组成原理实验课件--运算器

31
教学机运算器控制信号汇总
数据组合（ I2 I1 I0 ）
3位
功能代码（ I5 I4 I3 ）
3位
结果处理（ I8 I7 I6 ）
3位
A口地址
4位
B口地址
4位
状态寄存器接收信号（SST） 3位
移位控制信号（SSH）
和最低位进位控制信号（SCI） 3位
23位
32
16 位运算器的完整组成
SST
C
Z
其输出为 F，两路输 入为 S、R，最低位 进位Cn，4个状态输 出信号如图所示
12
B锁存器 A锁存器
B 16个 A A口地址 通用寄存器 B口地址 （写入）
三选一
RAM3
RAM0
也可称为移位器
该寄存器组的写入，只能用B 地址实现，写入数 据是ALU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、 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。
片间高A速m进29位02用 Am2902
Cin
Cn+z Cn+y Cn+x
Y7~4
/G
/P
Y3~0
Am2901
Am2901
低位
RAM0
Am2901
Q0
D11~8
D7~4
D3~0
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Am2901完成功能需要的控制信号
数据组合（ I2 I1 I0 ） 功能代码（ I5 I4 I3 ） 结果处理（ I8 I7 I6 ） A口地址 B口地址 最低位进位控制信号（SCI） 移位控制信号（SSH） 状态寄存器接收信号（SST）
V
S
1
0
C
Cy
3
F0
右移控制
GAL
GAL
GAL
来自内部总线 IB
Y15~0
Cy
四 位 标
F=0 OVR
16位的
Cin
志 F15
3
位
0,1,RAM0
Q0,RAM15
右 RAM15
移 输
Q15
运算器 RAM0 Q0
入
信 号
B口
3 D15~0
A口 I8~I0
SSH
SSH
GAL
SCI
最
0
低
1
位
C
进
位
左
0
移 输
有一些功能（数 据）取决于如何 使用 Am2901， 与指令和指令的 执行步骤有关， 必须用另外的线 路来处理的，包 括：
23
需要在Am2901芯片外部处理的逻辑功能：
① 最低位进位控制信号（SCI） ② 移位控制信号（SSH） ③ 状态寄存器接收信号（SST）
24
① 需要正确给出芯片的最低位的进位输入 信号Cin ，选用3位的控制码SCI确定。
微型开关
16位的
手拨输入开关
9
Am2901的内部组成与功能
10
输出Y /OE
二选一 F
F3 F=0000 OVR Cn+4
ALU
S
R Cn
三选一 二选一
组成 算逻运算 部件 1 6 个 累加器 乘商寄存器 Q 5组多路选择门
乘商寄存器Q B锁存器 A锁存器 输入D
功能
Q3
Q0
三选一
B 16个 A A口地址 8 种 运算功能 通用寄存器 B口地址 8 种由16个寄存器构 成，并通过B口 与A口地址选择 被读的寄存器， B口地址还用于 指定写入寄存器
通过B口地址、 A口地址读出的 数据将送到B、 A锁存器，要写 入寄存器的数据 由一个多路选择 器送来。
13
输出Y /OE
F3 F=0000 OVR Cn+4
乘商寄存器Q
I8 I7 I6
B
Q
Y
000
Q← F F
001
F
010 B← F
A
011 B← F
F
100 B← F/2 Q← Q/2 F
101 B← F/2
F
110 B← 2F Q← 2Q F
111 B← 2F
F
I5 I4 I3
R+S S− R R− S R٧ S RΛS RΛS R⊕S R⊕S
I2 I1 I0
R
RAM3
RAM0
也可称为移位器
14
输出Y /OE
F3 F=0000 OVR Cn+4
乘商寄存器Q
Q3
Q0
三选一
二选一 F
ALU
S
R Cn
三选一 二选一
B锁存器 A锁存器 输入D B 16个 A A口地址 通用寄存器 B口地址
该芯片的第四 个组成部分是 5 组多路数据选 择电路，通过 它们，实现芯 片内上述三个 组成成分之间 的联系，也实 现该芯片和其 外界信息的输 入与输出操作。
18
表2-3 选择运算器的8 种运算结果处置方案
3位控制码
结果处置
I8 I7 I6
000 001 010 011 100 101 110 111
通用寄存器
BF BF BF/2 BF/2 B2F B2F
Q寄存器
QF
QQ/2 Q2Q
Y输出
F F A F F F F F
