计算机组成原理——TEC-2运算器实验

痛定思痛。 2023-10-01 12:58 22阅读 0赞

## 《计算机组成原理》 ##

<table style="margin-left:14.4pt;width:674px;"> 
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 <td style="border-color:#000000;width:213.5pt;"> 实验名称: TEC-2实验计算机运算器实验 </td> 
 <td style="border-color:#000000;width:323px;"> 实验地点：10-413 </td> 
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 <td colspan="2" style="border-color:#000000;width:671px;"> <h3 style="margin-left:0px;text-align:justify;">一．实验目的</h3> 1.&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 了解和掌握Am2901运算器的组成结构和工作原理； 2.&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 认识和掌握TEC-2机运算器的组成和工作原理； 3.&nbsp;&nbsp;&nbsp; 认识和掌握TEC-2机运算器相关控制信号的含义和使用方法； </td> 
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 <td colspan="2" style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:671px;"> <h3 style="margin-left:0px;text-align:justify;">二．实验原理</h3> 1.概述&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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。&nbsp; 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。&nbsp; 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。&nbsp; 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。&nbsp; 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。&nbsp; 2 .Am2901 运算器&nbsp;&nbsp; 一、 Am2901芯片内部组成结构&nbsp; 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： &nbsp; <img alt="" height="264" src="https://img-blog.csdnimg.cn/a7200cfd37184c3e9d7904061b68446e.png" width="352"> （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。&nbsp;&nbsp; （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。&nbsp;&nbsp; （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。&nbsp;&nbsp; （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。&nbsp;&nbsp; （5）Am2901还采用另外3位外部送来的控制信号I8~I6。&nbsp;&nbsp; （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的级联结构 一片4位的Am2901芯片的引脚信号如图2-2所示。其中A3~A0、B3~B0 用于输入选中的通用寄存器地址(0000~1111分别对应于Ro~R1s); I~Io用于运算过程的控制信号; D3~D0用于输入外部数据;Y3~Y0用于输出运算的结果;CP为时钟信号;/OE为选通信号;RAM3、RAM0为运算结果左右移时的移出位;Q3、Q0为乘商寄存器Q左右移时的移出位;Cy、F=0、Over、F3分别为进位标志位、零标志位、溢出标志位、符号标志位; Cin 为外部输入的最低进位位。 <img alt="" height="212" src="https://img-blog.csdnimg.cn/78c8df7e850b41049347b022376bed17.png" width="322"> &nbsp; 4. Am2901的操作时序 <img alt="" height="144" src="https://img-blog.csdnimg.cn/7540388148684d169469b92287e21719.png" width="386"> 图3.3&nbsp;&nbsp;Am2901的时钟信号的作用 5.&nbsp;Am2901芯片的控制信号及其控制码与操作&nbsp; &nbsp;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：&nbsp; （1）I8、I7、I6：选择运算结果或有关数据以何种方式送往何处；&nbsp; （2）I5、I4、I3：选择ALU的运算功能，共八种；&nbsp;&nbsp; （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。&nbsp;这三种控制信号与相关控制码的关系如下表3.1所示：&nbsp; 表3.1&nbsp;Am2901&nbsp;9个控制信号I8~I0 <img alt="" height="217" src="https://img-blog.csdnimg.cn/6949e6ad02df4b29a961376714022826.png" width="419"> &nbsp; 6． TEC-2机运算器 <img alt="" height="246" src="https://img-blog.csdnimg.cn/3533fcb554164d7ab0e0c95dc94fcb78.png" width="381"> &nbsp; 图3.6&nbsp;&nbsp;完整的16位运算器的组成框图 4片间的连接关系是：&nbsp;&nbsp; 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。&nbsp;&nbsp; 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。&nbsp;&nbsp; 高地位进位关系的3组信号。&nbsp;&nbsp; 其他的计组输入信号，对4&nbsp;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。&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;6.&nbsp;TEC-2机运算器部件的辅助组成部分&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;**标志位的含义及取值：&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; S:符号标志，负数为1；&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; V:溢出标志，溢出则为1；&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; Z:运算结果标志，结果为0则为1；&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;C:进/借位标志，有则为1&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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，&nbsp;&nbsp;如表3.2所示。