计算机组成原理专业课程设计实验报告.doc

计算机组成原理课程设计试验汇报

学院：计算机科学和工程学院

专业：计算机科学和技术

班级：计算机二班

学号：

姓名：

评分：

6月23日

试验一 验证74LS181运算和逻辑功效

一、试验目标：
1、掌握算术逻辑单元（ALU）工作原理；
2、熟悉简单运算器数据传送通路；
3、画出逻辑电路图及布出美观整齐接线图；
4、验证4位运算功效发生器（74LS181）组合功效。
二、试验原理：
1、ALU能进行多个算术运算和逻辑运算。4位ALU_74LS181能进行16种算术运算和逻辑运算。功效表以下：
方法
M=1 逻辑运算
M=0 算术运算
S3 S2 S1 S0
逻辑运算
CN=1(无进位)
CN=0(有进位)
0 0 0 0
F=/A
F=A
F=A加1
0 0 0 1
F=/(A+B)
F=A+B
F=(A+B)加1
0 0 1 0
F=(/A)B
F=A+/B
F=(A+/B)加1
0 0 1 1
F=0
F=负1（补码形式）
F=0
0 1 0 0
F=/(AB)
F=A加A(/B)
F=A加A/B加1
0 1 0 1
F=/B
F=(A+B)加A/B
F=(A+B)加A/B加1
0 1 1 0
F=A⊕B
F=A减B减1
F=A减B
0 1 1 1
F=A/B
F=A(/B)减1
F=A(/B）
1 0 0 0
F=/A+B
F=A加AB
F=A加AB加1
1 0 0 1
F=/(A⊕B)
F=A加B
F=A加A加1
1 0 1 0
F=B
F=(A+/B)加AB
F=(A+/B)加AB加1
1 0 1 1
F=AB
F=AB减1
F=AB
1 1 0 0
F=1
F=A加A
F=A加A加1
1 1 0 1
F=A+/B
F=(A+B)加A
F=(A+B)加A加1
1 1 1 0
F=A+B
F=(A+/B)加A
F=(A+/B)加A加1
1 1 1 1
F=A
F=A减1
F=A
(上表中“/”表示求反)

2、具体示例功效解析
（1）A、S、D、F键分别控制U1单元输入，经过选择高低电平，输入四位二进制数，在U1单元显示为一位十六进制数，比如：A为高电平，S为低电平，D为高电平，F为低电平，则U1将显示为5；同理，G、H、J、K键分别控制U2单元输入；（2）Z、X、C、V键分别作为74LS181NS0、S1、S2、S3运算选择控制端开关，实现决定电路实施哪一个运算；（3）CN引脚是最低位进位输入控制引脚，CN=0，表示有进位，CN=1，表示无进位；M引脚为状态控制端，Ｍ＝１，表示逻辑运算，Ｍ＝０，表示算术运算；（４）F3、F2、F1、F0均为数据输出引脚，F3为最高位。

图1：4位74LS181电路示意图

3、ALU-74LS181引脚说明：M=1 逻辑运算，M=0 算术运算。
引脚
说明
M 状态控制端
M=1 逻辑运算；M=0 算术运算
S3 S2 S1 S0运算选择控制
S3 S2 S1 S0 决定电路实施哪一个算术
A3 A2 A1 A0
运算数1，引脚3为最高位
B3 B2 B1 B0
运算数2，引脚3为最高位
Cn 最低位进位输入
Cn=0 有进位；Cn=1 无进位
Cn+4 本片产生进位信号
Cn+4=0 有进位；Cn+4=1 无进位
F3 F2 F1 F0
F3 F2 F1 F0 运算结果，F3为最高位
三、试验内容：

图2：4位74LS181电路验证图
如上图所表示，M=0，进行算术运算，CN=1，表示无进位，Ｓ３、Ｓ２、Ｓ１、Ｓ０分别为１００１，所以对应运算为：Ｆ＝Ａ加Ｂ，由此可见试验结果正确。

图3：4位74LS181电路验证图
如上图所表示，M=１，进行算术运算，Ｓ３、Ｓ２、Ｓ１、Ｓ０分别为１１１０，所以对应运算为：Ｆ＝Ａ＋Ｂ，由此易知试验结果正确。

图4：4位74LS181电路验证图
如上图所表示，M=0，进行算术运算，CN=０，表示有进位，Ｓ３、Ｓ２、Ｓ１、Ｓ０分别为１００１，所以对应运算为：Ｆ＝Ａ加Ｂ加１，由此易知试验结果正确。

