《计算机组成原理》
实验名称: TEC-2实验计算机运算器实验 |
实验地点:10-413 |
一.实验目的 1. 了解和掌握Am2901运算器的组成结构和工作原理; 2. 认识和掌握TEC-2机运算器的组成和工作原理; 3. 认识和掌握TEC-2机运算器相关控制信号的含义和使用方法; |
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二.实验原理 1.概述 运算器部件是计算机五大功能部件中的数据加工部件。 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为算术与逻辑运算部件(ALU)来实现,它在给出运算结果的同时,还给出运算结果的标志,如溢出否,进位否,结果为零否和符号正负等,这些标志都保存在一个状态寄存器中。 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,由其内部的一个寄存器来承担。因为这些寄存器可被汇编程序直接访问与使用,因此将它们称为通用寄存器,以区别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。 为了用硬件线路完成程序指令运算,运算器内一般还有一个能自行左右移位的专用寄存器,称为乘商寄存器。 TEC-2实验机的运算器核心部分是Am2901。Am2901芯片是一个4位的位片结构的完整的运算器部件。 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。这是通过正确地向其提供控制信号。包括选哪个(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;同时,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最低的进位信号,运算器左右移位操作中的移位输入信号等。给出正确的数据的来源和正确的控制信号,运算器就执行规定的操作功能。在计算机整体运行过程中,运算器用到的控制信号是由计算机的控制部件提供;从教学实验需求考虑,如TEC-2机运算器运行中用到的数据和控制信号,也可以通过该教学计算机上的16个手拨数据开关和24个手拨微型开关来实现。 2 .Am2901 运算器 一、 Am2901芯片内部组成结构 Am2901芯片是一个4位的位片结构运算部件,是一个完整的运算器,只是位数较少,具有很好的典型性,是个理想的教学实例。其内部组成结构如下图所示: 编辑 (1)4位的ALU,实现8种运算功能,其每一位上的2个输入数据分别用R和S表示。这八种功能的选择控制,是用外部送入的3位编码值I5~I3实现的。ALU还能给出Cn+4、F、OVR和F=0000四位状态信息,并能接受最低位的一个输入信号Cn。 (2)16个4位的通用寄存器组,用R0~R15表示,和一个4位的Q寄存器,通用寄存器组为双端读出和单端控制,而且运算后的结果经过一个移位器实现写入。Q寄存器本身具有左移右移功能且能接受ALU的运算结果。 (3)能接收外部送入的4位数据D3~D0,并输入4位的数据Y3~Y0。 (4)从图上可以看到,ALU的两个输入端R和S分别可以接收D输入,A端口或逻辑0数据,和A端口、B端口、Q寄存器和逻辑0数据。 (5)Am2901还采用另外3位外部送来的控制信号I8~I6。 (6)通用寄存器组通过A端口,B端口读出内容的输出处均有锁存器线路支持,以保证在执行诸如A+B结果送B运算时操作的正确性。 3.Am2901的级联结构 一片4位的Am2901芯片的引脚信号如图2-2所示。其中A3~A0、B3~B0 用于输入选中的通用寄存器地址(0000~1111分别对应于Ro~R1s); I~Io用于运算过程的控制信号; D3~D0用于输入外部数据;Y3~Y0用于输出运算的结果;CP为时钟信号;/OE为选通信号;RAM3、RAM0为运算结果左右移时的移出位;Q3、Q0为乘商寄存器Q左右移时的移出位;Cy、F=0、Over、F3分别为进位标志位、零标志位、溢出标志位、符号标志位; Cin 为外部输入的最低进位位。 编辑 4. Am2901的操作时序 编辑 图3.3 Am2901的时钟信号的作用 5. Am2901芯片的控制信号及其控制码与操作 Am2901戏弄的控制信号有9个,即I8~I0,这9个控制信号分为三组,它们是: (1)I8、I7、I6:选择运算结果或有关数据以何种方式送往何处; (2)I5、I4、I3:选择ALU的运算功能,共八种; (3)I2、I1、I0:选择送入进行运算的两个操作数据R和S的来源。 这三种控制信号与相关控制码的关系如下表3.1所示: 表3.1 Am2901 9个控制信号I8~I0 编辑 6. TEC-2机运算器 编辑 图3.6 完整的16位运算器的组成框图 4片间的连接关系是: 16位的数据输入有4片各各自的D3~D0组成,其位序号从高位芯片向低位芯片顺序排成D15~D0。 16位的数据输出由4片各自的Y3~Y0组成,其为序号从高位芯片向低位芯片顺序排成Y1~Y0。 高地位进位关系的3组信号。 其他的计组输入信号,对4 片Am2901期间来说应该有相同的值,包括/OE(控制选通Y的输出),A地址,B地址,I8~I0,和工作脉冲CP,故应将4个芯片的这些管脚连接一起。 6. TEC-2机运算器部件的辅助组成部分 **标志位的含义及取值: S:符号标志,负数为1; V:溢出标志,溢出则为1; Z:运算结果标志,结果为0则为1; C:进/借位标志,有则为1 三位微码与这8种处理的对应关系,以用表格形式给出在TEC-2的操作卡上, 如表3.2所示。 表3.2三位微码与状态位的关系表 编辑编辑 运算器最低位进位信号的给出与控制(SCi) 运算器最低位的进位信号Cin可能为0、1、c标志的值,为了测试与实验方便,有时 可送入一个连续的方波信号,当认运算执行16位全1与这个最低位的进位方波信号相加 时,则加法器每一位的输出结果均为方波,有利于观察和测试。 编辑 运算器最高位,最低位的一如信号(SSH) 编辑 说明: • 表中“X”为任意值,表示取任意值都不受影响 • 当通用寄存器本身移位时,Q寄存器不受影响 • 乘除法运算要求通用寄存器与Q寄存器联合移位,没有Q寄存器单独移位功能 • 左右移是由指令功能确定的 • SSH 为0,用于逻辑移位指令 为1,用于循环移位指令 为2,用于乘除法运算的联合移位及上商 为3,用于算术右移指令,或补码乘法计算 |
