计算机组成原理课设题目详解

计算机组成原理课设题目详解

一、实验一

1、实验名称：

验证74LS181运算和逻辑功能

2、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。

3、实验原理：

ALU能进行多种算术运算和逻辑运算。4位ALU-74LS181能进行16种算术运算和逻辑运算。功能表如下：

表1-1 4位ALU-74LS181算术运算和逻辑运算功能表

表1-2 ALU-74LS181引脚说明表

4、实验内容：

首先在使用multisim之前先了解了计算机组成原理课程设计指导书中multisim的使用方法和注意事项，然后了解实验一的74LS181运算和逻辑功能，结合指导书给出的74LS181运算和逻辑功能表，然后大概的理解了74LS181之后就开始在multisim画出逻辑电路图及布出美观整齐的接线图。在multisim中画逻辑图过程是首先是找到需要的电源、元器件如74LS181、DSWPK_8、DCD_HEX等，然后借鉴指导书给出的4位ALU验证电路示意图进行连线，然后自己再先测试一些数据来判断电路连接是否正确，然后通过改变原电路的引脚接口的数据来验证74LS181型4位ALU的逻辑算术功能，然后填写表1-3

表1-3 实验一功能测试数据填写表

图1-1 表1-3第一组测试数据截屏（1）

图1-2 表1-3第一组测试数据截屏（2）

图1-3 表1-3第一组测试数据截屏（3）

图1-4 表1-3第四组测试数据截屏（1）

图1-5 表1-3第四组测试数据截屏（2）

图1-6 表1-3第四组测试数据截屏（3）

5、总结及心得体会：

通过使用multisim大概掌握算术逻辑单元（ALU）的工作原理，也基本熟悉了简单运算器的数据传送通路，同时也验证4位运算功能发生器(74LS181)组合功能，把书面知识和实践结合起来，对知识点了解更加深刻，理解也更加容易，所以以后还是要加强动手实践能力的锻炼。

二、实验二

1、实验名称：

运算器（2）

2、实验目的：

（1） 熟练掌握算术逻辑单元（ALU）的应用方法；
（2） 进一步熟悉简单运算器的数据传送原理；
（3） 画出逻辑电路图及布出美观整齐的接线图；
（4） 熟练掌握有关数字元件的功能和使用方法。
（5） 熟练掌握子电路的创建及使用。

3、实验原理：

本实验仿真单总线结构的运算器，原理如图2-1所示。相应的电路如图2-2所示。电路图中，上右下三方的8条线模拟8位数据总线；K8产生所需数据；74244层次块为三态门电路，将部件与总线连接或断开，切记总线上只能有一个输入；两个74273层次块作为暂存工作寄存器DR1和DR2；两个74374层次块作为通用寄存器组（鉴于电路排列情况，只画出两个通用寄存器GR1和GR2，如果可能的话可设计4个或8个通用寄存器）；众多的开关作为控制电平或打入脉冲；众多的8段代码管显示相应位置的数据信息；核心为8位ALU层次块。

图2-1 单总线结构的运算器示意图

图2-2运算器电路示意图

4、实验内容：

（1） 说明整个电路工作原理。
整个电路仿真单总线结构的运算器，完成算术和逻辑运算。

图2-3 实验二仿真单总线结构的运算器电路图

在Multisim中用“DSWPK_8”元件代替了K8层次块，DSWPK_8的八个按键用来控制数据输入的大小，左边有11个按键开关，其中J5、J2、J4、J9、J12是分别用来控制74244_BLOCK模块X2、X6、X3、X12、X5的工作情况，J3和J6分别控制74273_BLOCK模块X8的工作情况，J7和J8、J10和J11是分别用来控制74374_BLOCK模块X9、X10；右边有7个按键开关，J13是用来控制74244_BLOCK模块X7，剩下的6个按键开关是用来控制8BIT_ALU_BLOCK模块X1的工作情况比如8位运算器运算是逻辑运算还是算术运算等；更具体实验过程解释见下面。然后四个不同的模块又有不同的作用：
1、74244_BLOCK模块：74244_BLOCK模块，只有当控制电平G=0时，74LS244N元件开始工作。主要是起到控制隔绝电路的作用，同时也相当于控制数据的传输。

图2-4 74244_BLOCK模块电路图

2、74273_BLOCK模块：74273_BLOCK模块，两个74273模块作为暂存工作寄存器，CLK上升沿触发，能够有效控制存储的数据是否是运算所需要的数据，尽量保证运算过程及结果的正确性。

