计算机组成原理第一次上机实验报告

华 中 科 技 大 学 课 程 实 验 报 告 2015 计算机组成原理 ·实验报告· 实验内容： 专 业： 班 级： 学 号： 姓 名： 电 话： 邮 件： 报告日期： 指导教师： 运算器组成实验 信息安全 1303 2015-06-01 谭志虎 计算机科学与技术学院 华 中 科 技 大 学 课 程 实 验 报 告

目 录

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实验目的 ............................................................................................ 3 实验环境 ............................................................................................ 3 实验内容 ............................................................................................ 3 3.1 LOGISM实验 ..........................................................................................3 3.2 74LS181实验 .......................................................................................3 4

方案设计 ............................................................................................ 4 4.1 4.2 5

运算器扩展 ......................................................................................4 溢出检测 ..........................................................................................5

过程与调试 ......................................................................................... 5 5.1 5.2 5.3 5.4

实验步骤 ..........................................................................................5 测试用例 ..........................................................................................6 结果与分析 ......................................................................................6 故障与调试 ......................................................................................6

6 总结与心得 ......................................................................................... 7 6.1 6.2

实验总结 ..........................................................................................7 实验心得 ..........................................................................................7

7

参考文献 ............................................................................................ 8

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1 实验目的

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熟悉Logisim软件平台。 掌握运算器基本工作原理

掌握运算溢出检测的原理和实现方法； 理解有符号数和无符号数运算的区别； 理解基于补码的加/减运算实现原理； 熟悉运算器的数据传输通路。

2 实验环境

Logisim是一款数字电路模拟的教育软件，每一位用户都可以通过它来学习如何创建逻辑电路，方便简单。 它是一款基于Java的应用程序，可运行在任何支持JAVA环境的平台，方便学生来学习设计和模仿数字逻辑电路。Logisim中的主要组成部分之一就在于设计并以图示来显示CPU。当然Logisim中还有其他多种组合分析模型来对你进行帮助，如转换电路，表达式，布尔型和真值表等等。同时还可以重新利用小规模的电路来作为大型电路的一部分。

3 实验内容

3.1 Logism实验

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学习使用Logism工具栏上的功能

学会使用子电路，并能将子电路放到main电路中使用 学习使用时钟，并能使用时钟单步或自动运行 学会使用分线器，理解线宽的概念

学会使用隧道，学习使用探测器，了解logisim数据监测方法。 熟悉按键、LED，数码管等基本输出设备

3.2 74LS181实验

? 构建8位运算器。在logisim平台中利用现有的74LS181子电路，构建一

个8位运算器，可支持有符号数无符号数加减运算的溢出检测(请仔细思考其对应逻辑)，相应逻辑电路的生成可以手工绘制，也可以用logisim中分析电路功能，采用表达式或者真值表自动生成电路，请注意学习相应功能。

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? 8位运算器封装实验。将第一步实现的8位运算器电路，封装成子电路，该子电路封装基本抽象如图 1所示：

图 1 运算器封装

? X，Y，Z，S均应封装成单一引脚，需要细分时请用数据分线器，封装时

各引脚以及电路必须用文字标注，运算符功能如表1所示。

表1 运算符功能

S3S2S1S0 0000 0001 0010 0011 十进制 0 1 2 3 运算功能 加法 减法 与 或

4 方案设计

4.1 运算器扩展

将两个74LS181芯片串联，共用一个S输入端和M 输入端，将两个8位的A、B输入端用分离器分为高四位和低四位，A、B的低四位连入74LS181芯片（1）的A 端和B端，A、B的高四位连入74LS181芯片（2）的A 端和B端。

芯片（2）的四位输出作为8位运算输出的高四位，芯片（1）的四位输出作为8位运算输出的低四位，用分离器合并为8位输出。

为使输入输出观测方便，将所有关键点的值用探测和隧道方式结合引出，用10进制方式显示置于电路上方，运算器结果直接用16进制数码管显示。

当S=1001，M=0时执行加法运算； 当S=0110，M=0时执行减法运算；

因为74LS818芯片在S=0110时执行的运算为A减B减一，所以低位进位不能从外部输入，在加法时取高位，减法时取低位，所以将取S输入端的第一位的非、第四位的非和第二三位相与后取非作为芯片（1）的进位输入。

芯片（2）的进位信息：取芯片（1）的P输出的非与芯片（1）的进位输入相与后与芯片（1）的输出G的非相或得到。 4.11 8位运算器电路图：

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4.2 溢出检测

4．21 有符号溢出检测

根据操作数和运算结果的符号位是否一致进行检测，公式：

用分离器引出A、B输入端的最高位与F输出端的最高位，因为加减操作时，溢出情况不同。

加法时两同号才可能溢出，减法时两异号才可能溢出。

所以利用S输入端来区分（1001为加法操作，0110为减法操作），取S输入端的第一位的非、第四位的非和第二三位相与后与结果的进位位（即芯片（2）所产生的进位）进行异或，因为74LS181芯片所产生的进位位与真实值相反，所以需要对芯片（2）所产生的进位取非后再进行操作。B的最高位与该异或值再异或后参与运算，当结果为1时则有溢出。 4．22 无符号溢出检测

直接根据运算结果的进位信号即芯片（2）的进位输出来判断，因为加减操作时，无符号溢出情况不同，所所以利用S输入端来区分（1001为加法操作，0110为减法操作），取S输入端的第一位的非、第四位的非和第二三位相与后结果的进位位（即芯片（2）所产生的进位）进行异或，因为74LS181芯片所产生的进位位与真实值相反，所以需要对芯片（2）所产生的进位取非后再进行操作。

5 过程与调试

5.1 实验步骤

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