Am2901的控制信号汇总表
编码
三选一
RAM3
RAM0
8 种 结果处理
11
符号位 结果为零 结果溢出 进位输出
F3 F=0000 OVR Cn+4
F
ALU
S
R Cn
3 位功能选择码
000 001 010 011 100 101 110 111
8 种运算功能
R+S SR RS R٧ S RS R R⊕S S R⊕S
第一个组成部分是 算逻运算部件ALU, 完成 3 种算术运算 和 5 种逻辑运算， 共计 8 种功能。
SCI
Y15~0
Cy F=0
最
0
低
1
GAL
OVR 16位的 Cin
位
C
F15
3进
位
RAM15 运算器 RAM0
Q15
Q0
I8~I0 A口 B口
D15~0
25
表 2-4 :
26
② 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3位的控制码
SSH确定。
Y15~0
Cy
F=0
Cin
OVR 16位的 F15
0 1 1 0 00 1 1 1 001
0 0 0 0 0 000 0000
B← F R + S R S D0
接受ALU 状态输出
微型开关与控制信号的对应关系 35
CZVS 运算器的 状态位 状态位 MIO REQ WE DC2,DC1
AR 高8位 AR 低8位
考勤 课上完成实验情况 实验报告 综合作业
3
第一部分：实验须知
实验预习 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、 分析、总结，可加深对所学理论知识的理解。 实验守则 （1） 保持实验室的整洁，禁止在实验室用餐、喝饮料。 （2） 严禁带电接线和拆线，不要用手触及任何带电部 分。 （3）实验设备发生故障时，必须立即断电，并马上报 告老师。
微型开关
16位的
手拨输入开关
5
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 终端
PC机
微程序
电源 运算器 +5V
串 行 接 口
控制器
硬布线 控制器
(16 位)
主存储器 （16位）
接
内口 存实 扩验 展中 实断
按键 开关 指示灯
验实
验
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 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。
三选一
RAM3
RAM0
15
输出Y /OE
F3 F=0000 OVR Cn+4
二选一 F
ALU
S
R Cn
一组二选一门， 选择把A口数据 或ALU结果送出 芯片，以给出输 出Y的数据，Y输 出的有无还受输
三选一 二选一
出使能 /OE信号
的控制，仅当
Q寄存器
Q3
Q0
三选一
B锁存器
A锁存器
输入D
/OE为低是才有Y 输出 ，
17
表2-1 选择8 种运算功能
I5 I4 I3 运算功能
000 R+S
001 SR
010 RS
011 R٧ S
100 R S
101 110
R R⊕S S
111 R⊕S
表2-2 选择ALU的8 种输入 数据组合
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
0
C
Cy
3
F0
右移控制
GAL GAL
右 RAM15
移 输
Q15
运算器 RAM0 Q0
入
信 号
B口
3 D15~0
SSH A口 I8~I0
SSH
左
0
移 输
C
入 Q15
信 /F15
号
左移控制
27
28
RAM0
C 0 通用寄存器
RAM15
SHR 0 SHL
RAM0
C
通用寄存器
RAM15
RCR RCL
29
③ 4个标志位的值的接收与记忆电路 （即运算器的状态寄存器）
/OE为高，Y输出
B 16个 A A口地址 为高阻态。
通用寄存器 B口地址
三选一
RAM3
RAM0
16
Am2901 运行功能的控制
为了控制Am2901 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 提供相应的控制信号，包括：用3组各3位 的编码，分别用于选择ALU 的运算功能， 输入数据，结果处置方案，具体规定如 表2-1、表2-2 和表2-3 所示。
Q3
Q0
三选一
二选一 F
ALU
S
R Cn
三选一 二选一
B锁存器 A锁存器 输入D B 16个 A A口地址 通用寄存器 B口地址
