组成原理实验课件运算器.ppt

1,计算机组成原理实验任课教师：刘万成,2,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）,实验教学安排,3,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：考勤课上完成实验情况实验报告综合作业,4,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。（2）严禁带电接线和拆线，不要用手触及任何带电部分。（3）非所需实验设备，不经老师允许不得乱动。（4）发生故障时，必须立即断电，并马上报告老师。,5,第二部分：TH-union 教学计算机介绍,微程序控制器,RESET,START按键,运行功能选择开关单步，手拨，组合逻辑，联机 8位，连续，内存，微程序，脱机 16位，,两个12位的微型开关,16位的手拨输入开关,5V电源,电源开关,组合逻辑控制器,运算器,内存储器,串口电路,I86 I53 I20 SST SCI SSH A口 B口,6,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,微程序控制器,运算器(16 位),主存储器（16位）,按键 开关 指示灯,串行接口,接口实验 中断实验内存扩展实验,电源+5V,硬布线控制器,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。,实验二：脱机运算器实验,第三部分：实验项目,8,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。,9,微程序控制器,RESET,START按键,运行功能选择开关单步，手拨，组合逻辑，联机，8位连续，内存，微程序，脱机，16位,两个12位的微型开关,16位的手拨输入开关,5V电源,电源开关,组合逻辑控制器,运算器,内存储器,串口电路,I86 I53 I20 SST SCI SSH A口 B口,TH-union 教学计算机,Am2901的内部组成与功能,10,11,组成算逻运算 部件1 6 个 累加器乘商寄存器 Q5组多路选择门,功能 8 种 运算功能8 种 数据组合8 种 结果处理,12,A L U S R,Cn,F,F3F=0000OVRCn+4,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。,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,符号位结果为零结果溢出进位输出,RSRS,8 种运算功能,000001010011100101110111,3 位功能选择码,R+SSRRSR SRS,RS,13,B 16个 A 通用寄存器,A L U S R,B锁存器,A锁存器,Cn,F,F3F=0000OVRCn+4,A口地址,B口地址,第二个组成部分是通用寄存器组由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。,（写入）,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。,14,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。,也可称为移位器,15,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。包括：,16,二选一,B 16个 A 通用寄存器,三选一,二选一,三选一,三选一,A L U S R,B锁存器,A锁存器,Q寄存器,Cn,/OE,Q3,Q0,RAM0,RAM3,F,输出Y,F3F=0000OVRCn+4,输入D,A口地址,B口地址,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输出的有无还受输出使能/OE信号的控制，仅当/OE为低是才有Y输出，/OE为高，Y输出为高阻态。,Am2901 运行功能的控制,17,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。,18,RSRS,表2-1 选择8 种运算功能,000001010011100101110111,R+SSRRSR SRS,RS,I5 I4 I3,运算功能,I2 I1 I0 R S000 A Q001 A B 010 0 Q011 0 B100 0 A101 D A110 D Q111 D 0,表2-2 选择ALU的8 种输入数据组合,19,表2-3 选择运算器的8 种运算结果处置方案,000 QF F 001 F 010 BF A 011 BF F 100 BF/2 QQ/2 F 101 BF/2 F 110 B2F Q2Q F 111 B2F F,3位控制码,通用寄存器,Q寄存器,Y输出,I8 I7 I6,结果处置,20,Am2901的控制信号汇总表,000 Q F F R+S A Q001 F S R A B 010 B F A R S 0 Q011 B F F R S 0 B100 B F/2 Q Q/2 F RS 0 A101 B F/2 F RS D A110 B 2F Q 2Q F RS D Q111 B 2F F RS D 0,B Q Y,R S,编码 I8 I7 I6 I5 I4 I3 I2 I1 I0,21,2、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。,22,片间高速进位用 Am2902,高位Am2901,Am2901,Am2901,低位Am2901,Am2902 Cn+z Cn+y Cn+x,/G/P,Y1512,Y118,Y74,Y30,D1512,D118,D74,D30,OVER,F=0,F15,Cy,Cin,CP,RAM15,Q15,RAM0,Q0,A口,B口,I86I53I20,VccR,23,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）,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：,24,需要在Am2901芯片外部处理的逻辑功能：,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）,25,16位的 运算器,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。