计算机组成原理--实验二 算术逻辑运算实验

实验二算术逻辑运算实验

一、实验目的

（1）了解运算器芯片（74LS181）的逻辑功能。

（2）掌握运算器数据的载入、读取方法，掌握运算器工作模式的设置。

（3）观察在不同工作模式下数据运算的规则。

二、实验原理

1.运算器芯片（74LS181）的逻辑功能

74LS181是一种数据宽度为4个二进制位的多功能运算器芯片，封装在壳中，封装形式如图2-3所示。

图2-374LS181封装图

主要引脚有：

（1）A0—A3：第一组操作数据输入端。

（2）B0—B3：第二组操作数据输入端。

（3）F0—F3：操作结果数据输入端。

（4）F0—F3：操作功能控制端。

（5）：低端进位接收端。

（6）：高端进位输出端。

（7）M：算数/逻辑功能控制端。

芯片的逻辑功能见表2-1.从表中可以看到当控制端S0—S3为1001、M为0、为1时，操作结果数据输出端F0—F3上的数据等于第一组操作数据输入端A0—A3上的数据加第二组操作数据输入端B0—B3上的数据。当S0—S3、M、上控制信号电平不同时，74LS181芯片完成不同功能的逻辑运算操作或算数运算操作。在加法运算操作时，、进位信号低电平有效；减法运算操作时，、借位信号高电平有效；而逻辑运算操作时，、

进位信号无意义。

2.运算器实验逻辑电路

试验台运算器实验逻辑电路中，两片74LS181芯片构成一个长度为8位的运算器，两片74LS181分别作为第一操作数据寄存器和第二操作数据寄存器，一片74LS254作为操作结果数据输出缓冲器，逻辑结构如图2-4所示。途中算术运算操作时的进位Cy判别进位指示电路；判零Zi和零标志电路指示电路，将在实验三中使用。

第一操作数据由B-DA1(BUSTODATA1)负脉冲控制信号送入名为DA1的第一操作数据寄存器，第二操作数据由B-DA2(BUSTODATA2)负脉冲控制信号送入名为DA2的第二操作数据寄存器。74LS181的运算结果数据由（ALUTOBUS）低电平控制信号送总线。S0—S3、M 芯片模式控制信号同时与两片74LS181的S0—S3、M端相连，保证二者以同一工作模式工作。实验电路的低端进位接收端Ci与低4位74LS181的相连，用于接收外部进位信号。低4为74LS181的与高4位74LS181的上相连，实现高、低4位之间进位信号的传递。高4位之间进位信号的传递。高4位74LS181的送进位Cy判别和进位指示电路。

表2-174LS181芯片逻辑功能表

控制电平说明：“L”或“0”表示低电平，“H”或“1”表示高电平

逻辑操作符说明：“—”表示非操作，“+”表示“或”操作，“?”表示“与”操作，“⊕”表示“异或”

算术操作符说明：“加”表示加法操作，“减”表示减法操作

三、实验过程

1.连线

参照实验逻辑原理图进行连线，实验台上数据线用总线连接器连接好后一般不动，控制信号线需手工连接，本实验要连接的控制线如下。

（1）把输入、输出单元(INPUT/OUTPUTUNIT)的、与手动控制开关单元（MANUALUNIT ）的、相连接。

（INPUT/OUTPUTUNIT)的Ai接地。

把算术逻辑部件(ALUUNIT)的S3—S0、M、Ci与手动控制开关单元(MANUALUNIT)的S3-S0、M、Ci相连接。

把算术逻辑部件(ALUUNIT)的B-DA1、B-DA2、与手动控制开关单元(MANUALUNIT)的B-DA1、B-DA2、相连接。

图2-4算数逻辑运算部件原理图

2.数据输入过程

(1)把开关、、B-DAI、B-DAI2、拔上，确保为高电平，使这些信号处于无效状态。

(2)在输入数据的开关上拨好数据代码，例如“00010001”，即16进制数11H(以后再许多情况下要使用16进制表达方式)。

(3)把输入控制信号开关拔下成低电平。这时总线上显示的状态应该与输入数据一致。

(4)把第一组数据输入控制信号B-DAI的开关拨动一次，即实现“1-0-1”，产生一个负脉冲，作用是把数据“11H”送第一数据寄存器DAI中。

3.数据输出过程

(1)为了检验数据送入的正确性，现把DAI中的内容送到总线上。

(2)把输入数据的开关上的输入数据代码拨成00H，与刚才送第一数据寄存器DAI的数据区分开。

(3)把输入控制信号开关拨上成高电平无效，这是总线上的状态应该与输入数据无关，显示为FFH。

（4）把74LS181功能控制端S3—S0设置为1111，M为1，参照表2—174LS181逻辑功能表，其输出数据F等于第一组数据输入端A，既DA1上的数据。

（5）把控制信号拨成低电平，可以看到第一数据寄存器DA1中的数据“11H”经74LS181的A输入端传送到输出口F，再传送到总线BUS。

（6）使用类似的方法把“00100001”（即16进制数21H）用第二数据寄存器输入控制信号B－DA2，将其送到第二数据寄存器DA2，再把第二数据寄存器DA2中的数据送总线。74LS181的功能控制端S3-S0为“1010”，M为1的功能是把第二组数据输入端B的数据送输出端F。同样把——ALU－B控制信号拨成低电平，把数据传送到总线BUS。

4.数据运算过程

（1）在完成数据输入、输出的基础上进行数据运算操作。

（2）从LS181逻辑功能表上查得“A加B，不考虑低端进位”操作的功能控制码为S3—S0＝1001、M＝0、Ci＝1，把这些控制码拨好。

（3）把控制信号拨下呈低电平，这时运算结果（正常的运算结果应为“00110010”，即16进制数32H）送到总线，在总线指示灯上可观察到此数据。

（4）把控制信号开关拨动一次，即实现“1—0—1”，产生一个负脉冲，这时总线上的数据就输出缓冲器，显示在LED指示灯L7—L0上。

（5）Ci是低端位进位输入，Ci＝1表示无进位，Ci＝0表示有进位。在进行“A加B”操作时，Ci＝1，操作结果是“00110010”，即16进制数32H；Ci＝0，操作结果是“00110011”，即即16进制数32H，从而可以验证低端位进位输入的作用。

（6）变换操作功能控制码S3—S0＝1001、M＝0，进行A－B操作，进行减法操作时，Ci＝0表示无进位，用上面的数据做减法运算，结果为16进制数10H（21H减11H减借位＝10H）。

（7）变换不同的操作数据，观察不同的运算结果；变换不同的功能控制码S3—S0，M，进行不同的操作过程，观察不同的结果。

四、结果与总结

（1）在实验过程中把实验步骤用时序图的形式表示出来。

（2）变换不同的操作数据和不同的运算模式，把观察到的数据填入算术逻辑运算表2-2中。

表2-2实验记录