科 技 学 院 综合实验报告
( 2011 -- 2012 年度第 一 学期)
名 称： 计算机组成原理综合实验 题 目： 运算器实验 院 系： 信息工程系 班 级： 学 号： 学生姓名： 南方小羊 指导教师： 李梅 王晓霞 设计周数： 第十八周
成 绩：
日期： 年 月
一、目的与要求
1. 熟悉与深入理解4位的运算器芯片Am2901的功能和内部组成，运行中要求使用的
控制信号及其各自的控制作用；
2. 熟悉与深入理解用4片4位的运算器芯片构成16位的运算器部件的具体方案，各
数据位信号、各控制位信号的连接关系；
3. 熟悉与深入理解用2片GAL20V8芯片解决ALU最低位的进位输入信号和最高、最低
位的移位输入信号、实现4位的标志位寄存器的方案，理解为什么这些功能不能在运算器芯片之内实现而要到芯片之外另外处理；
4. 明确教学计算机的运算器部件，使用总计23位的控制信号就完全确定了它的全部
运算与处理功能，脱机运算器实验中可以通过24位的微型开关中的23位提供这些控制信号，教学计算机正常执行指令时，这些控制信号必须改由控制器部件来提供。在两种方式下，每一位（组）的控制功能是完全相同的。
二、实验正文
1． 实验内容
1．1 脱机运算器和联机运算器的区别和联系
运算器是计算机硬件系统传统的5大功能部件之一，承担执行运算和暂存运算
数据的功能，通常由执行算术逻辑运算功能的ALU线路、暂存参加ALU运算的数据和中间运算结果的通用寄存器组、支持乘除法运算的专用寄存器三部分组成，三个部分之间通过多路选择器线路实现连接，从而构成一个完整的运算器部件。
TEC-XP16教学计算机的运算器部件，主体部分由4片4位长度的位片结构的运算器芯片Am2901组成，每片Am2901可以接收来自内部总线IB的4位输入数据，其4位输出都直接送到地址寄存器AR的不同字段（AR不属于运算器的组成部分，图中用虚线框表示），并且经过支持三态功能的开关门电路送到内部总线IB。还要使用MACH芯片内部的部分电路提供ALU最低位的进位输入信号和最高、最低位的移位输入信号，使用一片GAL20V8实现4位的标志位寄存器FLAG，接收ALU输出的4个标志位信号和来自内存堆栈区的4位数据（用于恢复现场状态信息），FLAG的4位输出可以经过一片带支持三态功能的开关门电路送到内部总线IB，用于保存现场状态信息到堆栈区。教学机运算器部件的组成线路和信息连接关系如图2．1所示。
FtoIBC Z V SRAM15 Q015FLAGAR15~8AR7~0Am2901-3Am2901-2Am2901-1ALU 结果指示灯Am2901-0ALUtoIBRAM0 Q0 CinALUtoIB内部总线IB图2.1 运算器组成线路和信息连接关系
运算器部件的教学实验，要在教学计算机主板上进行，既可以在脱机方式下完成，也可以在联机方式下完成。
脱机运算器实验方式是指使运算器部件完全脱离与计算机主机其他部件正常的连接关系，在完全孤立出来的运算器上进行的教学实验。此时，只能通过数据开关拨入参加运算的数据，通过微型开关提供操作运算器运行所必需的控制信号，通过信号指示灯观察运算结果，操作简单，实验结果清晰易理解。图2. 2为16位运算器脱机实验的环境，在计原16系统中，运算器最低位的进位输入信号Cin和左右移位输入信号RAM0、Q0、RAM15、Q15是由MACH芯片内部的SHIFT线路提供的，图左侧的长方形部分是MACH内部的线路。16个开关拨入的数据经开关门电路送到内部总线，内部总线与运算器的输入端D15~D0已经连接。23位的微型开关的不同组合完成不同的控制，其各编码对应的控制功能给出在表2-1。
图2.2 脱机运算器实验的环境
联机实验方式是指在运算器部件与计算机主机保持正常连接关系，教学计算机可以正常执行指令的情况下进行的以运算器为重点的教学实验。此时，可以通过指令提供参加运算的数据，通过控制器提供操作运算器运行所必需的控制信号，通过信号指示灯或者通过运行监控程序观察运算结果，操作略显复杂，涉及到目前尚未讲解到的如何让控制器提供运算器实验所要求的控制信号的办法，有一定难度，当然完成实验后的收获也会更大，提前接触到控制器部件的一些内容。
1．2 脱机运算器实验微型开关各字段的控制功能
TEC-XP 16脱机运算器实验微型开关各字段的控制功能 I8~6 I5~3 I2~0 REG 000 001 010 011 100 101 110 111 F→B F→B F/2→B F/2→B 2F→B 2F→B Q F→Q Q/2→Q 2Q→Q Y F F A F F F F F 功能 R+S S–R R–S R∨S R∧S /R∧S R⊕S /(R⊕S) R A A 0 0 0 D D D S Q B Q B A A Q 0 SSH SCI Cin / Shift
SST 000 001 010 011 100 101 111
1．3 脱机运算器实验
0 1 RAM0 Q0 C C CY Z Z F=0 Z Z Z Z Z V V OVR V V V V V S S F15 S S S S S
000 001 010 100 101 Cin = 0 Cin = 1 Cin = C 逻辑移位 循环移位 内部总线 110 RAM15 1.脱机的运算器实验，在教学实验中实现如下7项操作功能： 预期功能 实现方案
R0 ← 1234 数据开关拨1234, B地址给0, D+0， 结果送B口选的R0 R9 ← 789F 数据开关拨789F, B地址给9, D+0， 结果送B口选的R9 R9 ← R9-R0 B地址9,A地址给0,最低位进位给1,B-A,结果送B口选的R9 R0 ← R0+1 B地址给0,最低位进位给1，B+0， 结果送B口选的R0 R10← R0 B地址给A,A地址给0, A+0， 结果送B口选的R10 逻辑右移
R0 ← R9^R0 B地址给0值, A地址也给9值, B^A并实现逻辑左移操作 Q ← R9 A地址给9, 通用寄存器不接收,A+0，结果送Q寄存器
在有了预期功能和实现方案之后，要解决的具体问题，就是依据教学计算机的简明操作卡中的有关表格中规定的内容，找出实现每一操作功能要用到的控制码。
有了预期功能和实现方案后，要解决具体问题，就是依据教学计算机的简明操作卡中的有关表格中的规定内容，找出实现每一操作功能要用到的控制码。请把下表中各种控制信号的正确取值填写在相应位置。
计算机组成原理实验报告 - 2运算器实验-华北电力大学-李梅
