完成了8位加法器的设计，如何在实验台上实现16位加法运算。

先算出A和B的低八位，然后记录FC（进位），之后计算A+B+F的方式计算A和B高 8位之和，就可以获得16位的结果。

实验总结

总结：了解了运算器的工作原理，实操体会了具体的运算过程和指令细节。学习了时序信号图。