&nbsp;&nbsp; 表3.2三位微码与状态位的关系表 <img alt="" height="79" src="https://img-blog.csdnimg.cn/d22732929757467bb007c73627c79641.png" width="777"><img alt="" height="265" src="https://img-blog.csdnimg.cn/3fdc3a2e42f74036a9fbea440d263540.png" width="773"> 运算器最低位进位信号的给出与控制（SCi）&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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&nbsp;&nbsp;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&nbsp;&nbsp;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。 <img alt="" height="121" src="https://img-blog.csdnimg.cn/48042aea79d84d12a39eb41c9485ca40.png" width="803"> &nbsp; 运算器最高位，最低位的一如信号（SSH） <img alt="" height="255" src="https://img-blog.csdnimg.cn/7862f90b373546299fcb31be8a3fc690.png" width="823"> &nbsp; 说明：&nbsp; &nbsp;•&nbsp;表中“X”为任意值，表示取任意值都不受影响&nbsp; •&nbsp;当通用寄存器本身移位时，Q寄存器不受影响&nbsp; &nbsp;•&nbsp;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 &nbsp;•&nbsp;左右移是由指令功能确定的&nbsp; •&nbsp;SSH&nbsp;为0，用于逻辑移位指令&nbsp;&nbsp; 为1，用于循环移位指令&nbsp;&nbsp; 为2，用于乘除法运算的联合移位及上商&nbsp; 为3，用于算术右移指令，或补码乘法计算 </td> 
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 <td colspan="2" style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:671px;"> <h3 style="margin-left:0px;text-align:justify;">三．实验内容：</h3> 脱机和联机时运算器实验 在脱机与联机两种方式下，可以用一些数据实现多种运算，以控制其操作过程与功能 检查所得结果的正确性。 (一) 脱机方式 1.&nbsp;&nbsp;&nbsp; 将TEC-2机功能开关FS4置为“1”。 2.&nbsp;&nbsp;&nbsp; 将TEC-2机主脉冲置为单步方式，即将STEP/CONT开关拨向STEP一边。 3.&nbsp;&nbsp;&nbsp; 用D0+0→R0将立即数D0（A000H）置入寄存器R0（0000）。具体的微型开关和数据开关按下表进行设置： 波特率开关&nbsp;&nbsp; 数据开关 SW2（共12位，最末三位未用）&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; SW1（共12位） MI876&nbsp;&nbsp;&nbsp; MI543&nbsp;&nbsp;&nbsp; MI210&nbsp;&nbsp;&nbsp; 未用&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; A口 B口（R0）&nbsp;&nbsp; SCi&nbsp; SSH D15-D0 011&nbsp; 000&nbsp; 111&nbsp; 000&nbsp; 0000&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 0000&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 00&nbsp;&nbsp; 00&nbsp;&nbsp; A000H 设置好各控制信号（MI8-MI0），并设置好十六位数据开关为“A000H”，即“1010 0000 0000 0000”后，按压一次STEP键，将立即数D0置入寄存器R0中。 4.&nbsp;&nbsp;&nbsp; 用D1+0→R1将立即数D1（4000H）置入寄存器R1（0001）。具体的微型开关和数据开关按下表进行设置： 波特率开关&nbsp;&nbsp; 数据开关 SW2（共12位，最末三位未用）&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; SW1（共12位） MI876&nbsp;&nbsp;&nbsp; MI543&nbsp;&nbsp;&nbsp; MI210&nbsp;&nbsp;&nbsp; 未用&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; A口 B口（R1）&nbsp;&nbsp; SCi&nbsp; SSH D15-D0 011&nbsp; 000&nbsp; 111&nbsp; 000&nbsp; 0000&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 0001&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 00&nbsp;&nbsp; 00&nbsp;&nbsp; 4000H 用同样的方法将立即数D1置入寄存器R1中。 5.&nbsp;&nbsp;&nbsp; 对寄存器R0、R1初始化后，便可对R0和R1进行各种算术、逻辑运算，此时R0保存的数据为D0（A000H），R1保存的数据为D1（4000H）。 6.&nbsp;&nbsp;&nbsp; 将开关S2 S1 S0置于“110”时，指示灯将显示ALU的运算结果；将开关S2 S1 S0置于“000”时，指示灯将显示SVZC的状态，对应TEC-2机上H25 = S，H26 = V，H27 = Z，H28 = C。 7.&nbsp;&nbsp;&nbsp; 对R0和R1进行各种算术、逻辑运算。 (二) 联机方式 启动TEC-2机，进入监控程序状态：具体操作如下： 1.&nbsp;&nbsp;&nbsp; 将TEC-2机的FS1~FS4置为1010，STEP/CONT置成CONT。 2.&nbsp;&nbsp;&nbsp; 打开计算机电源开关，使计算机正常启动。打开TEC-2电源开关，TEC-2大板左上角一排指示灯亮。 </td> 
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 <td colspan="2" style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:671px;"> 3.&nbsp;&nbsp;&nbsp; 运行通讯程序PCEC，在DOS下命令提示（按默认设置：选择1，N）。