计算机组成原理：运算器组成实验（.八位串行可控加减法器等） |
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计算机组成原理：运算器组成实验（.八位串行可控加减法器等）
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运算器组成实验
一、 实验目的
熟悉 Logisim软件平台。掌握运算器基本工作原理掌握运算溢出检测的原理和实现方法；理解有符号数和无符号数运算的区别；理解基于补码的加/减运算实现原理；熟悉运算器的数据传输通路。
二、 实验环境
Logisim是一款数字电路模拟的教育软件，用户都可以通过它来学习如何创建逻辑电路，方便简单。它是一款基于 Java 的应用程序，可运行在任何支持 JAVA 环境的平台，方便学生来学习设计和模仿数字逻辑电路。Logisim中的主要组成部分之一就在于设计并以图示来显示 CPU。当然 Logisim中还有其他多种组合分析模型来对你进行帮助，如转换电路，表达式，布尔型和真值表等等。同时还可以重新利用小规模的电路来作为大型电路的一部分。 http://www.cburch.com/logisim/docs.html 三、实验内容 八位串行可控加减法器四位先行进位电路CLA74182四位快速加法器十六位快速加法器32位快速加法器32位MIPS运算器 1.八位串行可控加减法器 1) 电路图
输入：操作数1X的8位数据X7-X0，操作数2Y的八位数据Y7-Y0。最低位进位Cin，加减法控制项Sub。 输出：运算结果S的八位数据S7-S0，最高位进位Cout，有符号运算溢出判断OF。 3) 实验结果的记录与分析： x=0000 0000，y=0000 0001，sub=0；s=0000 0001，Cout=0，OF=0x=0000 1000，y=0000 0101，sub=1；s=0000 0011，Cout=1，OF=0x=0100 1000，y=0100 0001，sub=0；s=1000 1001，Cout=0，OF=1x=0000 0111，y=1000 0111，sub=1；s=1000 0000，Cout=0，OF=1分析第1个输出结果 ： sub = 0 ，两个正数执行x + y操作。输出结果为s=0000 0001，没有发生溢出，最高位的进位为0。 4) 操作步骤及顺序： 根据sub确定是执行减法操作还是加法操作。将操作数的8位数据的每一分别送入一位全加器FA中执行加法操作。得出结果 2.四位先行进位电路CLA74182 1) 电路图TODO（上传图片的时候名字重复，导致文章的图片混了） 2) 设计分析与说明：
输入：进位产生函数G4、G3、G2、G1，进位传递函数P4、P3、P2、P1以及低位进位Cin 输出：四个进位C4、C3、C2、C1,进位产生函数G，进位传递函数P 3) 实验结果的记录与分析：输入序列G4 P4 G3 P3 G2 P2 G1 P1 Cin，输出序列C4 C3 C2 C1 G* P* 1.输入：0000 0001 1 输出：0001 00 2.输入：0000 0111 0 输出：0011 00 3.输入：1111 0000 0 输出：1100 10 4.输入：1111 1110 0 输出：1111 10 分析输出结果 ： C1，C2，C3, C4的计算不需要彼此依赖，而是可以独立地根据A3-A0，B3-B0以及C0计算出来。 4) 操作步骤及顺序： 输入序列G4 P4 G3 P3 G2 P2 G1 P1 Cin根据公式分别算出C4 C3 C2 C1 G* P*。以C2 = G2 +P2G1 + P2P1C0为例：先P2P1C0进行AND运算，P2G1进行AND运算，再将它们的结果与G2进行OR运算。输出结果C4 C3 C2 C1 G* P* 3.四位快速加法器 1) 电路图
2) 设计分析与说明：
需要一个CLA74182作为来并行计算进位值，然后只需要4个一位全加器FA实现加法运算即可。
