華中科技大學課程實驗報告華中科技大學課程實驗報告PRINTDATE\@"yyyy"PRINTDATE\@"yyyy"2015計算機組成原理計算機組成原理·實驗報告·實驗內容：運算器組成實驗專業：信息安全班級：1303學號：姓名：電話：郵件：報告日期：2015-06-01指導教師：譚志虎

目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1 實驗目的 32 實驗環境 33 實驗內容 33.1 Logism實驗 33.2 74LS181實驗 34 方案設計 44.1 運算器擴展 44.2 溢出檢測 55 過程與調試 55.1 實驗步驟 55.2 測試用例 65.3 結果與分析 65.4 故障與調試 66 總結與心得 76.1 實驗總結 76.2 實驗心得 77 參考文獻 8 實驗目的熟悉Logisim軟件平臺。掌握運算器基本工作原理掌握運算溢出檢測的原理和實現方法；理解有符號數和無符號數運算的區別；理解基于補碼的加/減運算實現原理；熟悉運算器的數據傳輸通路。實驗環境Logisim是一款數字電路模擬的教育軟件，每一位用戶都可以通過它來學習如何創建邏輯電路，方便簡單。它是一款基于Java的應用程序，可運行在任何支持JAVA環境的平臺，方便學生來學習設計和模仿數字邏輯電路。Logisim中的主要組成部分之一就在于設計并以圖示來顯示CPU。當然Logisim中還有其他多種組合分析模型來對你進行幫助，如轉換電路，表達式，布爾型和真值表等等。同時還可以重新利用小規模的電路來作為大型電路的一部分。實驗內容Logism實驗學習使用Logism工具欄上的功能學會使用子電路，并能將子電路放到main電路中使用學習使用時鐘，并能使用時鐘單步或自動運行學會使用分線器，理解線寬的概念學會使用隧道，學習使用探測器，了解logisim數據監測方法。熟悉按鍵、LED，數碼管等基本輸出設備74LS181實驗構建8位運算器。在logisim平臺中利用現有的74LS181子電路，構建一個8位運算器，可支持有符號數無符號數加減運算的溢出檢測(請仔細思考其對應邏輯)，相應邏輯電路的生成可以手工繪制，也可以用logisim中分析電路功能，采用表達式或者真值表自動生成電路，請注意學習相應功能。8位運算器封裝實驗。將第一步實現的8位運算器電路，封裝成子電路，該子電路封裝基本抽象如REF_Ref406052059\h圖1所示：圖SEQ圖\*ARABIC1運算器封裝X，Y，Z，S均應封裝成單一引腳，需要細分時請用數據分線器，封裝時各引腳以及電路必須用文字標注，運算符功能如REF_Ref406050616\h表1所示。表SEQ表\*ARABIC1運算符功能S3S2S1S0十進制運算功能00000加法00011減法00102與00113或方案設計運算器擴展將兩個74LS181芯片串聯，共用一個S輸入端和M輸入端，將兩個8位的A、B輸入端用分離器分為高四位和低四位，A、B的低四位連入74LS181芯片（1）的A端和B端，A、B的高四位連入74LS181芯片（2）的A端和B端。芯片（2）的四位輸出作為8位運算輸出的高四位，芯片（1）的四位輸出作為8位運算輸出的低四位，用分離器合并為8位輸出。為使輸入輸出觀測方便，將所有關鍵點的值用探測和隧道方式結合引出，用10進制方式顯示置于電路上方，運算器結果直接用16進制數碼管顯示。當S=1001，M=0時執行加法運算；當S=0110，M=0時執行減法運算；因為74LS818芯片在S=0110時執行的運算為A減B減一，所以低位進位不能從外部輸入，在加法時取高位，減法時取低位，所以將取S輸入端的第一位的非、第四位的非和第二三位相與后取非作為芯片（1）的進位輸入。芯片（2）的進位信息：取芯片（1）的P輸出的非與芯片（1）的進位輸入相與后與芯片（1）的輸出G的非相或得到。4.118位運算器電路圖：溢出檢測4．21有符號溢出檢測根據操作數和運算結果的符號位是否一致進行檢測，公式：用分離器引出A、B輸入端的最高位與F輸出端的最高位，因為加減操作時，溢出情況不同。加法時兩同號才可能溢出，減法時兩異號才可能溢出。