计算机组成原理实验报告

郑州航空工业管理学院

计算机科学与应用系实验报告

课程名：计算机组成原理

学号：*********

*名：***

指导教师：**

成绩；

计算机科学与应用系

实验一运算器实验（一）

1、实验目的

①深入了解AM2901运算器的功能及具体用法。

②深化运算器部件的组成、设计、控制与使用知识。

③能够熟练掌握对运算器所需控制信号的设置，并使之完成运算。

④能够独立地成功完成所给指令在运算器中的运算实验。

2、实验要求

①实验前，认真了解AM2901运算器的基本结构，预习所需实验的内容，并在课前填写实验步骤表格，对于实验数据和实验结果进行预期性的分析，以提高实验效率。

②实验过程中，要按照正确的流程操作，防止损坏设备，分析可能遇到的各种现象，判断结果是否正确，并记录运算结果。

③实验之后，要认真填写实验报告，包括对对到的各种现象的分析，实验步骤和实验结果。

3、实验原理

（1）运算器数据通路

TEC-XP教学机的运算器主要采用4片AM2901芯片级联组成；每片AM2901芯片实现4位运算，4片芯片级联成16位的运算器。

AM2901芯片组成包括：1个4位的算术逻辑运算单元ALU、16个4位的通用寄存器、一个4位的乘商寄存器Q和若干个多路选择开关。AM2901的数据通路如图所示：

①算术逻辑运算单元ALU

ALU有两个数据输入端R和S。在RS的各种组合中除去没有意思的和重复的，只有8种有效组合。ALU可完成连个操作数的加、减、与、或、异或等多种操作。ALU的输出结果可保存到通用寄存器、乘商寄存器Q，并且可将其值乘除2之后在保存。ALU根据其运算的结果会产生4个标志位——符号标志位F3、零标志位F=0、溢出标志位OVR和进位标志位Cn+4。

②通用寄存器组

AM2901中的通用寄存器组是由16个寄存器构成，具有双端口读写电路。可以通过A口、B口输入的地址（4位地址）选择寄存器，将其值送入A、B锁存器。其中A口地址指定的寄存器是只读的，B口地址指定的寄存器是可读写的。

A和B锁存器可作为ALU的输入数据，ALU输出的结果值也可以保存到B 口指定的寄存器中，而且在写寄存器时，可以通过通用寄存器组入口的三选一多路开关，选择写入ALU结果值，或其左移（乘2）、右移（除2）之后的结果。

③乘商寄存器

乘商寄存器是Q是为配合ALU的乘除运算二设置的。该寄存器输入端有三选一多路开关，可选择ALU输出结果、或乘商寄存器Q本身的内容作为其输入数据，同时还可以将这两个输入值左移、右移之后在送入Q中。

④最低进位信号Cin

AM2901的基本运算是加法电路，其减法功能的实现是通过对减数求补而完成的。因此，在ALU运算时，应使用SCI控制位设置最低进位信号Cin的状态。（2）AM2901的级联结构

一片4位的AM2901芯片的引脚信号如图所示。其中A3~A0、B3~B0用于输入选中的通用寄存器地址；I8~I0用于运算过程的控制信号；D3~D0用于输入外部数据；Y3~Y0用于输出运算的结果；CP为时钟信号；/OE为选通信号；RAM3、RAM0为运算结果左右移动时的移出位；Q3、Q0为乘商寄存器Q左右移时的移出位；Cy、F=0、Over、F3分别为进位标志位、零标志位、溢出标志位、符号标志位；Cin为外部输入的最低进位。

注：TEC-XP教学机的16位运算器是采用4片AM2901芯片级联而成的，各芯片之间采用串行进位方式，具体连接图在此并未给出。

（3）AM2901时钟信号的作用

在AM2901的每个ALU操作周期内，ALU各部件的执行时间是不同的。在时钟脉冲为高电平时，从寄存器组读出的数据可穿过锁存器直接传送到ALU的数据输入端，在下降沿时，A、B口数据锁存，在时钟脉冲为低电平时，通用寄存器接收运算器的输出结果，上升沿时，Q寄存器接受数据。

（4）实验控制信号开关说明

该实验是在完全脱机的方式下完成的。实验过程中，使用实验箱面板下方标有micro switch 1和micro switch 2的两个红色开关，设置24位的运算控制信号。运算完成后，通过实验箱面板中间位置的发光二极管观察运算结果。实验过程中可能会用到外部输入数据，则可通过实验箱面板右下方的16个黑色数据开关设置。控制信号顺序如下图所示：

Micro switch开关信号顺序图

（5）指令举例

指令1：MVRD R0，OFFFFII

分析：

①该指令是在使用立即数为寄存器赋值的，立即数应从数据总线拨入，经ALU传送至目的寄存器R0，因此，ALU的数据来源应选择D、0，即I2~I0取值

为111.

②该赋值指令中的数据必须经过ALU才可写入通用寄存器，可使用FFFFH+0->R0的操作，因此，ALU的运算类型应该选择算术加；I5~I3取值为000。

③ALU的运算结果应保存至B口地址指定的通用寄存器中，即I8~I6取值为011，同时B口地址输入R0的地址（0000）。

④其余信号：A口地址无用，为任意值；SST取000（标志位保持不变，传送类指令不影响标志位状态）；SSH-00（不移位）；Sci-00（Cin=0）。

4、实验步骤

①首先，将TEC-XP教学机左下方的5个功能开关设置为1**00（单步、16位、脱机）；先按一下“RESET”按键，再按一下“START”按键，进行初始化。

②完成初始化后，根据所给定的指令，按顺序控制运算器执行每条指令，每条指令执行时请记录按START前和按START后两个时刻的状态。

③预习AM2901运算器原理，按步骤完成实验后，填写的实验表格如下：

5、实验结果及总结

通过本次实验，进一步了解了AM2901运算器的基本结构，能够熟练的操作运算器面板上的按键，在实验过程中，也遇到了些问题，比如刚开始没能设置好Micro switch开关中相关信号的位置，还有对于什么时候该按“START”和“RESET”没有弄清楚。不过，通过不断地摸索与调试，最终成功完成了此次实验，感觉收获还是颇多的。