1、計算機組成原理及系統結構實驗報告實驗名稱 運算器實驗、通用寄存器實驗、移位寄存器實驗 實驗室 實驗樓418 實驗日期 2014-11-20、2014-11-25、2014-11-27 實驗一 運算器實驗一、實驗目的1. 掌握簡單運算器的數據傳輸方式。2. 驗證運算器功能發生器（74LS181）及進位控制的功能組合。3. 完成不帶進位及帶進位算術運算實驗、邏輯運算實驗，了解算術邏輯運算單元的運用。二、實驗原理圖1輸入設備單元實驗中所用的輸入/輸出設備如圖1所示。此次實驗需要連線的有三個部分，一是運算單元，二是時序啟停單元，三是緩沖輸入單元。進行實驗時，先按動復位按鈕，讓系統進行初始化，然后，操作

2、通過【增址】切換到“L”狀態，即手動模式進行，通過鍵盤，數據開關和二進制開關單元控制數據輸入。寫操作，讀操作和運算結果都通過數據顯示燈顯示，該顯示接口以二進制方式顯示輸出結果（燈亮表示該輸出位為1，燈滅表示該輸出位為0）。【單步】鍵用來控制脈沖信號，二進制開關中的LDDR1,LDDR2,ALU-B,SW-B,S3,S2,S1,S0,CN,M均為高電平有效（燈亮為高電平，燈滅為低電平）.兩片74LS181芯片以串/并形式構成的8位字長的運算器，兩個芯片的控制端S0-S3和M各自相連，運算器的兩個數據輸入端分別由兩個數據暫存器DR1,DR2鎖存數據。將總線中的數據鎖存到DR1和DR2中，則LDDR

3、1或LDDR2需為高電平，當脈沖來臨時，總線中的數據就可以鎖存到DR1和DR2中了。數據顯示燈已于總線相連，用來顯示總線上的數據，當DR1,DR2打入數據時，數據開關三態門打開，運算器輸入三態門關閉，輸出數據至總線時，應該保證數據輸入三態門關閉。圖2 輸出設備單元三、實驗內容及結果分析（一）.算術運算實驗（1）寫操作（置數操作） 撥動二進制數據開關向DR1和DR2寄存器置數，具體操作步驟如下：結果分析：通過控制數據開關輸入要寫入的數據，令CAB=0,CE=0,SW-B=1,LDDR1=1，LDDR2=0,按【單步】鍵即可向寄存器DR1中寫入數據，如果發光二極管顯示的數據與數據開關寫入的數據相同

4、則向DR1寫入成功，再次通過控制數據開關輸入要寫入的數據，令,LDDR1=0，LDDR2=1,按【單步】即可向寄存器DR2中寫入數據，如果發光二極管顯示的數據與數據開關寫入的數據相同則向DR2中寫入成功，DR1,DR2分別顯示數字65和A7。LDDR1,LDDR2分別控制著數據開關的內容是否能送往運算寄存器DR1,DR2.（2）讀操作（運算寄存器內容送總線）首先關閉數據輸入三態控制端(SW-B=0)，存儲器控制端CE保持為0，令LDDR1=0、LDDR2=0，然后打開ALU輸出三態門(CBA=010)，置M、S0、S1、S2、S3為11111，再按【單步】鍵，數據總線單元顯示DR1的內容，若把

5、M、S0、S1、S2、S3置為10101，再按【單步】鍵，數據總線單元顯示DR2的內容。結果分析：讀操作時，CBA是選擇部件編碼，當置于010時代表選擇運算器，并將其數據送往總線，M是算數邏輯選擇端，M=0執行算數操作，M=1執行邏輯操作，S3，S2，S1，S0為運算選擇控制端，令SW-B=0，存儲器控制端CE=0，LDDR1=0，LDDR2=0，CBA=010，置M，S0，S1，S2，S3均為11111，按單步建，數據總線顯示DR1的內容，因為此時的執行的是F=B邏輯操作，同理置M,S0,S1，S2，S3為10101，LDDR2=0，CBA=010，置M，S0，S1，S2，S3均為11111

