1、實驗二運算器組成實驗1 .算術邏輯運算實驗一.實驗目的1 .了解簡單運算器的數據傳輸通路。2 .驗證運算功能發生器的組合功能。3 .掌握算術邏輯運算加、減、與的工作原理。4 .驗證實驗臺運算的8位加、減、與、直通功能。5 .按給定數據，完成幾種指定的算術和邏輯運算。二.實驗內容1 .實驗原理算術邏輯單元ALU的數據通路如圖2-1所示。其中運算器ALU181根據74LS181的功能用VHDL硬件描述語言編輯而成，構成8位字長的ALU。參加運算的兩個8位數據分別為A7.0和B7.0,運算模式由S3.0的16種組合決定，而S3.0的值由4位2進制計數器LPM_COUNTER產生，計數時鐘是Sclk（

2、圖2-1）;此外，設M=0,選擇算術運算，M=1為邏輯運算，Cn為低位的進位位；F7.0為輸出結果，Co為運算后的輸出進位位。兩個8位數據由總線IN7.0分別通過兩個電平鎖存器74373鎖入，ALU功能如表2-1所示。表2-1ALU181的運算功能選擇端高電平作用數據S3S2S1S0M=HM=L算術操作邏輯功能Cn=L（無進位）Cn=H（有進位）0000F=AF=AF=人加10001F=A+BF=A+BF=(A+B)加10010f=AbF=A+BF=A+B+10011F=0F=減1（2的補碼）F=00100F=ABF=A力口ABF=A力口AB加10101F=BF=(A+B)加aBF=(A+B)

3、加a1B+10110F=A©BF=人減8F=人減8減10111F=ABF=A+BF=(A+B)減11000F=A+BF=A力口ABF=人加人8力口11001F=ABF=A力口BFfA加B加11010F=BF=(A+B)力口ABF=(A+Z)加AB力口11011F=ABF=ABF=ABM11100F=1F=人加人F=A加A加11101F=A+BF=(A+B)加AF=(A+B)力口A力口11110F=A+BF=(A+B)力口AF=(A+B)加A加11111F=AF=AF=八減1注1、*表示每一位都移至下一更高有效位，“+”是邏輯或，“加”是算術加注2、在借位減法表達上，表2-1與標準的7

4、4181的真值表略有不同。三.實驗步驟（1）設計ALU元件在QuartusII環境下，用文本輸入編輯器TextEditor輸入ALU181.VHD算術邏輯單元文件，編譯VHDL文件，并將ALU181.VHD文件制作成一個可調用的原理圖元件。（2）以原理圖方式建立頂層文件工程選擇圖形方式。根據圖2-1輸入實驗電路圖，從QuartusII的基本元件庫中將各元件調入圖形編輯窗口、連線，添加輸入輸出引腳。將所設計的圖形文件ALU.bdf保存到原先建立的文件夾中，將當前文件設置成工程文件，以后的操作就都是對當前工程文件進行的。(3)器件選擇選才iCyclone系列，在Devices中選擇器件EP1C6Q

5、C240Gs編譯，引腳鎖定，再編譯。引腳鎖定后需要再次進行編譯，才能將鎖定信息確定下來，同時生成芯片編程/配置所需要的各種文件。(4)芯片編程Programming(可以直接選擇光盤中的示例已完成的設計進行驗證實驗)打開編程窗口。將配置文件ALU.sof下載進GW48系列現代計算機組成原理系統中的FPGA中。(5)選擇實驗系統的電路模式是NO.0,驗證ALU的運算器的算術運算和邏輯運算功能根據表2-1,從鍵盤輸入數據A7.0和B7.0,并設置S3.0、M、Cy,驗證ALU運算器的算術運算和邏輯運算功能，記錄實驗數據。LPMCdUNTTERNOOSclcnp.jo74373b月7.JOD-等E?

6、肛ALU1S1BT7.mOCTALLATCHESM即與CNOCTALLATCHESIIIJIUIIJII74373bOENIG06NDIS-11GiIHRw4COS3.0IM7.0l-KEY2.KEY1AO_B1KEYSSCLKiKEY65KEY?M-KEY8Al7.-0J-iED2,LED1日卜工印4,LED3F7.J0-LffiB.LEDSCN4LED7S3.OLaB辛N河r產書.F7.'.d*THHZ3>CN4圖2-1算術邏輯單元ALU實驗原理圖四.實驗任務(1)按圖2-1所示，在本驗證性示例中用數據選擇開關(鍵3控制)的高/低電平選擇總線通道上的8位數據進入對應白7437

