PDF《计算机组成原理与系统结构》

1 第1章运算器 计算机的一个最主要的功能就是处理各种算术和逻辑运算,这个功能要由 CPU 中的运算器 来完成,运算器也称作算术逻辑部件 ALU.本章首先安排一个基本的运算器实验,了解运算器 的基本结构,然后再设计一个加法器和一个乘法器. 1.1 基本运算器实验 1.1.1 实验目的 (1) 了解运算器的组成结构. (2) 掌握运算器的工作原理. 1.1.2 实验设备 PC 机一台,TD-CM3+或TD-CMX 实验系统一套. 1.1.3 实验原理 本实验的原理如图 1-1-1 所示. 运算器内部含有三个独立运算部件,分别为算术、逻辑和移位运算部件,要处理的数据存 于暂存器 A 和暂存器 B,三个部件同时接受来自 A 和B的数据(有些处理器体系结构把移位运 算器放于算术和逻辑运算部件之前, 如ARM) , 各部件对操作数进行何种运算由控制信号 S3…S0 和CN 来决定,任何时候,多路选择开关只选择三部件中一个部件的结果作为 ALU 的输出.如 果是影响进位的运算,还将置进位标志 FC,在运算结果输出前,置ALU 零标志.ALU 中所有 模块集成在一片 CPLD 中. 逻辑运算部件由逻辑门构成,较为简单,而后面又有专门的算术运算部件设计实验,在此 对这两个部件不再赘述.移位运算采用的是桶形移位器,一般采用交叉开关矩阵来实现,交叉 开关的原理如图 1-1-2 所示.图中显示的是一个 4X4 的矩阵(系统中是一个 8X8 的矩阵) .每一 个输入都通过开关与一个输出相连,把沿对角线的开关导通,就可实现移位功能,即: (1) 对于逻辑左移或逻辑右移功能,将一条对角线的开关导通,这将所有的输入位与所使用 的输出分别相连,而没有同任何输入相连的则输出连接 0. (2) 对于循环右移功能,右移对角线同互补的左移对角线一起激活.例如,在4位矩阵中使 用'

右1'

和'

左3'

对角线来实现右循环

1 位. (3) 对于未连接的输出位,移位时使用符号扩展或是

0 填充,具体由相应的指令控制.使用 另外的逻辑进行移位总量译码和符号判别. 计算机组成原理实验指导书 西安唐都科教仪器公司

2 图1-1-1 运算器原理图 运算器部件由一片 CPLD 实现.ALU 的输入和输出通过三态门 74LS245 连到 CPU 内总线 上,另外还有指示灯标明进位标志 FC 和零标志 FZ.请注意:实验箱上凡丝印标注有马蹄形标 记'

'

,表示这两根排针之间是连通的.图中除 T4 和CLR,其余信号均来自于 ALU 单元 的排线座,实验箱中所有单元的 T

1、T

2、T

3、T4 都连接至控制总线单元的 T

1、T

2、T

3、T4, CLR 都连接至 CON 单元的 CLR 按钮. T4 由时序单元的 TS4 提供 (时序单元的介绍见附录二) , 其余控制信号均由 CON 单元的二进制数据开关模拟给出.控制信号中除 T4 为脉冲信号外,其 余均为电平信号,其中 ALU_B 为低有效,其余为高有效. 右3 右2 右1 不移位 左1 左2 左3 in[3] in[2] in[1] in[0] out[0] out[1] out[2] out[3] 图1-1-2 交叉开关桶形移位器原理图 暂存器 A 和暂存器 B 的数据能在 LED 灯上实时显示,原理如图 1-1-3 所示(以A0 为例, 其它相同) .进位标志 FC、零标志 FZ 和数据总线 D7…D0 的显示原理也是如此. VCC A0 1K 图1-1-3 A0 显示原理图 计算机组成原理实验指导书 西安唐都科教仪器公司

3 ALU 和外围电路的连接如图 1-1-4 所示,图中的小方框代表排针座. 运算器的逻辑功能表如表 1-1-1 所示,其中 S3 S2 S1 S0 CN 为控制信号,FC 为进位标志, FZ 为运算器零标志,表中功能栏内的 FC、FZ 表示当前运算会影响到该标志. 图1-1-4 ALU 和外围电路连接原理图 表1-1-1 运算器逻辑功能表 运算类型 S3 S2 S1 S0 CN 功能0000 X F=A(直通)