计算机组成原理学习-实验一 运算器实验（详细、系统）
如果你对计算机组成原理感兴趣，可以考虑阅读我的专栏
实验要求
基本要求
-
熟悉proteus仿真系统
-
设计并验证4位算数逻辑单元的功能
扩展要求
-
实现ALU输入输出锁存
-
实现8位算数逻辑运算单元
思考内容
思考单总线，双总线和三总线结构在设计上的异同
实验步骤
一、理论分析
计算机的运算器是一种类似于计算器的一个原件，他可以实现数逻运算和位运算，由于本实验要求设计ALU并实现其部分功能。经过选择，我们选取74LS181来实现ALU的功能部分。
74LS181的功能真值表如下：
本实验扩展要求为了实现8位数逻运算，所以会需要两个74LS181芯片。
本实验采用74LS373作为锁存器，来锁存数据，用LED-GREEN作为输出显示。
本实现的功能为：4位数逻运算：A异或B（扩展功能：A-B-1）
8位数逻运算：A异或B（扩展功能：A-B-1）
二、实验方法
按照基本要求，四位二进制算术逻辑运算单元电路：
本电路采用一个74LS181作为ALU核心，名为U2的74LS373作为4位操作数A和4位操作数B的锁存器，名为U5的74LS373作为74LS181的功能输入也就是S4~S0以及M的输入，输出结果用名为U6的74LS181锁存器中，最后74LS181锁存器连接4个LED-GREEN作为输出。
四位二进制的第一个功能：A异或B
四位二进制的第二个功能：A-B-1
扩展：八位二进制算术逻辑运算单元电路：
使用名为U7的74LS373锁存器记录八位操作数A和名为U8的74LS373锁存器记录八位操作数B，由于74LS181只能进行4位的运算，所以我们可以用两个74LS373分别来实现A操作数的第四位和B操作数的低四位运算以及A操作数的高四位和B操作数的高四位运算，分别用U1和U2存储A、B高四位数据和A、B低四位数据，其中名为U4的74LS181作低位运算的进位信号输入到名为U3的74LS181运算器中，两个运算器的S0~S4和M分别由两个锁存器输入，最后的运算结果保存在一个74LS373锁存器，后面接8个LED-GREEN作为输出。
八位二进制的第一个功能：A异或B
八位二进制的第二个功能：A-B-1
三、实验结果分析
我实现的功能为0110，M=1的A异或B所以用数据A：1111和数据B：1010进行实验，计算结果F3~F0=1010，实验结果和计算符合。
扩展功能：A-B-1，操作数A为1111，操作数B为0101，计算结果F3~F0=1001，实验结果与计算符合。
| 功能 | 模式选择M | 功能选择S3~S0 | 进位CN | 四位输入A | 四位输入B | 四位输出 | 进位输出 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 算术A-B-1 | 0 | 0110 | 1 | 1111 | 1010 | 1010 | 0 |
| 逻辑异或 | 1 | 0110 | X | 1111 | 0101 | 1001 | X |
扩展为8位二进制后，功能A异或B，操作数A：01101110 操作数B：10111001，经过计算F7~F0=11010111，实验结果和计算符合。
扩展功能：A-B-1，操作数A：11101111操作数B：10011001，经过计算F7~F0=01010101，与实验结果符合。
| 功能 | 模式选择M | 功能选择S3~S0 | 进位CN | 八位输入A | 八位输入B | 八位输出 | 进位输出 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 算术A-B-1 | 0 | 0110 | 1 | 01101110 | 10111001 | 11010111 | 0 |
| 逻辑异或 | 1 | 0110 | X | 11101111 | 10011001 | 01010101 | X |
四、思考问题
-
单总线结构：只有一条系统总线，所有的部件通过系统总线接入。疙瘩不见都链接在单一的一组总线上，故将这个单总线称为系统总线。
-
双总线结构：在单总线的基础上增加了一条专门用于CPU和主存之间的数据传送通路。这种结构保持了单总线系统简单、易于扩充的优点，但又在CPU和主存之间专门设置了一组高速的存储总线，使CPU可通过专用总线与存储器交换信息，减轻系统的的负担。
-
三总线结构：双总线的基础上增加I/O总线形成的。其中，系统总线是CPU、主存和通道（IOP）之间进行数据传送的公共通道，而I/O总线是多个外部设备与通道之间进行数据传送的公共通道。
五、问题和解决办法
问题1：接入总线之后，在输入端进行输入的时候，输出端不响应，显示为高阻态。（虽然我没有用总线吧，我采取的是用锁存器输入功能的方法，此处可以改为总线控制）
解决办法：在输入端要加上标号，对应的输出端也要加上标号，这样才能保证输入与输出对应。
加标号的方法：
1.右击一条输入总线的线
2.添加标号
3.输入端的线就有了标号
4.接着给输出端也加上标号
5.此时运行，发现输出不是高阻态了，证明成功了
六、结论
完成了本次实验要求的ALU运算功能电路设计与功能验证实验内容。我学会了熟练使用proteus软件设计电路的同时，增加了对运算器运算过程的了解，了解了74LS181和74LS373芯片的功能以及用法。了解了总线的使用方法，以及对单总线和双总线以及三总线的设计结构上的异同。
后话
- 首先给大家说一下，博主经常在线，如果有什么问题或者想法，可以在下方评论，我会积极反馈的。
- 其次还是要请大家能够多多指出问题，我也会在评论区等候大家！
.