,CyF=0OVRF15,RAM15Q15,RAM0Q0,最低位进位 GAL3,SCI,01C,Y150,D150,B口,A口,I8I0,Cin,26,表 2-4:,27,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。,28,29,C,通 用 寄 存 器,通 用 寄 存 器,C,0,0,RCL,RCR,SHR,SHL,RAM15,RAM0,RAM0,RAM15,30,0,1,RAM0Q0,RAM15,16位的 运算器,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）,四位标志位GAL1,CZVS,CyF=0OVF15,来自内部总线 IB,RAM15Q15,RAM0Q0,Y150,D150,B口,A口,I8I0,Cin,SST,31,4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 SST C Z V S 说明000 C Z V S 标志位值保持不变001 Cy ZR OV F15 接受ALU状态输出010 IB7 IB6 IB5 IB4 接收内部总线输出011 0 Z V S CLC 置“0”C100 1 Z V S STC 置“1”C101 RAM0 Z V S 右移操作110 RAM15 Z V S 左移操作111 Q0 Z V S 联合右移,32,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,33,0,1,RAM0Q0,RAM15,16位的 运算器,16 位运算器的完整组成,四位标志位GAL1,右移输入信号GAL3,SST,左移输入信号GAL3,最低位进位 GAL3,CZVS,CyF=0OVRF15,来自内部总线 IB,SSH,SSH,SCI,右移控制,左移控制,RAM15Q15,RAM0Q0,0CQ15/F15,0CCyF0,01C,Y150,D150,B口,A口,I8I0,Cin,34,3、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，它的全部控制于操作均需通过两个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。,35,0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1,0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,微型开关与控制信号的对应关系,B F,R+S,D 0,R S,接受ALU状态输出,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。,36,RESET,START按键,运行功能选择开关单步，手播，组合逻辑，联机，8位连续，内存，微程序，脱机，16位,两个12位的微型开关,16位的手拨输入开关,DC2,DC1,AR 低8位,控制运算器的24位信号,节拍指示灯,IR 高8位,CZVS状态位,内存储器,DB 低8位,DB 高8位,Y 低8位,Y 高8位,AR 高8位,IR 低8位,MIO REQ WE,运算器的状态位,I86 I53 I20 SST SSH SCI B口 A口,37,运算器实验控制信号与结果,填写控制信号的依据是根据要完成的功能，通过查简明操作卡上给出的信息来确定，不算难但要求不能错，实验简单但很重要。,功能：把 16 进制的补码数 1234 传送到累加器 R0 中。实现：教学机的功能开关拨到单步、微程序辑控制器、16位机、脱机实验。数据 1234 通过数据开关拨入，24 位控制信号通过红色微型开关拨入，运行结果看指示灯。执行方案，D+0R0，I2I0选111,I5I3选000，I8I6选011，B口选0000，A口随意，填0000，最低位进位选0，无移位。,38,脱机运算器实验内容及步骤：,39,注：1、用*标记的运算，表示D1、D2的数据是由拨动开关SW给出的，开关给的是二进制的信号，注意二进制和十六进制间的转换。,运算器实验（1）,2、一定要按顺序执行！,40,注：用*标记的运算，表示D1、D2的数据是由拨动开关SW给出的，开关给的是二进制的信号，注意二进制和十六进制间的转换。按“START”按键之前，ALU输出的是计算结果，参照ALU的操作周期的时序可知A、B口数据锁存是在时钟的下降沿，通用寄存器的接收是在低电平，所以要想寄存器接收ALU的计算结果必须按一次“START”按键。在进行运算器脱机实验时，若通过指示灯检查运算器的每次运算结果，得到运算结果是在按STEP键之前，而得到状态寄存器中存入的状态标志结果是在按STEP键之后。,41,实验要求：1、实验之前认真预习，根据所学理论知识准备实验过程中所用数据和运行结果，否则实验效率会很低；2、实验过程当中，要认真仔细的操作，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，记录运行结果；3、实验之后，认真写出实验报告，要求要有主要的实验步骤，填写实验结果，结合所学理论分析实验结果，还要有对实验时遇到的各种现象的分析以及自己在这次实验中的心得体会与收获。,42,注意事项：1.不能打乱顺序执行。2.注意记录按START键之前和之后的结果。,运算器实验（2）,43,参考内容,44,45,46,47,48,运算器基本功能,完成算术、逻辑运算+、。取得操作数寄存器组、立即数输出、存放运算结果寄存器组、数据总线暂存运算的中间结果Q寄存器、移位寄存器,49,运算器基本功能,获得运算结果的状态C、Z、V、S理解、响应控制信号,50,运算结果标志 保存到 标志位寄存器,算术与逻辑的运算指令产生标志位的值 该标志位的值只在执行运算步骤接收 算术运算指令的结果影响 C、Z、V、S 逻辑运算指令的结果只影响 Z、S专门改变标志位的指令（CLC，STC）几条移位和乘除法指令影响 C中断返回指令要从堆栈恢复C、Z、V、S 其他指令或其他执行步骤不接收标志位的值 对标志位寄存器，会有接收或不接收新的值这样两种处理（依据什么指令的什么时刻）,51,运算器的时钟脉冲信号,运算器的时钟脉冲信号 CP教学计算机的主频:1.8432MH z/3,A、B口锁存,通用寄存器接受,Q 接受,ALU操作周期,和低电平的作用 注意两个跳变沿,系统时钟,52,数据组合选择 I2 I1 I0,运算功能选择 I5 I4 I3,运算结果处理 I8 I7 I6,I5I3,I2I0,I8I6,