联机后，进入联机状态，用A命令输入下列程序：(ENTER表示) &gt;A800 ENTER MOV&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; R0，A000 &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; MOV&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; R1，4000 　　　ADD&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; R0, R1 &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; SUB&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; R0，R1 &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; OR&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; R0，R1 &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; AND&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; R0，R1 &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; XOR&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; RO, R1 &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; ADC&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; R0, R1 &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; SHL&nbsp;&nbsp;&nbsp; RO &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; INC&nbsp;&nbsp;&nbsp; RO&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; RET 4.&nbsp;&nbsp;&nbsp; 用“G”命令运行程序 在命令行提示符状态下输入： &gt; G800 执行上面输入的程序 5.&nbsp;&nbsp;&nbsp; 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: &gt;R 观察运行结果及状态 屏幕将显示： R0=8001&nbsp; R1=4000…… 6.&nbsp;&nbsp;&nbsp; 用“T”或“P”命令单步执行 在命令行提示符状态下输入： &gt;T 或 &gt;P 执行之后，观察运行结果及状态 &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; </td> 
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 <td colspan="2" style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:671px;"> <h3 style="margin-left:0px;text-align:justify;">四.&nbsp; 实验器材</h3> 1.&nbsp;&nbsp;&nbsp; TEC-2机一台，电脑一台 2.&nbsp;&nbsp;&nbsp; TEC-2模拟软件一套 &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; </td> 
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 <td colspan="2" style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:671px;"> <h3 style="margin-left:0px;text-align:justify;">五.&nbsp; 实验分析与设计</h3> <h4 style="margin-left:0px;text-align:justify;">1.&nbsp;&nbsp;&nbsp; 脱机实验</h4> 用D0+0→R0将立即数D0置入寄存器R0 <img alt="" height="676" src="https://img-blog.csdnimg.cn/a72b9aa774e24307a87748e587d4cfdb.png" width="930"> 用D1+0→R1将立即数D1置入寄存器R1 <img alt="" height="678" src="https://img-blog.csdnimg.cn/a5c115216c3a487d92c788e15730bcf7.png" width="942"> 通过上述实验步骤，得到正确的如下结果： <img alt="" height="458" src="https://img-blog.csdnimg.cn/9012ab072e704055a50ceaee886a7b29.png" width="593"> <h4 style="margin-left:0px;text-align:justify;">2.&nbsp;&nbsp;&nbsp; 联机实验</h4> &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 启动TEC-2机，进入监控程序状态：将TEC-2机的FS1~FS4置为1010，STEP/CONT置成CONT，点击监控程序。 根据上述实验步骤得到如下正确结果： <img alt="" height="636" src="https://img-blog.csdnimg.cn/8311ae771f0047fd899418aad5eadad3.png" width="1200">&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; <img alt="" height="634" src="https://img-blog.csdnimg.cn/cda48ca13d734094b9e96e0c4d93b9c5.png" width="1200"> </td> 
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 <td colspan="2" style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:671px;"> <h3 style="margin-left:0px;text-align:justify;">六.&nbsp; 思考题</h3> 在脱机方式下进行运算器实验时，在按STEP键之前和按STEP键之后，ALU的输出结果及状态SVZC有何不同，为什么？根据Am2901运算器的组成结构及其工作原理加以说明。 设置好相应微码和AB口地址之后，立即输出该运算功能的运算结果，此时ALU也已经得到SVZC的值，但并没有传给标志寄存器。按STEP之后，ALU的输出结果则为运算器再做一次运算的结果，这时SVZC所显示的值则为上一步标志位寄存器的值。 从Am2901的内部结构图可以看出，A口和B口寄存器在送入ALU之前会经过对应的锁存器，在没有按STEP前，即不产生任何脉冲信号前，当前锁存器内保存的数据与SVZC内保存的数据与寄存器中当前的数据无关，此时修改了MI8~0，就修改了运算方式，会对锁存器中当前的值进行运算，结果会马上显示在ALU输出中。查看Am2901的时钟信号的作用可以知道，下降沿信号会促发A、B数据锁存。因此，按压STEP后，当前计算的结果会写入锁存器中，比如R1+R0-＞RO。此时锁存器中的值被改变了，同时改变的还有LU的输出结果和SVZC的值，因为ALU是使用锁存器的当前值进行计算的。 &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; </td> 
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 <td colspan="2" style="border-color:#000000;vertical-align:top;width:671px;"> <h3 style="margin-left:0px;text-align:justify;">七.&nbsp; 实验心得</h3> 通过本次实验，让我对TEC-2的使用有了初步的理解，还基本了解和掌握Am2901运算器的组成结构和工作原理，认识和掌握TEC-2机运算器相关控制信号的含义和使用方法，并可以解决一些较为复杂的问题，但是并没有熟练掌握其中的一些技巧。原本的纸面描述并不能真正理解，但通过实验动手操作，对其内部处理有了进一步了解，从而加强了对其功能的深刻理解。成功的认识和掌握TEC-2机运算器的组成和工作原理；且认识和掌握TEC-2机运算器相关控制信号的含义和使用方法。 </td> 
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