第三个组成部 分是乘商寄存 器Q，主要用 于实现硬件的 乘法、除法运 算。它能对自 己的内容完成 左右移位功能， 其输出可以送 往ALU，并可 接收ALU的输 出结果。
三选一
6
第三部分：实验项目 实验二：脱机运算器实验
实验目的 深入了解AM2901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 察指令执行的结果对状态标志的影响；了解4片 AM2901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。 实验说明 1、位片结构的运算器芯片Am2901 Am2901芯片是一个 4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。
S
AQ
AB
0Q
0B
0A
DA
DQ
D0
20
2、教学计算机运算器的设计与实现
教学计算机运算器是由 4片Am2901芯片和一些配套电路组成， 字长16位。
21
Vcc
R
F=0
F15 OVER Y15~12
Cy
高位
RAM15
Am2901
Q15 CP A口 B口 I8~6 I5~3 I2~0 D15~12
Y11~8
4
第二部分：TH-union 教学计算机介绍
微程序
控制器
串口电路 5V电源
电源 开关
组合逻辑
控制器
运算器
内存 储器
RESET,START 运行功能选择开关 I8~6 I5~3 I2~0 SST SCI SSH A口 B口
按键 单步，手拨，组合逻辑，联机 8位，
连续，内存， 微程序，脱机 16位，
两个12位的
SST
C ZVS
000
C ZVS
001
Cy ZR OV F15
010
IB7 IB6 IB5 IB4
011
0 ZVS
100
1 ZVS
101
RAM0 Z V S
110 RAM15 Z V S
111
Q0 Z V S
说明
标志位值保持不变 接受ALU状态输出 接收内部总线输出 CLC 置 “0” C STC 置 “1” C 右移操作 左移操作 联合右移
8
微程序
控制器
组合逻辑
控制器
运算器
TH-union 教学计算机
串口电路 5V电源
电源 开关
内存 储器
RESET,START 运行功能选择开关 I8~6 I5~3 I2~0 SST SCI SSH A口 B口
按键 单步，手拨，组合逻辑，联机 ， 8位
连续，内存， 微程序，脱机 ， 16位
两个12位的
C
入 Q15
信 /F15
号
左移控制
33
3、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， 此时，它的全部控制和操作均需通过两个12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 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 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 容之后，很容易与通过计算机的控制器 控制运算器运行的具体 实现方案联系起来，更有利于把复杂的事情简单化。
计算机组成原理实验
任课教师：刘万成
1792742986@
1
实验教学安排
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 （1）
实验三：存储器扩展实验
（1）
实验四：微程序控制器实验
（2）
实验五：中断实验
（1）
2
实验考核方法
《计算机组成原理》实验成绩为20分。 实验成绩包括：
SST 来自内部总线 IB
Y15~0
C Z V S
GAL
Cy
四 位 标
F=0 OV
1 志 F15
位
16位的
Cin
0,1,RAM0
Q0,RAM15
RAM15 运算器 RAM0
Q15
Q0
B口
D15~0
A口 I8~I0
30
4个标志位信号的变化有8种不同情况，使用3 位的编码SST来区分。
用 3 位码控制 有 8 种方案
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两个12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 果和运算器输出内容的3组3位的控制码；
SCI、SSH和SST：用于确定运算器最低位的进位输入、移位 信号的入/出和怎样处理AM2901产生的状态标志位的结果。
A口、B口地址：送给AM2901器件用于选择源与目的操作数 的寄存器编号。