6、，按單步建，數據總線顯示DR1的內容，因為此時的執行的是F=B邏輯操作，同理置M,S0,S1，S2，S3為10101，數據總線顯示DR2的內容。即將DR1和DR2的內容送到總線上。 算術運算（不帶進位加）置CBA=010，CN、M、S0、S1、S2、S3狀態為101001，按【單步】鍵，此時數據總線單元應顯示00001100（0CH）。結果分析：當CBA=010，CN、M、S0、S1、S2、S3狀態為101001進行算數65和A7的加運算，并將結果顯示到數據總線上，此時數據總線單元顯示00001100（0CH）。(二)進位控制實驗 進位位清零操作在“L”狀態下，按動【復位】按鈕，進位標志燈CY

7、“滅”，實現對進位位的清零操作。（當進位標志燈“亮”時，表示CY=1）。 用二進制數據開關向DR1和DR2寄存器置數（2）首先關閉ALU輸出三態門(CBA=000)、CE=0，開啟輸入三態門(SW-B=1)，設置數據開關，向DR1存入01010101(55H)，向DR2存入10101010(AAH)。操作步驟如下：結果分析：在實驗開始時一定要按動復位鍵進行清零操作，否則會影響結果，然后，通過控制數據開關輸入要寫入的數據，令CAB=0,CE=0,SW-B=1,LDDR1=1，LDDR2=0,按【單步】鍵即可向寄存器DR1中寫入數據，如果發光二極管顯示的數據與數據開關寫入的數據相同則向DR1寫入成

8、功，再次通過控制數據開關輸入要寫入的數據，令,LDDR1=0，LDDR2=1,按【單步】即可向寄存器DR2中寫入數據，如果發光二極管顯示的數據與數據開關寫入的數據相同則向DR2中寫入成功，DR1,DR2分別顯示數字65和A7。LDDR1,LDDR2分別控制著數據開關的內容是否能送往運算寄存器DR1,DR2. 驗證帶進位運算的進位鎖存功能關閉數據輸入三態門(SW-B=0)、CE=0，使CBA=010，AR=1，置CN、M、S0、S1、S2、S3的狀態為101001，按【單步】鍵，此時數據總線單元顯示的數據為DR1加DR2，若進位標志燈CY“亮”，表示有進位；反之無進位。結果分析：實驗前先明確如果

9、有進位則CY燈亮，分別輸入01010101和10101010，相加后，數據顯示11111111，無進位所以CY燈不亮，重新換一組操作數，使其有進位，觀察得，CY燈亮。(三)邏輯運算實驗 寫操作（置數操作）撥動二進制數據開關向DR1和DR2寄存器置數，具體操作步驟如下： 結果分析：在進行置數操作時，通過控制數據開關輸入要寫入的數據時，先令CAB=0,CE=0,SW-B=1,LDDR1=1，LDDR2=0,然后按【單步】鍵即可向寄存器DR1中寫入數據，如果發光二極管顯示的數據與數據開關寫入的數據相同則向DR1寫入成功，再次通過控制數據開關輸入要寫入的數據，令,LDDR1=0，LDDR2=1,按【單

10、步】即可向寄存器DR2中寫入數據，如果發光二極管顯示的數據與數據開關寫入的數據相同則向DR2中寫入成功，DR1,DR2分別顯示數字65和A7。LDDR1,LDDR2分別控制著數據開關的內容是否能送往運算寄存器DR1,DR2. 讀操作（運算寄存器內容送總線）首先關閉數據輸入三態控制端(SW-B=0)，存儲器控制端CE保持為0，令LDDR1=0、LDDR2=0，然后打開ALU輸出三態門(CBA=010)，置M、S0、S1、S2、S3為11111，再按【單步】鍵，數據總線單元顯示DR1的內容，若把M、S0、S1、S2、S3置為10101，再按【單步】鍵，數據總線單元顯示DR2的內容。結果分析：關閉數

