TEC-2实验计算机运算器实验

计算机组成原理与接口技术实验TEC-2实验计算机运算器实验一.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.了解和掌握TEC-2机运算器相关控制信号偶的含义和使用方法4.了解和掌握运算器的进位时间的测试方法，及进一步掌握双踪示波器的使用方法二.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，具计算机组成原理与接口技术实验有很好的典型性，是个理想的教学实例。其内部组成结构如下图所示：（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的操作时序通用寄存器接收A、B口数据锁存A、B锁存器接收数据计算机组成原理与接口技术实验图3.3Am2901的时钟信号的作用4.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3.1Am29019个控制信号I8~I0控制码I8、I7、I6I5、I4、I3I2、I1、I0000F→QFR+SAQ001无FS–RAB010F→BAR–S0Q011F→BFR∨S0B100F/2→BQ/2→QFR∧S0A101F/2→BF/R∧SDA1102F→B2Q→QFRSDQ1112F→BFR⊙SD0寄存器结果选择Y输出选择运算功能选择RS注：R、S中的“0”为逻辑0。5.TEC-2机运算器如图：计算机组成原理与接口技术实验图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SST编码状态位输入说明B34B33B32CZVS计算机组成原理与接口技术实验000CZVS四个标志位的值保持不变001CYF=0OVF15接收ALU的标志位输出值010IB7IB6IB5IB4恢复标志位现场值0110ZVS置C为0，另三个标志不变1001ZVS置C为1，另三个标志不变101RAM0ZVS右移操作，另三个标志不变110RAM15ZVS左移操作，另三个标志不变111Q0ZVS联合右移，另三个标志不变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。表3.3运算器最高位，最低位的一如信号（SSH）表3.4控制码SSH左移右移说明B9B8RAM0Q0RAM15Q15000X0X通用寄存器逻辑位移01CXCX通用寄存器与C循环移位10Q15/F15CYRAM0原码除（左移）乘（右移）11XXF15⊕OVRRAM0右移用于补码乘法说明：•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，或补码乘法计算三.实验内容SCi编码（B11、B10）00011011Cin取值01CTCLK方波计算机组成原理与接口技术实验I.脱机实验（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STEP/CONT开关STEP一边（3）用D0+0→R0将立即数D0置入寄存器R0波特率开关数据开关SW2（共12位，最末三位未用）SW1（共12位）MI876MI543MI210未用A口B口（R0）SCISSHD15-D0011000111000000000000000A000H1.按上表设置各控制信号（MI8-MI0为垂直板元件V60SW2，A口、B口、SCI、SSH为垂直板元件V61SW1）2.按上表设置十六位数据开关（为：“A000H”，即“1010000000000000”）3.按压一次STEP键后，立即数D0即置入寄存器R0中波特率开关数据开关SW2（共12位，最末三位未用）SW1（共12位）MI876MI543MI210未用A口B口（R1）SCISSHD15-D00110001110000000000100009000H（4）用D1+0→R1将立即数D1置入寄存器R11.按上表设置各控制信号（MI8-MI0为垂直板元件V60SW2，A口、B口、SCI、SSH为垂直板元件V61SW1）2.按上表设置十六位数据开关（为：“9000”，即“1001000000000000”）3.按压一次STEP键后，立即数D1即置入寄存器R1中（5）对R0和R1进行各种算术、逻辑运算。将开关S2、S1、S0置于“110”，指示灯将显示ALU的运算结果；将开关S2、S1、S0置于“000”，指示灯将显示SVZC的状态。计算机组成原理与接口技术实验功能MI8~6MI5~3MI2~0A口B口按压STEP前按压STEP后ALU输出SVZCALU输出SVZCR1+R0→R0R0+0→R0R0-R1→R00+R0→R0R1∨R0→R00+R0→R0R1∧R0→R00+R0→R0R1⊕R0→R00+R0→R0R1+R0+C→R00+R0→R0R0*2→R00+R0→R0R0+1→R00+R0→R0SCi的设置：R0+R1+C→R0，SCi=；R0+1→R0，SCi=；其余SCi=II.联机实验。（1）将FS1~FS4置成1010，STEP/CONT置成CONT，启动TEC-2机，进入监控程序。（2）在联机状态下，在命令行状态用“A”命令输入下列程序：A8000800:MOVR0,A000MOVR1,90000804:ADDR0,R1SUBR0,R1ORR0,R1ANDR0,R1XORR0,R1ADCR0,R1SHLR0计算机组成原理与接口技术实验INCR0RET(3)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（4）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=2001R1=9000R2=0000R3=0000SP=0FD0PC=0800IP=00CD....R9=0000R10=0000…F=000111110800:2C00A000MOVR0A000(5)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执行完后，观察运行结果及状态。四.实验器材（1）TEC-2机一台，电脑一台（2）示波器一台五.实验分析与设计根据实验内容板块中所述，一步一步进行实验，得到实验结果如下图表所示：功能MI8~6MI5~3MI2~0A口B口按压STEP前按压STEP后ALU输出SVZCALU输出SVZCR1+R0→R00110000010001000030001000C0000001计算机组成原理与接口技术实验R0+0→R0011000011XXXX00003000000130000000R0-R1→R001100100100010000A0000000100010000+R0→R0011000011XXXX0000A0001000A0001000R1∨R0→R001101100100010000B0001000B00010000+R0→R0011000011XXXX0000B0001000B0001000R1∧R0→R00111000010001000090001000900010000+R0→R0011000011XXXX00009000100090001000R1⊕R0→R00111100010001000000001000900000100+R0→R0011000011XXXX00000000001000000010R1+R0+C→R00110000010001000090000010200010000+R0→R0011000011XXXX00009000100090001000R0*2→R0111000011XXXX000090001000200010000+R0→R0011000011XXXX00002000100020000000R0+1→R0011000011XXXX000020010000200200000+R0→R0011000011XXXX00002001000020010000SCi的设置：R0+R1+C→R0，SCi=1