7、3中；即首先將鍵3輸入高電平，用鍵2、鍵1分別向A7.0置數01010101(55H),這時在數碼管4/3上顯示輸入的數據(55H);然后用鍵3輸入低電平，再用鍵2、鍵1分別向B7.0置數10101010(AAH),這時在數碼管2/1上顯示輸入的數據(AAH);這時表示在圖2-1中的兩個74373鎖存器中分別被鎖入了加數55H和被加數AAH。可雙擊圖2-1的ALU181元件，了解其VHDL描述。(2)設定鍵8為低電平，即M=0(允許算術操作)，鍵6控制時鐘SCLK可設置表2-1的S3.0=0F。現連續按動鍵6,設置操作方式選擇S3.0=9(加法操作)，使數碼管8顯示9,以驗證ALU的算術運算功

8、能：當鍵7設置cn=0(最低位無進位)時，數碼管7/6/5=0FF(55H+AAH=0FFH);當鍵7設置cn=1(最低位有進位)時，數碼管7/6/5=100(55H+AAH+1=100H);(3)若設定鍵8為高電平，即M=1,鍵KEY6控制時鐘SCLK設置S3.0=0F,KEY7設置cn=0或cn=1,驗證ALU的邏輯運算功能，并記錄實驗數據。表2-2A7.0,B7.0設置值檢查F7.0SW_B寄存器內容S3S2S1S0MBUSA7.0B7.0010101011010101010010101011010101010(4)驗證ALU181的算術運算和邏輯運算功能，ALU181模塊功能可參照表2

9、-1。表2-3給定了寄存器DRl=A7.0和DR2=B7.0的數據（十六進制），要求根據此數據對照邏輯功能表所得的理論值（要求課前完成）與實驗結果值進行比較（均采用正邏輯0）。（4）表2-4列出了8種常用的算術與邏輯運算要求指定的操作內容，正確選擇運算器數據通路、控制參數S3、S2、S1、S0、M,并將實驗結果值填入括號內，表中給定原始數據DR1=A7.0和DR2=B7.0,以后的數據取自前面運算的結果。表2-3S3S2S1S0A7.0B7.0算術運算M=0邏輯運算（M=1）cn=0（無進位）cn=1（有進位）0000AA55F=()F=()F=()0001AA55F=()F=()F=()00

10、10AA55F=()F=()F=()0011AA55F=()F=()F=()0100FF01F=()F=()F=()0101FF01F=()F=()F=()0110FF01F=()F=()F=()0111FF01F=()F=()F=()1000FFFFF=()F=()F=()1001FFFFF=()F=()F=()1010FFFFF=()F=()F=()1011FFFFF=()F=()F=()11005501F=()F=()F=()11015501F=()F=()F=()11105501F=()F=()F=()11115501F=()F=()F=()表2-48種常用的算術與邏輯運算操作S3S2

11、S1S0MCnDR1DR2運算關系及結果顯示Cn4邏輯乘66FFDRi.DR2-DR2()傳送DR1-DR2()按位加DRi©DR2fDR2()取反DR1-DR2()加1DR2+1-DR?()求負DR2+1-DR2()加法DR1+DR2-DRz()減法DR1DR2-DR2()五.實驗要求1、做好實驗預習，掌握運算器的數據傳送通路和ALU的功能特性，并熟悉本實驗中所用的控制臺開關的作用和使用方法。2、寫出實驗報告，內容是：實驗目的；按理論分析值填寫好表2-2、表2-3和表2-4,給出對應的仿真波形。列表比較實驗數據（2）的理論分析值與實驗結果值；并對結果進行分析。實驗結果與理論分析值比

12、較，有沒有不同？為什么？通過本實驗，你對運算器ALU有何認識，有什么心得體會？六.實驗題與思考題1 .用VHDL實現輸入暫存器74373B的功能，及模式選擇計數器LPM_COUNTER的功能。3 .用VHDL表達整個ALU實驗電路的功能，對電路進行仿真、引腳鎖定、并在實驗臺上實現其功能。4 .用VHDL設計一個簡化的8位alu,具有基本算術運算（加、減、帶進位加、減）功能和邏輯運算（與AND、或OR、異或XOR、非NOT等）功能，給出仿真波形，并在實驗臺上實現。5 .用VHDL設計一個16位的ALU,實現基本的算術邏輯運算，為了節省邏輯資源，建議使用兩個8位ALU模塊級聯而成。6 .對ALU1

13、81進行算術運算和邏輯運算的功能仿真，并記錄仿真波形。2 .帶進位算術運算實驗一.實驗目的1、驗證帶進位控制的算術運算功能發生器的功能。2、按指定數據完成幾種指定的算術運算。二.實驗原理在實3處（1）的基礎上增加進位控制電路，將運算器ALU181的進位位送入D鎖存器，由T4和CN控制其寫入,在此，T4是由鍵5產生的脈沖信號，這時，CN的功能是電平控制信號（高電平時，CN有效），控制是否允許將進位信號co加入下一加法周期的最低進位位，從而可實現帶進位控制運算。74373bQ|6.T|HLU181MQpB.l>A|7.JDIM7.0|OCTALLATCHESADBl力修_#14q七4月N圖2