11、據輸入三態門，停止數據輸入，存儲器控制端CE保持為0，令LDDR1=0、LDDR2=0，然后打開ALU輸出三態門(CBA=010)，置M、S0、S1、S2、S3為11111，再按【單步】鍵，數據總線單元顯示DR1的內容，若把M、S0、S1、S2、S3置為10101，再按【單步】鍵，數據總線單元顯示DR2的內容。 邏輯或非運算邏輯或非運算的方法是置CBA=010，M、S0、S1、S2、S3狀態為11000，按【單步】鍵，此時數據總線單元應顯示00011000（18H）。結果分析：置CBA=010，M，S0，S1，S2，S3為11000，M=1為邏輯運算，S0，S1，S2，S3為1000表示邏輯運

12、算F=/(A+B)，按單步建，01100101和10100111進行或非運算，數據總線單元顯示00011000（18H）。四、實驗思考驗證74LS181的算術邏輯運算功能：DR1DR2S3 S2 S1 S0M=0(算術運算)M=1(邏輯運算)CN=1無進位CN=0有進位65A70 0 0 0F=( 65 )F=( 66 )F=( 9A )65A70 0 0 1F=( E7 )F=( E8 )F=( 18 )65A70 0 1 0F=( 7D )F=( 7E )F=( 82 )0 1 0 0F=( A5 )F=( A6 )F=( DA )0 1 0 1F=( 27 )F=( 28 )F=( 58

13、 )0 1 1 0F=( BD )F=( BE )F=( C2 )0 1 1 1F=( 3F )F=( 40 )F=( 40 )1 0 0 0F=( 8A )F=( 8B )F=( B8 )1 0 0 1F=( 0C )F=( 0D )F=( 3D )1 0 1 0F=( A2 )F=( A3 )F=( A7 )1 0 1 1F=( 24 )F=( 25 )F=( 25 )1 1 0 0F=( CA )F=( CB )F=( FF )1 1 0 1F=( 4C )F=( 4D )F=( 7D )1 1 1 0F=( E2 )F=( E3 )F=( E7 )1 1 1 1F=( 64 )F=(

14、65 )F=( 65 )結果分析：74LS181可以進行各種各樣的算術邏輯運算，通過改變CN,M,S0，S1，S2，S3的值就可以進行各種運算，以上表中的數據是給定DR1=65，DR2=A7，先根據實驗指導書中給出的邏輯關系進行運算，然后通過實驗進行驗證，經過各種運算后得到的結果符合74LS181的各種邏輯，證明實驗過程正確。五、實驗總結本次實驗主要是認識了實驗儀器的各個單元的劃分，和部分單元的作用,此次實驗主要是了解了運算單元的作用，和運算器的算數與邏輯運算功能，知道了運算器的輸出跟數據總線相連，通過本次實驗還了解了組成原理實驗的一般步驟，和ALU的使用方法，74LS181的組成原理，及三態

15、門的作用，數據總線與一般部件之間的傳輸方式等。數據顯示燈連接了數據總線，顯示數據總線的內容，各部件之間的信息傳送通過總線完成，實驗中不可或缺的三態門的功能和工作原理，在實驗過程中，一開始對儀器不是很熟悉，在試驗過程中通過摸索熟悉了部分功能，并且了解到各個步驟都是很重要的，環環相扣，一步也不能錯。最后，記錄實驗結果，對實驗進行分析，本實驗提高了我對計算機組成原理的積極性，讓我明白了實驗要嚴謹，要了解每一個單元的作用才能更好的進行實驗。實驗二 通用寄存器實驗一、實驗目的 熟悉通用寄存器概念。 熟悉通用寄存器的組成和硬件電路。二、實驗原理實驗中所用的通用寄存器數據通路如圖。實驗時要連接三個單元的數據

16、線，其中時序啟停單元是每個實驗中都要連接的單元，當脈沖來臨時，數據才能送總線，該實驗主要運用通用寄存器，寄存器由三片8位字長的74LS374組成R0、R1、R2寄存器組成。三個寄存器的輸入接口用一8芯扁平線連至BUS總線接口，而三個寄存器的輸出接口用一8芯扁平線連至BUS總線接口。圖中R0-B、R1-B、R2-B經CBA二進制控制開關譯碼產生不同的數據輸出選通信號控制，LDR0、LDR1、LDR2為數據寫入允許信號，由二進制控制開關模擬，均為高電平有效；T4信號為寄存器數據寫入脈沖，上升沿有效。在手動實驗狀態（即“L”狀態）每按動一次【單步】命令鍵，產生一次T4信號。圖 1CBA選擇100R0