综上验证74LS181型4位ALU逻辑算术功效，列出结果以下表：
S3 S2 S1 S0
数据1
数据2
算术运算（M=0）
逻辑运算（M=1）
Cn=1(无进位)
Cn=0(有进位)
0 0 0 0
AH
5H
F=A(1010)
F=B(1011)
F=5(0101)
0 0 0 1
AH
5H
F=F(1111)
F=0(0000)
F=0(0000)
0 0 1 0
AH
5H
F=A(1010)
F=B(1011)
F=5(0101)
0 0 1 1
AH
5H
F=F(1111)
F=0(0000)
F=0(0000)
0 1 0 0
FH
1H
F=D(1101)
F=E(1110)
F=E(1110)
0 1 0 1
FH
1H
F=D(1101)
F=E(1110)
F=E(1110)
0 1 1 0
FH
1H
F=D(1101)
F=E(1110)
F=E(1110)
0 1 1 1
FH
1H
F=D(1101)
F=E(1110)
F=E(1110)
1 0 0 0
FH
FH
F=E(1110)
F=F(1111)
F=F(1111)
1 0 0 1
FH
FH
F=E(1110)
F=F(1111)
F=F(1111)
1 0 1 0
FH
FH
F=E(1110)
F=F(1111)
F=F(1111)
1 0 1 1
FH
FH
F=E(1110)
F=F(1111)
F=F(1111)
1 1 0 0
5H
5H
F=A(1010)
F=B(1011)
F=F(1111)
1 1 0 1
5H
5H
F=A(1010)
F=B(1011)
F=F(1111)
1 1 1 0
5H
5H
F=4(0100)
F=5(0101)
F=5(0101)
1 1 1 1
5H
5H
F=4(0100)
F=5(0101)
F=5(0101)
四、总结及心得体会：
经过试验一“验证74LS181运算和逻辑功效”，我熟练地掌握了Multisim 10.0操作使用，能画出逻辑电路图及布出美观整齐接线图，根据试验要求进行多种操作，熟悉了简单运算器数据传送通路，掌握了算术逻辑单元工作原理，使我对专业知识有了更深了解，也激发了我对学习爱好，从中积累了宝贵实践操作经验。

当然在试验中，我也碰到了很多问题，比如对算术运算下有进位运算一直不能了解它是怎样进行，“为何会自动加１”，而有不会，经过翻阅教材，和同学讨论和上网查阅资料，也只是初步了解了。又如，４位７４ＬＳ１８１怎样扩展为８位，甚至是１６位，即使努力了，不过终究没有达成预想效果，因为时间有限，我也只能在以后学习实践中去寻求理想答案了。

总而言之，试验一是一个入门级试验，经过它为试验二打下了坚实基础，所以从中我收益匪浅。

试验二 运算器
一、试验目标：
１、熟练掌握算术逻辑单元（ALU）应用方法；
２、深入熟悉简单运算器数据传送原理；
３、画出逻辑电路图及布出美观整齐接线图；
４、熟练掌握相关数字元件功效和使用方法；
５、熟练掌握子电路创建及使用。
二、试验原理：
本试验仿真单总线结构运算器，原理图5，对应电路图6。
电路图中，上右下三方8条线模拟8位数据总线；K8产生所需数据；74244层次块作为暂存工作寄存器DR1和DR2；两个74374层次块作为通用寄存器组（鉴于电路排列情况，只画出两个通用寄存器GR1和GR2，假如可能话可设计4个或8个通用寄存器）；众多开关作为控制电平或打入脉冲；众多8段代码管显示对应位置数据信息；关键为8位ALU层次块。

通 用寄存器
A
B
ALU
图5：单总线结构运算器示意图
三、试验内容：
在Multisim画出电路图并仿真，完成以下操作。

1.说明整个电路工作原理。
答: K8产生所需数据，打开74LS244层次块三态门电路,将产生数据输入总线，将数据存入74LS374层次块作为通用寄存器组GR1和GR2；经过其它 74LS244开关，将通用寄存器里数据放到74LS273层次块作为暂存工作寄存器DR1和DR2中；将DR1和DR2中数据经过关键8位ALU层次块运算，将结果又保留到GR1或GR2中。众多开关作为控制电平或打入脉冲；众多8段代码管显示对应位置数据信息；

