计算机组成原理实验二：运算器实验

 实验基于多思计算机组成原理网络虚拟实验系统

       实验室地址：http://www.dsvlab.cn/

      实验目的： 通过门电路实现运算器

             1）掌握算术逻辑运算单元的工作原理。
             2） 熟悉简单运算器的电路组成。
             3） 熟悉 4 位运算功能发生器（74LS181）的算术、逻辑运算功能。

提示：

 74LS181的特性限制：

         由于74LS181芯片的特性所致，仅能接受四位数据的处理，但是一般而言，一个字占八个字节，所以如果我们要处理一个字的数据量时，就需要对74LS181 进行组合以满足处理八位数据的要求。故采用两片74LS181芯片进行组合使用。

三态门：

     计算机中的记忆元件由触发器组成，而触发器只有两个状态。即“0”态和“1”态，所以每条信号线上只能传送一个触发器的信息。如果要在一条信号线上连接多个触发器，而每个触发器可以根据需要与信号线连通或断开，当连通时可以传送“0”或“1”,断开时对信号线上的信息不产生影响，就需要一个特殊的电路加以控制，此电路即为三态输出电路，又称为三态门。

 

实验思路：

实验电路图：

       

 

    实验基本原理概述： 

          运算器的工作原理其实还是很简单的，以我们平时计算1 + 2  = 3为例进行阐述：

          1. 输入数据信息 1 ，2  ，通过数据开关的操作来完成数据的输入处理，由于计算机不像人一样有数以万计的神经元细胞，所以他必须依赖于三态门来进行信息的记忆，也就是图中74LS245芯片的作用（注：74LS245即一个三态门）。

          2. 信息保存。将三态门所存的信息保存至数据锁存芯片74LS273，以用来保存输入的数据信息。

          3. 数据运算，将锁存器的信息加载至74LS181中，进行数据的运算处理，而单纯有数据是远远不够，还必须有运算规则，图中s3 ----- s0 的作用就在提供不同的运算规则，其中M的作用用于区分计算是属于算数运算还是逻辑运算。

          4. 保存数据运算结果，将计算结果暂存至74LS245，便于后序的输出。

          5. 小灯显示数据信息。

 

  下面是对实验图中所需元器件部件具体功能概述： 

  1） M：选择 ALU 的运算模式（M=0，算术运算；M=1，逻辑运算）。
   2） S3，S2，S1，S0：选择 ALU 的运算类型，例如在算术运算模式下设为 1001 则 ALU做加法运算，详见 74LS181 功  能表 3-1。
   3） Cn：向 ALU 最低位输入的进位信号，Cn=0 时有进位输入，Cn=1 时无进位输入。
   4） Cn+4：ALU 最高位向外输出的进位信号，为 0 时有进位输出，为 1 时无进位输出。
   5） P1：脉冲信号，在上升沿将数据打入 DR1。74LS273 触发器在时钟输入为高电平 或低电平时，输入端的信号不影响输出，仅仅在时钟脉冲的上升沿，输入端数据才会发送到输出端，并将数据锁存。
   6） P2：脉冲信号，在上升沿将数据打入 DR2。
   7） MR：芯片 74LS273 的清零信号，低电平有效。当MR为电平时，74LS273 的数据
   输出引脚被置零。
   8） ALU − BUS：ALU 输出三态门使能信号，为 0 时将 74L

  9） SW − BUS：开关输出三态门使能信号，为 0 时将 SW7~SW0 数据送到数据总线

 

连接线路

由于线路相对较多，所以将会逐步对连线结果进行解释，以期读者能了解每步连接的具体连接细节。

 1.实验元器件准备

2. 输入数据的连接

   在输入数据的连接过程中，右侧的74ls273同左侧的接线方式一模一样，此处不加以赘述。

 3.数据信息的保存

     由于74LS181芯片的限制，我们在对数据进行运算时，需要分别对数据的第四位，高四位进行运算，最后对结果进行整合，已完成对八位数据的运算。图中仅展示了连接第四位时数据的接线情况，高位连接同底位连接方式相同，值得一提的就是SinglePulse的作用，其是一个单脉冲期间，单脉冲有效时才会将数据信息保存至具体的74LS273芯片中。

    类似一个选择器的作用，选择将信息存放至不同的锁存器中。

   

纠错

  最后在检查时发现此处连接有误，由于过多的文字阐述，返工比较耗费时间，请多担待，下面将贴出正确的连接图。

正确连接：

 

4.运算结果的处理

此处一定要注意图中标出来的提示信息！

 

 

 

5.结果输出

  

完整电路图：

      

实验操作步骤：

1. 进行电路预设置，具体步骤如下：
     1） 将ALU − BUS设为高电平，关闭 ALU 输出端的三态门；  输出开关
     2） 将两片 74LS273 的MR都设为高电平，否则 74LS273 会一直处于清零状态。
     3. 打开电源开关。
2. 设置 SW7~SW0 向 DR1 和 DR2 置数。以 DR1=65H，DR2=A7H 为例，具体步骤如下：
     1） 将SW − BUS置 0，打开数据输入端的三态门；
     2） 将数据开关的 SW7~SW0 置为 01100101；
     3） 发出 P1 单脉冲信号，在 P1 的上升沿，数据打入寄存器 DR1；
     4） 将数据开关的 SW7~SW0 置为 10100111；
     5） 发出 P2 单脉冲信号，在 P2 的上升沿，数据打入寄存器 DR2。
     6） 将SW − BUS置 1，关闭数据输入端的三态门；

3. 检验 DR1 和 DR2 中存的数是否正确。其具体操作如下：
     1） ALU − BUS=0，打开 ALU 输出端的三态门；
     2） 设置 Cn=1，ALU 无进位输入；
     3） 将 S3、S2、S1、S0、M 置为 00000，指示灯应显示 DR1 中数据 01100101；
     4） 将 S3、S2、S1、S0、M 置为 10101，指示灯应显示 DR2 中数据 10100111。

操作：

  输入信息：

按照操作提示进行操作，其中ALU − BUS=0 ，Sw-BUs值得就是三态门的控制开关！！！！

       

结果显示：

      

总结

     实验电路至此就已经搭建完成，由于连接失误，在第三部数据保存时，出现了一些连接错误，出现的问题也已及时纠正，按照文章内容可以保证顺利搭建好电路图，由于时间显示笔者并没有将所有的实验结果进行记录。