計算機組成原理學習-實驗二 寄存器實驗（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. 理解CPU運算器中寄存器的作用

2. 設計並驗證寄存器組（至少四個寄存器）

3. 利用寄存器或組合邏輯電路實現移位運算功能（至少含左移、右移、循環左移、循環右移四種運算功能）

 擴展要求

1. (擴展)實現更多的寄存器

2. (擴展)實現多總線結構寄存器訪問

 思考內容

  思考隨着寄存器的增多，電路設計的複雜度是什麼比例增大

實驗步驟

 一、理論分析

 本次實驗需要驗證寄存器組，我們選擇74LS373來充當寄存器，在此處我們選擇用299芯片來實現移位運算功能，包含了左移、右移、循環左移、循環右移，299的功能圖（圖片截自電子發燒友網站）如下：

 由於擴展要求：用74LS138配合一個讀開關和寫開關實現選中8個寄存器中的一個並對其進行讀寫控制，所以我們用到了一些與或運算，因此，我們採用74LS04來實現非運算，4073來實現3位與運算、4075來實現3位或運算。

 二、實現方法

 基礎要求：

 四位寄存器的設計：

 通過使用74LS245將數據輸入到總線上，然後數據在總線上流動。如果需要進行移位操作，則進入74LS299芯片，並將數據保存在74LS299芯片中，同時關閉74LS245,進行移位操作，最後將數據放回到總線上，數據流動到寄存器輸入端位置，通過74LS138和兩個開關進行與或運算，實現選中並控制寄存器的操作，用74LS138選中寄存器之後，打開寫開關，將數據寫入到選中寄存器中，然後打開讀開關，將數據讀出到總線上。

 擴展要求：

 八個寄存器的設計：

 在四個的基礎上縱向延伸4個寄存器，其重要功能與四個的一樣。

 擴展要求：實現138和讀、寫開關與或運算實現選中讀、選中寫功能。

 介紹一下讀、寫開關和74LS138進行的與或運算。

 通過真值表可得：

 OE非=A非+B+C

 LE=(A非)與B與(C非)

 三、實驗結果分析

 四個八位寄存器讀寫：
 讓編號爲010的寄存器寫入0001 0001，輸出結果：

讀出結果：

 四個寄存器右移（由於篇幅原因，左移右移選擇一個實現）：

 四個寄存器循環右移（由於篇幅原因，循環左移循環右移選擇一個實現）：

 八個八位寄存器讀寫：

 讓編號爲110的寄存器寫入0001 0001，輸出結果：
 讀出結果：

 八個寄存器右移（由於篇幅原因，左移右移選擇一個實現）：

 八個寄存器循環右移（由於篇幅原因，循環左移循環右移選擇一個實現）：

 四、思考問題

 我在增加寄存器的時候，並沒有感到電路設計複雜難度有明顯的提高(不是博主裝X，應該是博主沒有理解題目意思吧！)。

 五、問題和解決辦法

 一、 299的使用：
  在接觸到這個299的芯片的時候，我就納悶了，你說你弄成個輸入輸出分開的不好嗎？非要輸入輸出在一起，不吐槽了，不如正題。
  首先我們先看功能圖：

  從這張圖上，我們得出，299的功能有：清零、保持、左移、右移和置數功能。但是我們只需要用到他的三個功能：左移、右移和置數功能。
  proteus裏面的74LS299：

  簡單說一下上面的端口對應：

proteus	真實端口
MR	CLR非
OE2非	G2非
OE1非	G1非
CLK	CLK
S1	S1
S0	S0
D7	SL
D0	SR

  看完功能表和端口對應，想必大家對299芯片有了一個初步的認識了，接下來我就來演示如何實現左移功能：
  總體來說，想要讓其實現移位，得讓要移位的數據存儲進299芯片內部，也就是第一步，置數，通過查看功能表，只需要將：MR置爲1，OE2非和OE1非置爲0，S1和S0置爲1，D7和D0置爲0。然後讓數據流入，此時撥動CLK，實施置數功能即可，然後改變S1或S0通過撥動CLK來實現自己想要的功能。
  具體步驟：
  （1）.將299的端口值設置爲置數功能（參考功能表進行設置）
  （2）.打開245，讓245內保存的數據流入總線，同時流經299。

   （3）.此時總線上有了數據，而且299還設置爲置數功能，此時只需要撥動兩下下CLK，實現這個功能即可。

  （4）.撥動完一次CLK之後，記得將其復原爲低電平，以便形成下一次上升沿。

  （5）.此時關閉245，因爲299已經實現了置數功能，也就是將數據保存在了299芯片中了，我們就不需要245的數據了，而且待會299也需要往總線上輸出數據，所以現在需要將245關閉。

  （6）.此時，我們的299內部已經保存了要移位的數據了，我們只需要設置S0和S1來實現我們想要的功能，此處我將S1置爲0，S0置爲1來實現右移的功能，我們看到，在我設置S1和S0之後，299內部保存的數據就放出來了。

  （7）.撥動CLK，實現數據右移。

 二、74LS373的使用：
  我一直以爲74LS373就是一個簡單的鎖存器，其接口OE非是類似“總閘”的一個芯片開關，LE是讓數據流過的開關，結果打錯特錯！
  OE非是74LS373的讀開關，此處的讀是講74LS373芯片內鎖存的數據讀出芯片，而LE則是74LS373的寫開關，同理，此處的寫是將外部數據寫入到74LS373中。

 六、結論

 通過本次實驗，我深刻了解了74LS373的功能，並學會了74LS299芯片的使用，重要的是瞭解了運算器內部寄存器的工作方式，並運用了數電知識來解決自己遇到的問題。

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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