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计算机组成原理课程设计实验报告

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2020年4月19日
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计算机组成原理课程设计实验报告

学院：计算机科学与工程学院

专业：计算机科学与技术

班级：计算机二班

学号：

姓名：

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6月23日

实验一 验证74LS181运算和逻辑功能

一、实验目的：
1、掌握算术逻辑单元（ALU）的工作原理；
2、熟悉简单运算器的数据传送通路；
3、画出逻辑电路图及布出美观整齐的接线图；
4、验证4位运算功能发生器（74LS181）组合功能。
二、实验原理：
1、ALU能进行多种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。功能表如下：
方式
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
(上表中的“/”表示求反)

2、具体示例功能解析
（1）A、S、D、F键分别控制U1单元的输入，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，例如：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单元的输入；（2）Z、X、C、V键分别作为74LS181N的S0、S1、S2、S3运算选择控制端的开关，实现决定电路执行哪一种运算；（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 决定电路执行哪一种算术
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 本片产生的进位信号
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、实验内容：

图2：4位74LS181电路验证图
如上图所示，M=0，进行算术运算，CN=1，表示无进位，Ｓ３、Ｓ２、Ｓ１、Ｓ０分别为１００１，因此对应的运算为：Ｆ＝Ａ加Ｂ，由此可见实验结果正确。

图3：4位74LS181电路验证图
如上图所示，M=１，进行算术运算，Ｓ３、Ｓ２、Ｓ１、Ｓ０分别为１１１０，因此对应的运算为：Ｆ＝Ａ＋Ｂ，由此易知实验结果正确。

图4：4位74LS181电路验证图
如上图所示，M=0，进行算术运算，CN=０，表示有进位，Ｓ３、Ｓ２、Ｓ１、Ｓ０分别为１００１，因此对应的运算为：Ｆ＝Ａ加Ｂ加１，由此易知实验结果正确。

综上验证74LS181型4位ALU的逻辑算术功能，列出结果如下表：
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：
经过实验一“验证74LS181运算和逻辑功能”，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的接线图，按照实验的要求进行各种操作，熟悉了简单运算器的数据传送通路，掌握了算术逻辑单元的工作原理，使我对专业知识有了更深的了解，也激发了我对学习的兴趣，从中积累了宝贵的实践操作经验。

当然在实验中，我也遇到了很多问题，例如对算术运算下的有进位运算一直不能理解它是如何进行的，“为什么会自动加１”，而有的不会，经过翻阅教材，和同学讨论以及上网查阅资料，也只是初步了解了。又如，４位７４ＬＳ１８１如何扩展为８位的，甚至是１６位，虽然努力了，可是终究没有达到预想的效果，由于时间有限，我也只能在以后的学习实践中去寻找理想的答案了。

总之，实验一是一个入门级的实验，经过它为实验二打下了坚实的基础，因此从中我收益匪浅。

实验二 运算器
一、实验目的：
１、熟练掌握算术逻辑单元（ALU）的应用方法；
２、进一步熟悉简单运算器的数据传送原理；
３、画出逻辑电路图及布出美观整齐的接线图；
４、熟练掌握有关数字元件的功能和使用方法；
５、熟练掌握子电路的创立及使用。
二、实验原理：
本实验仿真单总线结构的运算器，原理如图5，相应电路如图6。
电路图中，上右下三方的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，如果可能的话可设计4个或8个通用寄存器）；众多的开关作为控制电平或打入脉冲；众多的8段代码管显示相应位置的数据信息；核心为8位ALU层次块。

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

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层次块作为的通用寄存器组GR1和GR2；经过其它 74LS244的开关，将通用寄存器里的数据放到74LS273层次块作为的暂存工作寄存器DR1和DR2中；将DR1和DR2中的数据经过核心8位ALU层次块运算，将结果又保存到GR1或者GR2中。众多的开关作为控制电平或打入脉冲；众多的8段代码管显示相应位置的数据信息；

2.说明74LS244N的功能及其在电路中的作用，及输入信号G有何作用；
答：74LS244层次块为三态门电路，在电路中将部件与总线连接或断开，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的功能及其在电路中的作用，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的功能及其在电路中的作用，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，另具有三态门的作用。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的输出端，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：
经过实验二，我比较深刻地了解了运算器的原理，懂得了如何将数据存入通用寄存器，如何将通用寄存器中的数据经过总线传入暂存寄存器，如何将其输入运算器进行运算等等。此次实验，最重要的一点就是“切记总线上只能有一个输入”,而控制总线输入数量的三态门中，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，只允许其中一个三态门置于导通状态，这样才能保证总线的要求，否则将出现一些问题，比如总线输出的不是K8中设置的值，这可能是这些数据参加了某种运算后的结果，这也是实验成功与否的关键。

在实验过程中，刚开始的时候，运算器看上去连线均没错，可是数据总线不是显示红色的，因此无论如何都不能正常显示数据，经过不段尝试，最终发现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，十分感谢老师的悉心指导，可是还有许多疑问没有解决，在以后的学习过程中，特别是计算机专业学习中能够更深入地理解，从而达到熟练应用的目的！