计算机组成原理课程设计实验一：验证74LS181运算和逻辑功能
一、实验名称
验证74LS181运算和逻辑功能。
二、实验目的
（1） 掌握算术逻辑单元（ALU）的工作原理；
（2） 熟悉简单运算器的数据传送通路；
（3） 画出逻辑电路图及布出美观整齐的接线图；
（4） 验证4位运算功能发生器（74LS181）组合功能。
三、实验原理
ALU（算术逻辑单元）能进行多种算术运算和逻辑运算。一个4位的ALU—74LS181运算功能发生器能进行16种算术运算和逻辑运算。功能表如下：
| 方式 |
M=1逻辑运算 |
M=0算术运算 |
|
| S3 S2 S1 S0 |
逻辑运算 |
CN=1（无进位） |
CN=0（有进位） |
| 0 0 0 0 |
F=/A |
F=A |
F=A加1 |
| 0 0 0 1 |
F=/(A+B) |
F=A+B |
F=(A+B)加1 |
| 0 0 1 0 |
F=(/A)B |
F=A+/B |
F=(A+/B)加1 |
| 0 0 1 1 |
F=0 |
F=负1 |
F=0 |
| 0 1 0 0 |
F=/(AB) |
F=A加A(/B) |
F=A加A/B加1 |
| 0 1 0 1 |
F=/B |
F=(A+B)加A/B |
F=(A+B)加A/B加1 |
| 0 1 1 0 |
F=A⊕B |
F=A减B减1 |
F=A减B |
| 0 1 1 1 |
F=A/B |
F=A(/B)减1 |
F=A(/B) |
| 1 0 0 0 |
F=/A+B |
F=A加AB |
F=A加AB加1 |
| 1 0 0 1 |
F=/(A⊕B) |
F=A加B |
F=A加B加1 |
| 1 0 1 0 |
F=B |
F=(A+/B)加AB |
F=(A+/B)加AB加1 |
| 1 0 1 1 |
F=AB |
F=AB减1 |
F=AB |
| 1 1 0 0 |
F=1 |
F=A加A |
F=A加A加1 |
| 1 1 0 1 |
F=A+/B |
F=(A+B)加A |
F=(A+B)加A加1 |
| 1 1 1 0 |
F=A+B |
F=(A+/B)加A |
F=(A+/B)加A加1 |
| 1 1 1 1 |
F=A |
F=A减1 |
F=A |
（上表中的“/”表示求反）
由上表可知，该实验中主要运用的算数加法和算数减法所对应的（S3 S2 S1 S0）分别是（1001）和（0110），主要运用的逻辑与运算、逻辑或运算、逻辑异或运算以及逻辑非运算所对应的（S3 S2 S1 S0）分别是（1011）、（1110）、（0110）和（0000）。
实验电路总共有三个模块：输入模块、运算模块和显示模块。输入模块主要由八个开关组成，主要以八位二进制的形式实现不同的数据输入；显示模块主要由三个数码管构成，主要负责以十六进制的形式显示两个输入的数据和一个运算输出；运算模块主要由一块74LS181N芯片组成，主要实现两个四位二进制数的算术运算和逻辑运算，并将结果输出。
ALU—74LS181引脚说明：M=1逻辑运算，M=0算术运算。
| 引 脚 |
说 明 |
| M状态控制端 |
M=1逻辑运算；M=0算术运算 |
| S3 S2 S1 S0运算选择控制 |
S3 S2 S1 S0决定电路执行哪一种算术 |
| A3 A2 A1 A0 |
运算数1，引脚3为最高位 |
| B3 B2 B1 B0 |
运算数2，引脚3为最高位 |
| Cn 最低位进入输入 |
Cn=0有进位，Cn=1无进位 |
| Cn+4本片产生的进位信号 |
Cn+4=0有进位，Cn+4=1无进位 |
| F3 F2 F1 F0 |
F3 F2 F1 F0运算结果，F3为最高位 |
四、实验内容
1、实验电路图
2、74LS181N芯片介绍