2.说明74LS244N功效及其在电路中作用，及输入信号G有何作用；
答：74LS244层次块为三态门电路，在电路中将部件和总线连接或断开，起开关作用，当G为低电平时，部件连接，G为高电平时，部件断开。

3.说明74LS273N功效及其在电路中作用，及输入信号CLK有何作用；
答：74LS273作为临时工作寄存器，在电路中临时寄存数据，CLK上跳沿触发工作。

4.说明74LS374N功效及其在电路中作用，及输入信号CLK和OC有何作用；
答：74LS374层次块作为通用寄存器组，在电路中寄存数据，另含有三态门作用。CLK上跳沿触发工作，OC为低电平时，部件连接，OC为高电平时，部件断开。

5.K8产生任意数据存入通用寄存器GR1。
答：a. K8确定任意数（测试时可指定一个2位16进制数）；b. Q=0（低电平），数据送总线；c. U↑（正跳变）且Y=0.该数存入GR1

6.K8产生任意数据存入通用寄存器GR2。
答：a. K8确定任意数（测试时可指定一个2位16进制数）；b. Q=0（低电平），数据送总线；c.P↑且O=0。该数送GR2。

7.完成GR1+ GR2→GR1。
答：a.Q=1（屏蔽掉K8）、I=0、W=0、E↑，GR1→DR1；b.Space=0、R=0、T↑，GR2→DR2；c.加法：S3~S0=1001B（对应BVCX四键）、CIN=1（对应N键）、M=0（对应M键），此时结果在ALU输出端，令Z=0，结果送总线，U↑结果存入GR1.

8.完成GR1- GR2→GR1。
答：前2步同上；S3~S0=0110B（对应XCVB四键）、Cin=1（对应N键）、M=0（对应M键），Z=0，P↑。

9.完成GR1∧GR2→GR1。
答：前2步同上；S3~S0=1011B（对应XCVB四键）M=1（对应M键），Z=0，U↑。

10.完成GR1∨GR2→GR1。
答：前2步同前；S3~S0=1110B（对应XCVB四键）、M=1（对应M键），Z=0，P↑。

11.完成GR1⊕GR2→GR1。
答：a.I=0、W=0、E↑，GR1→DR1；b.S3~S0=0000B（对应XCVB四键）、M=1（对应M键），Z=0，P↑。

12.~GR1→GR2。（“~”表示逻辑非运算）
答：a.I=0、W=0、E↑，GR1→DR1；b.S3~S0=0000B（对应XCVB四键）、M=1（对应M键），Z=0，U↑。

13.~GR2→GR1。
答：a.Space=0、R=0、T↑，GR2→DR2；b.S3~S0=0101B（对应XCVB四键）、M=1（对应M键），Z=0，U↑。

图6：运算器示意图

图7：8位ALU层次块示意图

图8：74LS244层次块示意图

图9：74LS273层次块示意图

图10：74LS374层次块示意图

图11：K8层次块示意图

四、总结及心得体会：
经过试验二，我比较深刻地了解了运算器原理，知道了怎样将数据存入通用寄存器，怎样将通用寄存器中数据经过总线传入暂存寄存器，怎样将其输入运算器进行运算等等。此次试验，最关键一点就是“切记总线上只能有一个输入”,而控制总线输入数量三态门中，K8层次块旁有一个， 8位运算器旁有一个，通用寄存器旁有两个,总计四个。在进行总线操作时，只许可其中一个三态门置于导通状态，这么才能确保总线要求，不然将出现部分问题，比如总线输出不是K8中设置值，这可能是这些数据参与了某种运算后结果，这也是试验成功是否关键。

在试验过程中，刚开始时候，运算器看上去连线均没错，不过数据总线不是显示红色，所以不管怎样全部不能正常显示数据，经过不段尝试，最终发觉只有将数据线设为红色才行，这点让我吃尽了苦头。

计算机组成原理课程设计结束了，十分感谢老师悉心指导，不过还有很多疑问没有处理，在以后学习过程中，尤其是计算机专业学习中能够更深入地了解，从而达成熟练应用目标！