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三.实验内容: 脱机和联机时运算器实验 在脱机与联机两种方式下,可以用一些数据实现多种运算,以控制其操作过程与功能 检查所得结果的正确性。 (一) 脱机方式 1. 将TEC-2机功能开关FS4置为“1”。 2. 将TEC-2机主脉冲置为单步方式,即将STEP/CONT开关拨向STEP一边。 3. 用D0+0→R0将立即数D0(A000H)置入寄存器R0(0000)。具体的微型开关和数据开关按下表进行设置: 波特率开关 数据开关 SW2(共12位,最末三位未用) SW1(共12位) MI876 MI543 MI210 未用 A口 B口(R0) SCi SSH D15-D0 011 000 111 000 0000 0000 00 00 A000H 设置好各控制信号(MI8-MI0),并设置好十六位数据开关为“A000H”,即“1010 0000 0000 0000”后,按压一次STEP键,将立即数D0置入寄存器R0中。 4. 用D1+0→R1将立即数D1(4000H)置入寄存器R1(0001)。具体的微型开关和数据开关按下表进行设置: 波特率开关 数据开关 SW2(共12位,最末三位未用) SW1(共12位) MI876 MI543 MI210 未用 A口 B口(R1) SCi SSH D15-D0 011 000 111 000 0000 0001 00 00 4000H 用同样的方法将立即数D1置入寄存器R1中。 5. 对寄存器R0、R1初始化后,便可对R0和R1进行各种算术、逻辑运算,此时R0保存的数据为D0(A000H),R1保存的数据为D1(4000H)。 6. 将开关S2 S1 S0置于“110”时,指示灯将显示ALU的运算结果;将开关S2 S1 S0置于“000”时,指示灯将显示SVZC的状态,对应TEC-2机上H25 = S,H26 = V,H27 = Z,H28 = C。 7. 对R0和R1进行各种算术、逻辑运算。 (二) 联机方式 启动TEC-2机,进入监控程序状态:具体操作如下: 1. 将TEC-2机的FS1~FS4置为1010,STEP/CONT置成CONT。 2. 打开计算机电源开关,使计算机正常启动。打开TEC-2电源开关,TEC-2大板左上角一排指示灯亮。 |
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3. 运行通讯程序PCEC,在DOS下命令提示(按默认设置:选择1,N)。联机后,进入联机状态,用A命令输入下列程序:(ENTER表示) >A800 ENTER MOV R0,A000 MOV R1,4000 ADD R0, R1 SUB R0,R1 OR R0,R1 AND R0,R1 XOR RO, R1 ADC R0, R1 SHL RO INC RO RET 4. 用“G”命令运行程序 在命令行提示符状态下输入: > G800 执行上面输入的程序 5. 用“R”命令观察运行结果及状态 在命令行提示符状态下输入: >R 观察运行结果及状态 屏幕将显示: R0=8001 R1=4000…… 6. 用“T”或“P”命令单步执行 在命令行提示符状态下输入: >T 或 >P 执行之后,观察运行结果及状态
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四. 实验器材 1. TEC-2机一台,电脑一台 2. TEC-2模拟软件一套
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五. 实验分析与设计1. 脱机实验 用D0+0→R0将立即数D0置入寄存器R0 编辑 用D1+0→R1将立即数D1置入寄存器R1 编辑 通过上述实验步骤,得到正确的如下结果: 编辑 2. 联机实验
启动TEC-2机,进入监控程序状态:将TEC-2机的FS1~FS4置为1010,STEP/CONT置成CONT,点击监控程序。 根据上述实验步骤得到如下正确结果: 编辑 编辑 |
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六. 思考题 在脱机方式下进行运算器实验时,在按STEP键之前和按STEP键之后,ALU的输出结果及状态SVZC有何不同,为什么?根据Am2901运算器的组成结构及其工作原理加以说明。 设置好相应微码和AB口地址之后,立即输出该运算功能的运算结果,此时ALU也已经得到SVZC的值,但并没有传给标志寄存器。按STEP之后,ALU的输出结果则为运算器再做一次运算的结果,这时SVZC所显示的值则为上一步标志位寄存器的值。 从Am2901的内部结构图可以看出,A口和B口寄存器在送入ALU之前会经过对应的锁存器,在没有按STEP前,即不产生任何脉冲信号前,当前锁存器内保存的数据与SVZC内保存的数据与寄存器中当前的数据无关,此时修改了MI8~0,就修改了运算方式,会对锁存器中当前的值进行运算,结果会马上显示在ALU输出中。查看Am2901的时钟信号的作用可以知道,下降沿信号会促发A、B数据锁存。因此,按压STEP后,当前计算的结果会写入锁存器中,比如R1+R0->RO。此时锁存器中的值被改变了,同时改变的还有LU的输出结果和SVZC的值,因为ALU是使用锁存器的当前值进行计算的。
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七. 实验心得 通过本次实验,让我对TEC-2的使用有了初步的理解,还基本了解和掌握Am2901运算器的组成结构和工作原理,认识和掌握TEC-2机运算器相关控制信号的含义和使用方法,并可以解决一些较为复杂的问题,但是并没有熟练掌握其中的一些技巧。原本的纸面描述并不能真正理解,但通过实验动手操作,对其内部处理有了进一步了解,从而加强了对其功能的深刻理解。成功的认识和掌握TEC-2机运算器的组成和工作原理;且认识和掌握TEC-2机运算器相关控制信号的含义和使用方法。 |