该芯片总共由22个引脚，其中包括8个数据输入端（~A0、~A1、~A2、~A3，~B0、~B1、~B2、~B3，其中八个输入端中A3和B3是高位），这八个都是低电平有效。还包括S0、S1、S2、S3这四个控制端，这四个控制端主要控制两个四位输入数据的运算，例如加、减、与、或。CN端处理进入芯片前进位值，M控制芯片的运算方式，包括算术运算和逻辑运算。F0、F1、F2、F3是四个二进制输出端，以一个四位二进制形式输出运算的结果。CN4记录运算后的进位。其中AEQB、~P和~G这三个端口与本实验无关，所以这里不做额外介绍。
3、运算过程
假设现在控制信号（S3、S2、S1、S0）的值是（1、0、0、1），分别输入两个四位二进制数（A3、A2、A1、A0）和（B3、B2、B1、B0）。由原理表格可知该运算是加法运算，实验芯片内部的运算过程如下：
（1）、判断CN端是否有信号。若有，在运算是低位端加1；否则不加。
（2）、分别计算A0+B0、A1+B1、A2+B2、A3+B3，将结果通过F0、F1、F2、F3输出，并判断A3+B3是否有进位。若有进位，则另CN4为1；否则为1。
例：计算5+7=？
解答过程：因为这是无进位算数运算，所以通过开关控制，将开关M=0，CN=1。5的四位二进制数是0101，7的四位二进制数为0111，所以将开关按要求连接。因为是加法，所以将开关S3、S2、S1、S0设置成1001，于是就会输出结果1100，即C。
4、数据验证表格
验证74LS181型4位ALU的逻辑算术功能，填写下表：
|
S3 S2 S1 S0 |
数据1 |
数据2 |
算术运算（M=0） |
逻辑运算 （M=1） |
|
| CN=1 |
CN=0 |
||||
| 0 0 0 0 |
AH |
5H |
F=AH |
F=BH |
F=5H |
| 0 0 0 1 |
AH |
5H |
F=FH |
F=0H |
F=0H |
| 0 0 1 0 |
AH |
5H |
F=AH |
F=BH |
F=5H |
| 0 0 1 1 |
AH |
5H |
F=FH |
F=0H |
F=0H |
| 0 1 0 0 |
FH |
1H |
F=DH |
F=EH |
F=EH |
| 0 1 0 1 |
FH |
1H |
F=DH |
F=EH |
F=EH |
| 0 1 1 0 |
FH |
1H |
F=DH |
F=EH |
F=EH |
| 0 1 1 1 |
FH |
1H |
F=DH |
F=EH |
F=EH |
| 1 0 0 0 |
FH |
FH |
F=EH |
F=FH |
F=FH |
| 1 0 0 1 |
FH |
FH |
F=EH |
F=FH |
F=FH |
| 1 0 1 0 |
FH |
FH |
F=EH |
F=FH |
F=FH |
| 1 0 1 1 |
FH |
FH |
F=EH |
F=FH |
F=FH |
| 1 1 0 0 |
5H |
5H |
F=AH |
F=BH |
F=FH |
| 1 1 0 1 |
5H |
5H |
F=AH |
F=BH |
F=FH |
| 1 1 1 0 |
5H |
5H |
F=4H |
F=5H |
F=5H |
| 1 1 1 1 |
5H |
5H |
F=4H |
F=5H |
F=5H |
五、总结及心得体会
这个实验主要考察了我们的电路设计和调试能力，通过一个简单运算器的形式，目的是为了让我们掌握电路设计和分析的方法和能力。为了对电路设计过程中遇到的问题作出一个较好地解决和解释，必须要对系统或者设计有着很清楚的认识。
通过这个实验，我查阅了书籍和网络资源，较清楚地了解了74LS181N芯片的功能和内部运算过程，这对我的研究能力和探知能力有着举足轻重的作用。实验电路设计之后，我对电路设计的流程以及过程中时常会遇到的问题进行了系统地归纳，这对我的以后的电路设计能力有着推动作用，也让我对电路设计的技巧有了较好地掌握。