17、-B101R1-B110R2-B三、實驗內容及結果分析(一)通用寄存器的寫入撥動二進制數據開關向R0和R1寄存器置數，具體操作步驟如下:在緩存輸入中輸入00000001；使CBA=000；CE=0，SW-B=1;LDDR0=1;LDDR1=0，LDDR2=0;然后按單步鍵；在緩存輸入中輸入10000000；LDDR0=0;LDDR1=1;LDDR2=0，然后按單步鍵； 結果分析：通用寄存器的寫入，LDR0，LDR1，LDR2分別為R0，R1，R2的存數控制信號，撥LDR0=1，LDR1，LDR2都為0，按單步鍵就完成了對R0的置數，改變數據開關的值，LDR0=0，LDR1=1，LDR2=0，按

18、單步鍵就完成了對R1的置數。在數據總線處即可看出寫入是否正確。(二)通用寄存器的讀出關閉數據輸入三態(SW-B=0)，存儲器控制端CE=0，令LDR0=0、LDR1=0、LDR2=0，分別打開通用寄存器R0、R1、R2輸出控制位，置CBA=100時，按【單步】鍵，數據總線單元顯示R0中的數據01H；置CBA=101時，按【單步】鍵。數據總線單元顯示R1中的數據80H；置CBA=110時，按【單步】鍵，數據總線單元顯示R2中的數據（隨機）。結果分析：執行完寫操作后，R0和R1分別顯示00000001和10000000，讀操作時關閉數據輸入三態(SW-B=0)，存儲器控制端CE=0，令LDR0=0

19、、LDR1=0、LDR2=0，分別打開通用寄存器R0、R1、R2輸出控制位，置CBA=100時，將R0的數據送總線，數據總線單元顯示R0中的數據01H；置CBA=101時，數據總線單元顯示R1中的數據80H；置CBA=110時，數據總線單元顯示R2中的數據（隨機）。四、實驗總結此實驗中，我熟悉了通用寄存器的概念，熟悉了通用寄存器的組成和硬件電路，加深了對74LS374寄存器功能的認識，熟悉了寄存器組單元的內部構造和各部分的功能，清楚了寄存器數據傳遞的方式，本次完成了通用寄存器的數據寫入和讀出。有了上一次實驗的基礎，此次實驗較為簡單容易，但是依舊要謹慎，每一步之間聯系緊密，不能在任何一步出錯，不

20、然結果就會有錯誤，實驗要認真細心。實驗三 移位寄存器實驗一、實驗目的 了解移位寄存器的硬件電路，驗證移位控制與寄存的組合功能。 利用寄存器進行數據傳輸。二、實驗原理圖 1移位寄存器實驗中要同時運用到運算單元和寄存器組，其中移位時主要在運算單元中實現，靠一片74LS299實現，上圖所示，使用了一片74LS299作為移位發生器，其中8位輸入輸出端與總線接口連接。299-B信號控制其使能端，低電平有效，T4為時序節拍脈沖，實驗時按【單步】命令鍵產生。由S0 、S1、M 控制信號設置其運行狀態，其控制特性列表如下：299-BS1S0M功 能000任意保持0100循環右移0101帶進位循環右移0010循

21、環左移0011帶進位循環左移任意11任意裝數三、實驗內容及結果分析(一)移位寄存器置數首先置CBA=000，然后按下面所列流程圖操作：注:【單步】鍵的功能是啟動時序電路產生T1T4四拍單周期脈沖結果分析：令CBA=000，CE=0，SW-B=1，數據開關送總線，S0=1,S1=1,同步并行置數通過兩個功能選擇線S0，S1為高電平完成，按單步鍵就完成了對DR1的置數，然后令CBA=011，CE=0，SW-B=0。(二)寄存器移位首先置CBA=011(299-B=0)、SW-B=0、CE=0，然后參照表7-2-1改變S0、S1、M的狀態，按動【單步】命令鍵觀察移位結果。結果分析：寄存器移位：令 CBA=011，SW-B=