【计算机组成原理】实验5：运算器实验
实验内容
一、实验原理
实验中所用的运算器数据通路如下图所示。ALU运算器由CPLD描述。运算器的输出经过2片74LS245三态门与数据总线相连，2个运算寄存器AX、BX的数据输入端分别由4个74LS374锁存器锁存，锁存器的输入端与数据总线相连。准双向I/O输入输出端口用来给出参与运算的数据，经2片74LS245三态门与数据总线相连。
在上图中，AXW、BXW在“搭接态”由实验连接对应的二进制开关控制，“0”有效，通过【单拍】按钮产生的负脉冲把总线上的数据打入，实现AXW、BXW写入操作。
二、运算器功能编码
ALU运算器编码表
三、实验连线
K23~K0置“1”，灭M23~M0控位显示灯。然后按下表要求“搭接”部件控制电路。
实验1：算术运算
1. 字算术运算
(1) 字写操作
通过I/O单元“S15~S0”开关向累加器AX和暂存器BX置数，操作步骤如下：
(2) 字读操作
关闭AX、BX写使能，令K18=K17=“1”，按下流程分别读AX、BX。Dbus：1122h；3344h
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(3) 字加法与减法运算
令M S2 S1 S0（K15 K13~K11=0100），FUN及总线单元显示AX+BX的结果。4466
令M S2 S1 S0（K15 K13~K11=0101），FUN及总线单元显示AX－BX的结果。ddde
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2. 字节算术运算
(1) 偶字节写（置数操作）k23-k0=1
通过I/O单元“S15~S0”开关向累加器AL（L：low低位）和暂存器BL置数，具体操作步骤如下：置0022h和0044h ax和bx显示
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(2) 偶字节读操作（运算寄存器AL和BL内容送总线）
关闭AL、BL写使能，令K18=K17=1，按下流程分别读AL、BL。
(3) 字节减法算术运算（不带进位加）
令M S2 S1 S0（K15 K13~K11=0100），FUN单元显示AL+BL的结果。0066
令M S2 S1 S0（K15 K13~K11=0101），FUN单元显示AL－BL的结果。
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实验2：逻辑运算
1. 字逻辑运算
(1) 字写操作（置数操作）
通过I/O单元“S15~S0”开关向累加器AX和暂存器BX置数，操作步骤如下：1122,3344
(2) 字读操作（运算寄存器AX和BX内容送总线）
关闭AX、BX写使能，令K18=K17=“1”，按下流程分别读AX、BX。1122,3344
(3) 字逻辑运算
令M S2 S1 S0（K15 K13~K11=1101），为逻辑与，FUN及总线显示AX逻辑与BX的结果1100。
令M S2 S1 S0（K15 K13~K11=1100），为逻辑或，FUN及总线显示AX逻辑或BX的结果3366。
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实验3：移位运算
移位运算时把累加器A视为移位的源寄存器，也就是说移位是通过累加器A实现的。
1. 移位控制编码
2. 移位执行过程
| ① 循环左移 | ② 循环右移 |
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| ③ 带进位循环左移 | ④ 带进位循环右移 |
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◆不带进位循环左移：各位按位左移，最高位移入最低位。
◆不带进位循环右移：各位按位右移，最低位移入最高位。
◆带进位循环左移：各位按位左移，最高位移入CY中，CY中内容移入最低位。
◆带进位循环右移：各位按位右移，最低位移入CY中，CY中内容移入最高位。
◆循环移位一般用于实现循环式控制、高低字节的互换，还可以用于实现多倍字长数据的算术移位或逻辑移位。
3. 字移位运算k23-k0全置1
(1) 向AX寄存器置数
拨动“I/O输入输出单元”开关向移位源寄存器AX置数，具体操作步骤如下：
(2) AX寄存器移位
令M=0 S1=1参照表2.3.2改变S2、S0的状态，再按动【单拍】按钮，观察AX移位变化。
0080-0040-0020-0010-0008-0004-0002-0001-8000-4000-2000-1000-0800-0400-0200-0100-0080