图2-5 74273_BLOCK模块电路图

3、74374_BLOCK模块：74374_BLOCK模块，两个74374模块作为通用寄存器组，当oc为低电平时模块元件进行工作，CLK上升沿触发，能够有效控制存储的数据是否是运算所需要的数据，尽量保证运算过程及结果的准确性。

图2-6 74374_BLOCK模块电路图

4、8BIT_ALU_BLOCK模块：8BIT_ALU_BLOCK模块，8位ALU层次块，是整个电路的核心，它的工作原理和四位的ALU相似，可以用作逻辑运算和算术运算。

图2-7 8BIT_ALU_BLOCK模块电路图

（2） 说明74LS244N的功能及其在电路中作用，及输入信号G有何作用；
答：74LS244N是三态门，控制电平G=1时，起到隔绝电路的作用。控制电平G=0时，74LS244N元件开始工作。

（3） 说明74LS273N的功能及其在电路中作用，及输入信号CLK有何作用；
答：工作寄存器，其输出直接接到ALU的输入端，LCK为打入脉冲。

（4） 说明74LS374N的功能及其在电路中作用，及输入信号CLK和OC有何作用；
答：74ls374n作为通用寄存器（转送，暂存，计算），另具有三态门的作用。CLK作为打入脉冲的作用，而OC高电平为高阻态，逻辑操作不受影响。

（5） DSWPK_8产生任意数据存入通用寄存器GR1。
答：（1）DSWPK_8确定任意数（如11111111）；（2）A=0（低电平），数据送总线；（3）G↑（正跳变）且F=0.该数存入GR1.

图2-8 DSWPK_8产生任意数据存入通用寄存器GR1电路图

（6） DSWPK_8产生任意数据存入通用寄存器GR2。
答：（1）DSWPK_8确定任意数（如00100101）；（2）A=0（低电平），数据送总线；（3）J↑（正跳变）且I=0.该数存入GR2.

图2-9 DSWPK_8产生任意数据存入通用寄存器GR2电路图

（7） 完成GR1+GR2→GR1。
答：GR1+GR2→GR1.（1）A=1（屏蔽掉DSWPK_8）、F=0、H=0、B=0、C↑，GR1→DR1；（2）I=0、K=0、E↑，GR2→DR2；（3）加法：S3~S0=1001B（对应XWVU四键）、Y=1、Z=0，此时结果在ALU的输出端，令T=0，结果送总线，G↑结果存入GR1.

图2-10 GR1+GR2→GR1运算电路图

（8） 完成GR1-GR2→GR2。
答：GR1-GR2→GR2.（1）A=1（屏蔽掉DSWPK_8）、F=0、H=0、B=0、C↑，GR1→DR1；（2）I=0、K=0、E↑，GR2→DR2；（3）加法：S3~S0=0110B（对应XWVU四键）、Y=1、Z=0，此时结果在ALU的输出端，令T=0，结果送总线，J↑结果存入GR2.

图2-11 GR1-GR2→GR2运算电路图

（9） 完成GR1∧GR2→GR1。
答：GR1∧GR2→GR1.（1）A=1（屏蔽掉DSWPK_8）、F=0、H=0、B=0、C↑，GR1→DR1；（2）I=0、K=0、E↑，GR2→DR2；（3）加法：S3~S0=1011B（对应XWVU四键）、Z=1，此时结果在ALU的输出端，令T=0，结果送总线，G↑结果存入GR1.

图2-12 GR1∧GR2→GR1运算电路图

（10） 完成GR1∨GR2→GR2。
答：GR1∨GR2→GR2.（1）A=1（屏蔽掉DSWPK_8）、F=0、H=0、B=0、C↑，GR1→DR1；（2）I=0、K=0、E↑，GR2→DR2；（3）加法：S3~S0=1110B（对应XWVU四键）、Z=1，此时结果在ALU的输出端，令T=0，结果送总线，J↑结果存入GR2.

图2-13 GR1∨GR2→GR2运算电路图

（11） 完成GR1⊕GR2→GR1。
答：GR1⊕GR2→GR1.（1）A=1（屏蔽掉DSWPK_8）、F=0、H=0、B=0、C↑，GR1→DR1；（2）I=0、K=0、E↑，GR2→DR2；（3）加法：S3~S0=0110B（对应XWVU四键）、Z=1，此时结果在ALU的输出端，令T=0，结果送总线，G↑结果存入GR1.