14、-2A帶進位控制的ALUAJ7.0LED2ILE&1Bf7.O-«-LEDl.LffiSF17即.4JED6LED5CO-LED7S|3.0-LED8型丁|GOCTALLATCHES"74373b,。找43cQj'IN7.01-KEY2.KEY1A0JB1-IKEV314-KEYSSCLK一唯YGCn-KEY7M-KEYS-TO-咨T聞T一-曬1fiIT.（1）根據電路圖2-2A和波形圖B,首先使鍵5(T4)和鍵7(CN)=0;鍵8(M)和鍵3(A0_B1)=1;連續按鍵6,使產生9個脈沖，這時數碼管8顯示9（作加法運算）；再用鍵2,鍵1輸入加數9DH（數碼

15、管4/3顯示9D）;（2）按鍵3=0,再用鍵2,鍵1輸入被加數E5H（數碼管4、3、2、1分別顯示加數和被加數）；再將鍵8（M）置0,使ALU作算術運算，這時可以從數碼管6,5上看到9DH+E5H=82H（低8位和）；（3）先將鍵7（CN）置為1（允許鎖存ALU的進位），再用鍵5（T4）產生一個正脈沖，就能將進位鎖入D觸發器中：數碼管7將顯示1,表示加法有進位，并被鎖；同時可以看到此進位被累加，使數碼管6,5=83H。（4）置鍵8=1,在實驗箱上作邏輯運算方面的實驗，給出相應的仿真波形圖；（5）利用帶進位控制，控制T4,分別由低到高輸入3個8位加數和被加數，計算24位加法：7AC5E9H+BD

16、5AF8H=?最后按照下表完成實驗，記錄實驗數據，給出對應仿真波形圖。表2-5S3S2S1S0A7.0B7.0算術運算M=0邏輯運算（M=1）cn=0（無進位）cn=1（有進位）0101FF01F=()1=()F=()0110FF01F=()rf=()F=()0111FF01F=()F=()F=()1000FFFFF=()F=()F=()1001FFFFF=()|f=()F=()1010FFFFF=()rF=()F=()四.實驗要求1、做好實驗預習，掌握帶進位控制的算術運算功能發生器的功能特性。2、寫出實驗報告，內容是：實驗目的；按理論分析值填寫表2-5。列表比較實驗數據的理論分析值與實驗結果

17、值；并對結果進行分析。實驗結果與理論分析值比較，有沒有不同？為什么？五.附加實驗題和思考題1 .帶進位運算與不帶進位運算有何區別？2 .如何實現帶進位運算，將上一次運算的進位位用于下一次的運算當中，并實現多個8位數據的（如兩個24位數據的加法）運算？在控制電路上應作怎樣的改動？給出24位加法詳細的仿真波形圖。3 .移位運算器實驗一.實驗目的1 .驗證移位控制的組合功能。二.實驗原理1、移位運算實驗原理圖如圖2-3所示。移位運算器SHEFT使用VHDL語言編寫，其輸入/輸出端分別與鍵盤/顯示器LED連接。移位運算器是時序電路，在時鐘信號到來時狀態產生變化，CLK為其時鐘脈沖。由So、S1、M控制

18、移位運算的功能狀態，具有數據裝入、數據保持、循環右移、帶進位循環右移，循環左移、帶進位循環左移等功能。移位運算器的具體功能見表2-7所示：2 .電路連接、輸入數據的按鍵、輸出顯示數碼管的定義如圖2-3右上角所示。CLK時鐘脈沖，通過鍵5產生01;M工作模式，M=1時帶進位循環移位，由鍵8控制；C0允許帶進位移位輸入，由鍵7控制；S移位模式03,由鍵6控制，顯示在數碼管LED8上；D7.0移位數據輸入，由鍵（2和1）控制，顯示在數碼管（2和1）上；QB7.0移位數據輸出，顯示在數碼管（6和5）上；CN移位數據輸出進位，顯示在數碼管（7）上；三.實驗步驟（1）實驗臺選擇模式0、下載（Configure）到實驗臺；示例工程文件是1SHEFT.bdf,（2）鍵入待移位數據。通過鍵盤鍵1、鍵2向D7.0置數01101011（6BH,顯示在數碼管2和1）。（3）將D7.0裝入移位運算器QB7.0。鍵6設置（S1,S0）=3,鍵8設置M=0,（S&M=6,允許加載待移位數據，顯示于數碼8）;此時用鍵5產生CLK（0-1-0）,將數據裝入（加載進移位寄存器，顯示在數碼管6和5）。（4）對輸入數據進行移位運算。再用鍵6設置為（S1,S0）=2（S&M=4,顯示于數碼8,允