4. 字节移位运算
(1) AL寄存器置数
拨动“I/O输入输出单元”开关向移位源寄存器AL置数，具体操作步骤如下：
(2) AL寄存器移位
令M=0 S1=1参照表2.3.2改变S2、S0的状态，再按动【单拍】按钮，观察AL移位变化。
实验题
1、 将0008H写入AH寄存器，然后完成AH寄存器移位运算
2、在给定AX=6655h、BX=AA77h的情况下，改变运算器的功能设置，观察运算器的输出，填入下页表格中，并和理论分析进行比较、验证。
实验4：进位控制与零标志
1. 标志控制原理
(1) 进位标志CY
运算标志CY是带复位可预置的进位标志，在运算时由M信号控制，当M=0时，按【单拍】按钮，在DRCK上升沿把当前运算溢出位（进位或借位）打入CY的锁存输出端Q2。在M=1时，由CN位控制CY的“位操作”。当CN=0时，按【单拍】按钮，在DRCK上升沿执行CY的置“1”、清零、取反操作；遇M=1、CN=1时，CY保持原始状态。CY的复位端由CPU直接控制管理。
(2) 零标志Z
零标志Z是带复位端的运算结果判零标志，取源于运算器输出FUN。当FUN=00h时，zd为“1”，反之为“0”。；零标志由M信号控制，当M=0时，按【单拍】按钮，在DRCK上升沿把当前zd打入Z（零标志）的锁存输出端Q1。遇M=1，零标志Z保持原始状态。
(3) 标志位的初始化
标志位的清零端由系统掌控与控位无关，在手动实验中需要清标志时，通过按动【返回】键来实现标志位的初始化。
系统提供CY与Z的状态灯，其显示特征为：进位标志CY=1时，灯“亮”，反之灯“灭”；零标志Z=1时，灯“亮”，反之灯“灭”。
2. 实验连线
(3) 进位标志CY实验
(1) CY标志控制实验
① 进位控制流程
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② 按上流程建立控制状态，参照下表改变方式控制，按【单拍】观察CY灯的变化
(2) 进位运算实验
① 按【返回】键，通过I/O单元向AX、BX分别置数，操作如下：
② 带进位加减法运算流程（加：0001，减：FFEB）
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(3) 零标志实验（字识别）
① 向寄存器AX和BX置数
通过“I/O输入输出单元”向AX、BX均置数0001h，操作步骤如下：
② 验证零标志锁存功能
按【返回】键清Z标志，按下流程建立零标志运算控制状态。K11=1时减法运算FUN=0000，按【单拍】钮Z标志灯亮（Z=1）；K11=0时加法运算FUN=0002按【单拍】钮Z标志灯灭（Z=0）。
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实验报告
| 学院、系： | 计算机学院 |
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| 专业名称： | 软件工程 |
| 学生姓名： | 小何学长 |
一、实验题目
十六位机运算器
二、实验目的与要求
实验目的
掌握十六位机字与字节运算的数据传输格式，验证运算功能发生器及进位控制的组合功能。
实验要求
完成算术、逻辑、移位运算实验，熟悉ALU运算控制位的运用。
三、实验步骤
实验1：算术运算
1.字算术运算
(1)字写操作
通过I/O单元“S15~S0”开关向累加器AX和暂存器BX置数，操作步骤如下：
(2)字读操作
关闭AX、BX写使能，令K18=K17=“1”，按下流程分别读AX、BX。Dbus：1122h ；3344h
实验结果：
实验2：逻辑运算
2.字节逻辑运算
（1）奇字节写操作（置数操作） k23-k0=1
通过I/O单元“S15~S0”开关向累加器AH（H：high高位）和暂存器BH置数，具体操作步骤如下：
（2）奇字节读操作（运算寄存器AH和BH内容送数据总线）
关闭AH、BH写使能，令K18=K17=1，按下流程分别读AH、BH。
实验结果：
实验3：移位运算
4.字节移位运算
（1）AL寄存器置数
拨动“I/O输入输出单元”开关向移位源寄存器AL置数，具体操作步骤如下：
（2）AL寄存器移位
实验结果：
四、心得体会
本节课学习了并掌握十六位机字与字节运算的数据传输格式，验证运算功能发生器及进位控制的组合功能。同时完成算术、逻辑、移位运算实验，熟悉ALU运算控制位的运用。虽然操作有点麻烦，但还是坚持完成并验证了其原理，自己的动手能力有所增强，还学到了知识，真开心啊！
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