**输入：**X3X2X1X0, Y3Y2Y1Y0, Cin **输出：**运算结果S的四位数据S3-S0，最高位进位Cout，p*,G*。 3) 实验结果的记录与分析：输入：x = 1000 , y = 0100, Cin = 0 ; 输出：s = 1100, Cout = 0，p* = 0, G* = 0 分析：先对Xn、Yn分别进行AND和OR运算，送入CLA74182，再由此算出S3-S0 4) 操作步骤及顺序： 先求Gi=Xi Yi, Pi=Xi + Yi根据CLA74182得出的C4 C3 C2 C1作为进位位， 分别与对应的每一位X和Y使用FA进行加法操作得出运算结果四位数据S3-S0，以及最高位进位Cout，p*,G*。 4.十六位快速加法器 1) 电路图TODO（上传图片的时候名字重复，导致文章的图片混了） 2) 设计分析与说明：需要一个CLA74182作为来并行计算进位值，然后只需要4个四位快速加法器实现4位数的运算即可。 3) 实验结果的记录与分析：输入：X = 0000 1100 0000 1100, Y = 1000 0100 1000 0100, Cin = 0; 输出：S = 1001 0000 1001 0000, Cout = 0, p* = 0, G* = 0 分析：将输入的32位数据分成4个4位数据分别送入，利用4位加法器分别算出S0-S3，利用CLA74182算出p* 和G*，结果正确，与预期相 符合。 4) 操作步骤及顺序： 将输入的32位数据分成4个4位数据分别送入4位快速加法器中结合Cin的值得出S0-S3将每一个4位快速加法器产生的p* 和G*送入CLA74182，算出最终的p* 和G*得出最终结果 5.32位快速加法器 1)电路图TODO（上传图片的时候名字重复，导致文章的图片混了） 2) 设计分析与说明： 需要一个CLA74182作为来并行计算进位值，然后只需要2个十六位快速加法器实现16位数的运算即可。溢出检测方法1：根据操作数和运算结果的符号位是否一致来进行检测设Xf,Yf分别为两个操作数的符号位，Sf为结果的符号位，V为溢出标志位，V=1时即表示溢出， 那么就有逻辑表达式： 这个逻辑表达式表明，有符号加法运算溢出的条件是：两个操作数都是正数结果却为负数，或者 两个运算数都是负数结果却是正数。 3) 实验结果的记录与分析：输入输出见32位快速加法器图 分析 ：将输入数据分为高十六位和低十六位，分别送入2个十六位快速加法器中进行计算。由2个操作数的符号位和运算结果的符号位可计算出是否溢出。 4) 操作步骤及顺序： 输入数据分为高十六位和低十六位，分别送入2个十六位快速加法器中将2个十六位快速加法器的P*,G*送入CLA74182中，并得出S0和S1由由2个操作数的符号位和运算结果的符号位计算是否溢出由S0和S1推出运算结果S 6.32位MIPS运算器 0) 芯片引脚与功能描述.
2) 设计分析与说明：
逻辑右移、逻辑左移、算术右移：X表示操作数，Y表示移动的位数乘法运算：R1低32位，R2高32位除法运算：R1为商，R2为余数加减法运算（0加1减）：运算结果存在R1，R2 = 0，区分有符号溢出和无符号溢出
无符号数溢出判断：当最高为向更高位有进位（或借位）时产生溢出。有符号数溢出判断：最高数据位的进位与符号位的进位位是否一致进行检测 按位与，按位或，按位异或，按位或非使用相应器件完成运算符号比较无符号比较
**输入：**32位操作数1X，32位操作数2Y，AluOP运算器功能控制码S。 **输出：**结果1Result，结果2Result2，有符号运算溢出判断OF，无符号数溢出判断UOF，两操作数是否相等判断Equal 3) 实验结果的记录与分析： AluOP控制运算符功能，实现相应的运算。（功能较多，不一一举例）分析：结合各功能的实际原理，分析结果是否正确，验证运算 4) 操作步骤及顺序： 输入操作数，根据运算符功能表选择AluOP的对应功能输出运算结果 四、实验收获和体会1、片选信号可以不连接即不做处理，或者接常量1，或者接译码器验证都是正确的。 2、可以通过电路中线的颜色判断哪里除了问题。常见的颜色判断：蓝色表示位置状态；红色表示信号冲突；亮绿色表示高电平 布线时，蓝色表示该点值未知，灰色表示未连接到任何东西。在布线过程中，出现蓝色和灰色都是正常的。但是布线完成后就不应该出现了。 仿真时，不应出现蓝灰，戳工具点Pin使其值改变。值为1的线浅绿，0为深绿。如果多位线路传输，则为黑色。出现绿色黑色都是正常的。 但是出现红色代表：布线错误，产生冲突 3、解复用器有一个输入、选择（定义哪个输出端输出输入数据）、输出，而译码器只有选择（选择哪个输出为1）和输出。 五、实验中碰到的问题和解决的方法 线路连接过程中遇到电路逻辑完全正确，但点路线却显示蓝色 解决方法：在电路正确的前提下，重启logism，重启后就不会出现蓝色。若仍出现蓝色的线，则需要重新检查电路。 Pin使其值改变。值为1的线浅绿，0为深绿。如果多位线路传输，则为黑色。出现绿色黑色都是正常的。 但是出现红色代表：布线错误，产生冲突 3、解复用器有一个输入、选择（定义哪个输出端输出输入数据）、输出，而译码器只有选择（选择哪个输出为1）和输出。 |
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