計算機組成原理學習-實驗一 運算器實驗（詳細、系統）

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計算機組成原理【專欄】

須知

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實驗要求

 基本要求

1. 熟悉proteus仿真系統

2. 設計並驗證4位算數邏輯單元的功能

 擴展要求

1. 實現ALU輸入輸出鎖存

2. 實現8位算數邏輯運算單元

 思考內容

 思考單總線，雙總線和三總線結構在設計上的異同

實驗步驟

 一、理論分析

 計算機的運算器是一種類似於計算器的一個原件，他可以實現數邏運算和位運算，由於本實驗要求設計ALU並實現其部分功能。經過選擇，我們選取74LS181來實現ALU的功能部分。
 74LS181的功能真值表如下：

 本實驗擴展要求爲了實現8位數邏運算，所以會需要兩個74LS181芯片。

 本實驗採用74LS373作爲鎖存器，來鎖存數據，用LED-GREEN作爲輸出顯示。

 本實現的功能爲：4位數邏運算：A異或B（擴展功能：A-B-1）

         8位數邏運算：A異或B（擴展功能：A-B-1）

 二、實驗方法

 按照基本要求，四位二進制算術邏輯運算單元電路：

 本電路採用一個74LS181作爲ALU核心，名爲U2的74LS373作爲4位操作數A和4位操作數B的鎖存器，名爲U5的74LS373作爲74LS181的功能輸入也就是S4~S0以及M的輸入，輸出結果用名爲U6的74LS181鎖存器中，最後74LS181鎖存器連接4個LED-GREEN作爲輸出。

 四位二進制的第一個功能：A異或B

 四位二進制的第二個功能：A-B-1

 擴展：八位二進制算術邏輯運算單元電路：

 使用名爲U7的74LS373鎖存器記錄八位操作數A和名爲U8的74LS373鎖存器記錄八位操作數B，由於74LS181只能進行4位的運算，所以我們可以用兩個74LS373分別來實現A操作數的第四位和B操作數的低四位運算以及A操作數的高四位和B操作數的高四位運算，分別用U1和U2存儲A、B高四位數據和A、B低四位數據，其中名爲U4的74LS181作低位運算的進位信號輸入到名爲U3的74LS181運算器中，兩個運算器的S0~S4和M分別由兩個鎖存器輸入，最後的運算結果保存在一個74LS373鎖存器，後面接8個LED-GREEN作爲輸出。

 八位二進制的第一個功能：A異或B

 八位二進制的第二個功能：A-B-1

 三、實驗結果分析

 我實現的功能爲0110，M=1的A異或B所以用數據A：1111和數據B：1010進行實驗，計算結果F3~F0=1010，實驗結果和計算符合。

 擴展功能：A-B-1，操作數A爲1111，操作數B爲0101，計算結果F3~F0=1001，實驗結果與計算符合。

功能	模式選擇M	功能選擇S3~S0	進位CN	四位輸入A	四位輸入B	四位輸出	進位輸出
算術A-B-1	0	0110	1	1111	1010	1010	0
邏輯異或	1	0110	X	1111	0101	1001	X

 擴展爲8位二進制後，功能A異或B，操作數A：01101110 操作數B：10111001，經過計算F7~F0=11010111，實驗結果和計算符合。

 擴展功能：A-B-1，操作數A：11101111操作數B：10011001，經過計算F7~F0=01010101，與實驗結果符合。

功能	模式選擇M	功能選擇S3~S0	進位CN	八位輸入A	八位輸入B	八位輸出	進位輸出
算術A-B-1	0	0110	1	01101110	10111001	11010111	0
邏輯異或	1	0110	X	11101111	10011001	01010101	X

 四、思考問題

1. 單總線結構：這種結構的運算器實現一次雙操作數 運算要3步，1.A操作數從總線輸入 2.B操作數從總線輸入 3.輸出結果從總線輸出，總共要經歷三個脈衝才能完成雙操作數運算。
   

2. 雙總線結構：此時加了一根總線，有了兩根總線，只需要兩步就可以完成雙操作數的運算了 1.A操作數從總線1輸入的同時B操作數從總線2輸入 2.輸出結果暫時放到緩存器中，經過一個脈衝送入總線
   

3. 三總線結構：三總線結構的話就簡單了，只需要一步就可以完成雙操作數的運算了1.操作數A從總線1輸入，操作數B從總線2輸入，同時計算結果從總線3輸出。
   

 五、問題和解決辦法

 問題1：接入總線之後，在輸入端進行輸入的時候，輸出端不響應，顯示爲高阻態。（雖然我沒有用總線吧，我採取的是用鎖存器輸入功能的方法，此處可以改爲總線控制）
 解決辦法：在輸入端要加上標號，對應的輸出端也要加上標號，這樣才能保證輸入與輸出對應。
 加標號的方法：
 1.右擊一條輸入總線的線

2.添加標號


3.輸入端的線就有了標號

4.接着給輸出端也加上標號

5.此時運行，發現輸出不是高阻態了，證明成功了

 六、結論

 完成了本次實驗要求的ALU運算功能電路設計與功能驗證實驗內容。我學會了熟練使用proteus軟件設計電路的同時，增加了對運算器運算過程的瞭解，瞭解了74LS181和74LS373芯片的功能以及用法。瞭解了總線的使用方法，以及對單總線和雙總線以及三總線的設計結構上的異同。

後話

1. 首先給大家說一下，博主經常在線，如果有什麼問題或者想法，可以在下方評論，我會積極反饋的。
2. 其次還是要請大家能夠多多指出問題，我也會在評論區等候大家！
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