计算机组成原理运算器实验

成绩：计算机原理实验室实验报告

课程：计算机组成原理

姓名：袁通

专业：软件工程

学号：152056136

日期：2017年6月

太原工业学院

计算机工程系

实验一：运算器实验

实验环境PC机＋Win 2007（旗舰版＋proteus仿真器实验日期2017.6.6 一．实验内容

[基本要求]

1.熟悉proteus仿真系统

2.设计并验证4位算数逻辑单元的功能

[扩展要求]

1.实现8位二进制算数逻辑单元

[思考内容]

思考单总线，双总线和三总线结构在设计上的异同

二．理论分析或算法分析

（1）理论分析：ALU能进行多种算术运算和逻辑运算。4位ALU-74LS181能进行16种算术运算和逻辑运算，功能表如下所示：

工作选择逻辑运算（M=1）算术运算（M=0）

S3 S2 S1 S0 逻辑运算CN=1（无进位）CN=0（有进位）

0 0 0 0 F=/A F=A F=A加1

0 0 0 1 F=/(A+B) F=(A+B) F=(A+B)加1

0 0 1 0 F=(/A)B F=A+/B F=(A+/B)加1

0 0 1 1 F=0 F=负1（补码形式）F=0

0 1 0 0 F=/(AB) F=A加A(/B) F=A加A/B加1

0 1 0 1 F=/B F=(A+B)加A/B F=(A+B)加A/B加1

0 1 1 0 F=A⊕B F=A减B减1 F=A减B

0 1 1 1 F=A/B F=A(/B)减1 F=A(/B)

1 0 0 0 F=/A+B F=A加AB F=A加AB加1

1 0 0 1 F=/( A⊕B) F=A加B F=A加B加1

1 0 1 0 F=B F=(A+/B)加AB F=(A+/B)加AB加1

1 0 1 1 F=AB F=AB减1 F=AB

1 1 0 0 F=1 F=A加A F=A加A加1

1 1 0 1 F=A+/B F=(A+B)加A F=(A+B)加A加1

1 1 1 0 F=A+B F=(A+/B)加A F=(A+/B)加A加1

1 1 1 1 F=A F=A减1 F=A

（2）基本要求和扩展要的主要区别：

基本只利用了一个74ls181，由A和B两个操作数，实现基本的4位2进制数的运算。而扩展要求使用了2个74ls181，1个位AB操作数的第四位第2个是AB操作数的高四位，低位芯片的进位输出端Cn+4 与高位芯片的进位输入端Cn 相连，使低4 位运算产生的进位送进高4位运算中。实现8位二进数的16中操作。

三．实现方法（含实现思路、程序流程图、实验电路图和源程序列表等）

（1）设计并验证4位算数逻辑单元的功能： ALU-74LS181引脚说明：M=1逻辑运算，M=0算术运算

引脚说明

M状态控制端M=1逻辑运算；M=0算术运算。

S3 S2 S1 S0运算选择控制S3 S2 S1 S0决定电路执行哪一种算术

A3 A2 A1 A0 运算数1，引脚3为最高位

B3 B2 B1 B0 运算数2，引脚3为最高位

Cn 最低位进位输入Cn=0有进位，Cn=1无进位；

Cn+4本片产生的进位信号Cn+4=0有进位，Cn+4=1无进位；

F3 F2 F1 F0 F3 F2 F1 F0运算结果，F3为最高位

（2）74LS181的A3 A2 A1 A0，B3 B2 B1 B0作为输入端口，分别输入二进制数值，然后用运算选择控制端口S3 S2 S1 S0来选择执行什么操作，通过改变控制端口的操作来观察输出结果的不同。

（3）实现输入输出锁存

输入设备数据开关经一个三态门（74LS273）和数据总线相连。输出设备经一锁存器（74LS273）实现，盖锁存起的输入端和数据总线相连，输出端以二进制的形式输出结果。实验电路如下图所示：

四．实验结果分析（含执行结果验证、输出显示信息、图形、调试过程中所遇的问题及处理方法等）（一）

1.基本实验

验证74LS181型4位ALU的逻辑算术功能，填写下表(下表中的“/”表示求反)：

S3S2 S1S0 A3A2A1A0 B3B2B1B0 算术运算（M=0）逻辑运算

（M=1）

CN=1(无进位) CN=0(有进位)

1001 0001 1001 F=A加B（图1）F=A加B加1（图2）F=/(A⊕B)（图3）

图1

图2 图3

2.扩展实验

扩展电路图：

实验结果验证

S0S1 S2S3 数据A 数据B 算术运算（M=0）逻辑运算

（M=1）

CN=1(无进位) CN=0(有进位)

1001 00011001 00011001 F=00110010

（图1）F=00110011

（图2）

F=11111111

（图3）

图1 图2

图3

（二）思考问题：思考单总线，双总线和三总线结构在设计上的异同

1. 单总线结构：只有一条系统总线，所有部件通过系统总线接入。各大部件都连接在单一的一组总线上，故将这个单总线称为系统总线。

2. 双总线结构：在单总线的基础上增加一条专用于CPU和主存之间的数据传送通路。这种结构保持了单总线系统简单、易于扩充的优点，但又在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线，使CPU可通过专用总线与存储器交换信息，减轻了系统的负担。

3. 三总线结构：在双总线系统的基础上增加I/O总线形成的。其中，系统总线是CPU、主存和通道（IOP）之间进行数据传送的公共通道，而I/O总线是多个外部设备与通道之间进行数据传送的公共通道。

五．结论

通过这次实验的完成,我学会了系统的应用，以及怎样绘制一个74LS181的寄存器，从而在寄存器中实验算数运算的过程。完成了本次实验要求的设计并验证了4位算数逻辑单元、实现输入输出锁存、实现8位算数逻辑单元的实验内容。

虽然这是计算机组成原理的第一个实验，但是经过老师的示范基本熟悉了整个实验系统的基本结构，了解了寄存器的添加和绘制，最重要的是通过实验掌握了运算器工作原理，熟悉了算术/逻辑运算的运算过程以及控制这种运算的方法。经过了这次实验的认真学习相信在下一次的实验中会更加顺利的。