图2-14 GR1⊕GR2→GR1运算电路图

（12） _{GR1→GR2。（“}”表示逻辑非运算）
答：~GR1→GR2.（1）A=1（屏蔽掉DSWPK_8）、F=0、H=0、B=0、C↑，GR1→DR1；(2) S3~S0=0000B（对应XWVU四键）、Z=1，此时结果在ALU的输出端，令T=0，结果送总线，J↑结果存入GR2.

图2-15 ~GR1→GR2运算电路图

（13） ~GR2→GR1。
答：（1）I=0、K=0、E↑，GR2→DR2；（2）S3~S0=0000B（对应XWVU四键）、Z=1，此时结果在ALU的输出端，令T=0，结果送总线，G↑结果存入GR1.

图2-16 ~GR2→GR1运算电路图

5、总结及心得体会：

通过使用multisim更加深入了解了算术逻辑单元（ALU）的工作原理，熟练掌握算术逻辑单元（ALU）的应用方法；进一步熟悉简单运算器的数据传送原理；画出逻辑电路图及布出美观整齐的接线图；熟练掌握有关数字元件的功能和使用方法，熟练掌握子电路的创建及使用以及掌握三态门的使用和原理。对于层次模块也有了系统的掌握，在电路连接过程中，也出现了一些问题，因为看起来比较复杂但是在耐心和细心的检查调整下，整个电路还是正常运行各种算数逻辑运算都是可以验证正确，同样也要增强自己的动手能力。

三、实验三

1、实验名称：

乘法实现

2、实验目的：

开放性实验，根据原理图实现乘法的电路设计并运行。

3、实验原理：

如图2-4是实现原码一位乘运算的基本硬件配置框图，根据该图用移位相加方法实现乘法，自行选择器件设计电路并运行。

图3-1原码一位乘运算的基本硬件配置

提示：用74LS181作为加法器，用74LS194作为移位寄存器；手动开关作为计数器，实现4位*4位的乘法。

4、实验内容：

图3-2原码一位乘运算电路实现图

原码一位乘运算电路实现图：U14表示被乘数，U15表示乘数，由DSWPK_8输入乘数给74LS194控制三态门，并间接控制被乘数向74LS244的输入。存在数字寄存器74273中。然后将部分积结果存在74374中，利用移位寄存器X7将部分积的结果左移。后用移位寄存器U1将乘数右移，不断重复4次，直到结果输出。

图3-3原码一位乘F和F运算电路实现图（1）

原码一位乘F和F运算电路实现图（1）说明：我们首先用调控DSWPK_8使它输出两个F分别作为乘数和被乘数，然后74LS194三态门S0、S1为高电平时，将乘数传输到74LS194三态门。

图3-4原码一位乘F和F运算电路实现图（2）

原码一位乘F和F运算电路实现图（2）说明：调节74LS194三态门S0为低电平、S1为高电平时，操作74LS194三态门中的CLK进行上升沿调节对乘数进行右移，当右移结果为1时，调节74244_BLOCK中的G=0，让被乘数能够传输过去到8BIT_ALU_BLOCK中到时和部分积进行加法运算。

图3-5原码一位乘F和F运算电路实现图（3）

原码一位乘F和F运算电路实现图（3）说明：操作74374_BLOCK模块X3中的CLK进行上升沿调节，使计算后的结果传输更新原来的部分积。然后操作74194_BLOCK将S0、S1为高电平，将部分积数据传输过来，然后又将S0为高电平、S1为低电平时，原部分积的数据进行左移。当乘数右移为1时，调节74244_BLOCK中的G=0，否则G=1。

图3-6原码一位乘F和F运算电路实现图（4）

原码一位乘F和F运算电路实现图（4）说明：重复之前上述的步骤，乘数不断右移，右移的数据为1时，部分积和被乘数进行一次相加，然后进行一次左移。

图3-7原码一位乘F和F运算电路实现图（5）

原码一位乘F和F运算电路实现图（5）说明：到运算的最后，乘数的数据全部移完时，这时候部分积之更新最后计算的数据不再进行左移。

5、总结及心得体会

这个实验主要是练习补码一位乘的大致过程，十分考验我们对于补码一位乘的理解和思考思路，但由于模块限制只能支持整数运算。通过本次实验，我对于74LS194、74LS244等一些芯片有了更深的理解，同时在设计过程中也需要细心耐心，切勿急躁，否则连错会导致一系列错误而且还不容易找出来比较费时费力，整体收获还是比较大的，动手能力也得到加强。

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