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实验一基本运算器实验

一、实验目的

1. 了解运算器的组成结构

2. 掌握运算器的工作原理

3. 深刻理解运算器的控制信号

二、实验设备

PC机一台、TD-CMA实验系统一套

三、实验原理

1. (思考题)运算器的组成包括算数逻辑运算单元ALU(Arithmetic and Logic Unit)、浮点运算单元FPU(Floating Point Unit)、通用寄存器组、专用寄存器组。

① 算术逻辑运算单元ALU(Arithmetic and Logic Unit)

ALU主要完成对二进制数据的定点算术运算(加减乘除)、逻辑运算(与或非异或)以及移位操作。在某些CPU中还有专门用于处理移位操作的移位器。

通常ALU由两个输入端和一个输出端。整数单元有时也称为IEU(Integer Execution Unit)。我们通常所说的“CPU是XX位的”就是指ALU所能处理的数据的位数。

② 浮点运算单元FPU(Floating Point Unit)

FPU主要负责浮点运算和高精度整数运算。有些FPU还具有向量运算的功能，另外一些则有专门的向量处理单元。

③ 通用寄存器组

通用寄存器组是一组最快的'存储器，用来保存参加运算的操作数和中间结果。

④ 专用寄存器

专用寄存器通常是一些状态寄存器，不能通过程序改变，由CPU自己控制，表明某种状态。

而运算器内部有三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，逻辑运算部件由逻辑门构成，而后面又有专门的算术运算部件设计实验。

下图为运算器内部原理构造图

2. 运算器的控制信号实验箱中所有单元的T1、T2、T3、T4都连接至控制总线单元的T1、T2、T3、T4，CLR都连接至CON单元的CLR按钮。T4由时序单元的TS4提供(脉冲信号)，其余控制信号均由CON单元的二进制数据开关模拟给出。控制信号中除T4为脉冲信号外，其余均为电平信号，其中ALU_B为低有效，其余为高有效。下图为ALU和外围电路的连接。图中的小方框代表排针座。

在运算器的工作过程中，S3 S2 S1 S0 和CN为控制信号，FC为进位标志，FZ为运算器零标志。运算器的逻辑功能见下表，表中功能栏的FC、FZ表示当前运算会影响到该标志。

(思考题)运算器功能的选择：

如图在表中，可以通过调整S3 S2 S1 S0和CN的值来改变运算类型，功能如上图所示，不同的S3 S2 S1 S0和CN的值对应不同的运算类型和结果。

CON单元的数据开关控制数据的形成。

(思考题)运算器的数据通路：

以下为数据通路图

(思考题)运算器的各组成部件的控制信号的作用:

LDA和LDB控制存入数据的位置(具体运行方式如上图所示)

SD27到SD20通过开和关两个状态控制输入数据

而S3 S2 S1 S0和Cn控制运算的类型(Cn只用于移位运算)

四、实验内容

(1) 按图1-1-5连接实验电路，并检查无误。图中将用户需要连接的信号用圆圈标明(其它实验相同)。

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