运算器实验

2020-03-01 155浏览

  • 1.计算机组成原理 ------ 运算器实验 实验教程 张芳
  • 2.运算器部件的功能与组成概述     功能与组成 控制与操作 Am2901 芯片介绍 TEC—2 实验计算机系统逻辑线路 图（运算器部分）
  • 3.一、 功能与组成 运算器部件是计算机五大 功能部件中的数据加工部件。 功能部件中的数据加工部件
  • 4.1 、功能之一： 运算器的首要功能是完成对数据的算 术和逻辑运算，由其内部的一个被称之为 算术与逻辑运算部件 (ALU) 承担，它在给 出运算结果的同时，还给出结果的某些特 征，如溢出否，有无进位。结果是否为零 、为负等，这些结果特征信息通常被保存 在另外设置的几个触发器中。
  • 5.2 、 功能之二： 运算器的第二项功能，是暂存将参加 运算的数据和中间结果，由其内部的一 组寄存器承担。因为这些寄存器可被汇 编程序员直接访问与使用，故通称通用 寄存器，以区别于那些计算机内部设置 的、不能为汇编程序员访问的专用寄存 器。
  • 6.3 、功能之三： 为了用硬件线路完成乘除指令运 算，运算器内一般还有一个能自行 左右移位的专用寄存器，通称乘商 寄存器。
  • 7.要实现以上三大功能，这些部件必须通 过几组多路选择器电路实现相互连接和数据 传送。  运算器要与计算机其他几个功能部件连接 在一起协同运行，还必须有接收外部数据输 入和送出运算结果的逻辑电路。  运算器通常还作为处理机内部传送数据 的重要通路 。
  • 8.为了帮助记忆，可以把这段的内容概 括为如下 3 句话： 运算器三大件，运算 、暂存和乘除快，多路 选通连起来。
  • 9.二、控制与操作 对运算器的控制与操作，指的是如何让运 算器完成所预期的操作功能。 也就是说，对运算器的控制与操作是离不 开各种控制信号，只有在各种控制信号的控 制下，运算器才能完成所预期的各种操作功 能。
  • 10.例如：选哪个 ( 哪些 ) 数据参加运算？执行 何种运算功能？对运算结果 ( 值和特征 ) 如何保 存与送出等； 又例如：要解决正确向运算器提供参加运算 数据的种种问题，包括从外部向运算器送入数 据，正确给出 ALU 最低位的进位信号，运算器 左右移位操作中的移位输入信号等。
  • 11.因此，给出正确的数据来源和正确的控 制信号，运算器就能执行规定的操作功能 。
  • 12.在计算机整机运行过程中，运算器用 到的控制信号是由计算机的控制器部件 提供的；从教学实验的需求考虑，运算 器运行中所用到的数据和控制信号，在 我们本次实验中是通过教学计算机上的 手拨开关来提供。
  • 13.为了帮助记忆，可以把这一小段的内容 概括为如下 3 句话： 数据组合有内外，运算功能说 明白，存、移和输出巧安排。
  • 14.三、位片结构的运算器芯片 Am2901 1 ． Am2901 的内部组成 Am2901 芯片是一个 4 位的位片结构的运算器器件，其内部组成框 图如图所示。
  • 15.该芯片的第三 个组成成分是 4 位 的 Q 寄存器，主要 用于实现硬件的乘 法、除法指令，能 对本身的内容完成 左、右移位功能， 能接收 ALU 的输出 16 个通用寄存器的功 ，输出送到 ALU 的 能分配： S 输入端。 1 、 R0-R3 ， R7-R15 共 1 3 个寄存器作为通用寄存器 供用户编程使用 2 、 R4-R63 个寄存器分 别作为 SP 、 PC 、 IP ， 即堆栈指针、程序计数器 、指令当前地址。 3 、正常情况下，不再能把 这 3 个寄存器当成通用寄 存器使用。 