所以利用S輸入端來區分（1001為加法操作，0110為減法操作），取S輸入端的第一位的非、第四位的非和第二三位相與后與結果的進位位（即芯片（2）所產生的進位）進行異或，因為74LS181芯片所產生的進位位與真實值相反，所以需要對芯片（2）所產生的進位取非后再進行操作。B的最高位與該異或值再異或后參與運算，當結果為1時則有溢出。4．22無符號溢出檢測直接根據運算結果的進位信號即芯片（2）的進位輸出來判斷，因為加減操作時，無符號溢出情況不同，所所以利用S輸入端來區分（1001為加法操作，0110為減法操作），取S輸入端的第一位的非、第四位的非和第二三位相與后結果的進位位（即芯片（2）所產生的進位）進行異或，因為74LS181芯片所產生的進位位與真實值相反，所以需要對芯片（2）所產生的進位取非后再進行操作。過程與調試實驗步驟不斷改變A、B輸入端的值，觀測F輸出端和溢出檢測端的值。測試用例溢出測試用例見REF_Ref406050665\h表2。表SEQ表\*ARABIC2溢出信號測試用例#ABF運算有符號溢出無符號溢出16080E0加○○240E020加○●34060C0加●○4E08060加●●55F1F40減○○65FFF60減○●7806020減●○87FFF80減●●結果與分析在加法運算中，運算結果和溢出檢測都是正確的，減法中得到的運算結果為正確，溢出檢測值正確，。故障與調試故障1加法時有符號溢出不符合。問題解決方法：芯片（1）的進位輸入取了外端輸入，在加減法轉換中其值忘記改變。故障2輸出端F的值與輸入端A的值完全一致。問題解決方法：當移動兩74LS181芯片確定電路連接完好后檢查輸入端的高地位連接是否有誤，以及S端、M端的輸入是否正確，可能情況為B輸入端斷路，多次排查后已解決。故障3減法時輸出端結果比真實值小1，有符號溢出檢測不符合。問題及解決方法：芯片（1）的進位輸入取外端輸入，芯片（2）的進位輸入直接取芯片（1）的進位信息。將芯片（1）和芯片（2）的進位輸入信息都依賴于電路，根據S值的不同而改變即可。故障4輸出端F的值不正確。解決方法：檢查兩芯片間的進位輸入以及S端、M端、Cn端的輸入是否正確，以及電路的連通性，多次排查后問題消除。總結與心得實驗總結本次實驗主要作了如下幾點工作：熟悉使用了logism的分離器、隧道、探測器、16進制數字顯示器及各邏輯門部件。利用2片74181芯片構造了8位運算器，可支持有符號數無符號數加減運算的溢出檢測。設計實現了無符號加減法運算溢出，根據運算結果的進位信號來判斷，并分加、減兩種情形。設計實現了有符號加減法運算溢出，根據操作數和運算結果的符號位是否一致進行檢測，同樣分為加減兩種情況。不能簡單根據理論設計電路，要根據實際情況對電路作修改，特別是在有選擇端（多種運算）時尤其要注意同一變量的不同取值。實驗心得在實驗前應做好充分準備，比如將《計算機組成原理》101頁74LS181芯片的內部結構圖弄清楚，理解102頁邏輯功能表的由來并實現其功能。對于溢出檢測不能直接對書本理論生搬硬套，需要根據實際情況分析問題并給出合理明了的解決方法。在本次實驗中仍存在較多不足，例如在獨立完成時不能很好的理解封裝的意義和過程所以請教了其他同學的實驗結果再加以理解方才完成。在經過多次查找資料和詢問同學后，才找出消除減法時的誤差方法。對于選做題實在無能為力，因為對電路實現的理解還不夠，本身知識的掌握也還不到位。在本次實驗中基本是用手工繪制的邏輯電路，并沒有很好的利用logisim分析電路功能，采用表達式或者真值表自動生成電路，因為對這些功能還不能很好的理解并掌握。參考文獻秦磊華，王小蘭.計算機組成原理實驗指導及課程設計指導書(基于EDA平臺).武漢：華中科技大學出版社，2010年.秦磊華，吳非，莫正坤.計算機組成原理.北京：清華大學出版社，2011年.DAVIDA.PATTERSON(美).計算機組成與設計硬件/軟件接口(原書第3版).北京：機械工業出版社.2007年.袁春風編著.計算機組成與系統結構.北京：清華大學出版社，2011年.

一、原創性聲明本人鄭重聲明本實驗的實驗報