该芯片的第二个组 该芯片的第一个组 成成分是由 16 个 4 位 成成分是一个 4 位的算 的通用寄存器组成的 术与逻辑运算部件 AL 寄存器组。它是一个 U用双端口 ，它能实现 R+S B， (A 口和 S-R R-S 3 种算术运 口 )， 控制读出，单端口 算功能，和 R∨S ， R∧ (B 口 ) 控制写入的部 S件。为了对其进行读 等 5 种逻辑运算功能。 它的输出结果为 F ，数 写，需通过 A 地址、 据输入分别用 R和S标 B 地址指定被读写的寄 记，还有送入 ALU 最 存器。两路读出数据 低位的进位信号 。 分别用 A 口、 BCn 口标 它在给出运算结果的同 记，经锁存器线路可 时，还送出向高位的进 以送到 ALU 的 R ， S 位输出信号 Cn+4 ，溢 输入端的多路选择器 出标志信号 OVR ，最 ， A 口读出数据还可 高位的状态信号 F3( 可 以用作该芯片的可选 能用作符号位 ) ，以及 输出信号之一。寄存 运算结果为零的标志信 器组的写入数据由一 号 F ＝ 0000 。 组多路选择器给出， 并由 B 地址选择写入
  • 16.(2) 一组 4 位 的二选一器件 控制把运算器 内的两路 4 位 该芯片的其余组成成分是 5 组多路选 输出数据 (A 通门，通过它们，实现芯片内上述 3个 口数据、 AL 组成成分之间的联系，实现该芯片和其 U 的运算结果 (1) 外部 4 位 外界信息的输入与输出操作，这包括： 数据 ) 送出芯 的数据经 D 输 片，标记为 Y 入端送入运算 ； 器芯片之内， 是直接送到 A LU 的 R 输入 端；
  • 17.(4) 一组 4 位的三选一器 件，完成从 ALU 的输出结 （ 5 ）一组 4 位的三选一 果， ALU 输出结果左移一 器件，用 于输出结果右 完成 Q 寄存 位的值， ALU 器内容的左右移位，或 移一位的值中选择其一， 作为通用寄存器的写入信 接 收 ALU 的 输 出 结果 的 息，实现的是通用寄存器 操作功能。在进行左右 接收及移位功能。在左右 移位操作时，与通用寄 移位时，其最高位和最低 存器移位类似的是，这 位可以送出或接收相应位 里 存 在 Q3 和RAM3 Q0 的和双 向 的信息，图中用 RAM0 标记，它们都是由 传送问题。 能进行双向传送的三态门 电路完成送出和接收的； (3) 一 组 4 位 的 二 选 一和 4 位的三选一器 件，分别用于组合外 部送来信息 D ，通用 寄存器组的双路读出 信息 A 和 B ，乘商寄 存器 Q 的信息，以形 成 ALU 的两路输入 R 和 S 的值；
  • 18.控制 ALU 的运算功 能选择 控制 ALU 的R和S 端口的数据 来源 寄存器结果 选择和 Y 输 出选择
  • 19.为了帮助记忆，我们把运算器的 功能与组成概括为如下三句话： 运算器，三大块 ( 组成和功能 ) ；运 算 (ALU) 、暂存 ( 通用寄存器组 ) 、 乘 除 快 (Q 寄 存 器 ) ； 多 路 选 通 连 起 来 ( 以便构成一个协同运行的运算器 整体 ) 。
  • 20.Am2901 芯片是一个完整的运算器，只是位 数较少，具有很好的典型性，作为教学实例是 非常理想的。教学计算机分为 8 位字长和 16 位 字长两种型号。其运算器主体部分，在用 2 片 Am2901 芯片级联而成时，就构成一个 8 位的运 算器部件；：在用 4 片 Am2901 芯片级联而成 时，就构成一个 16 位的运算器部件。
  • 21.教学机 4 片 Am2901 级联
  • 22.TEC—2 实验计 算机系 统逻辑 线路图 （运算 器部 分）