實驗名稱: TEC-2實驗計算機運算器實驗

實驗地點：10-413

一．實驗目的

1.???? 了解和掌握Am2901運算器的組成結構和工作原理；

2.???? 認識和掌握TEC-2機運算器的組成和工作原理；

3.??? 認識和掌握TEC-2機運算器相關控制信號的含義和使用方法；

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二．實驗原理

Am2901運算器

1．Am2901 芯片內部組成結構

AM2901 芯片是一個4位的位片結構的運算器部件，是一個完整的運算器，只是位數較少，具有很好的典型性，是個理想的教學實例。其內部組成結構如下圖所示：

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①。4 位的ALU，實現實種運算功能，其每一位上的2個輸入端數據分別用R和S表示，則這8種功能是R+S，S-R，R-S 3種算術運算和R S， R S， /R S， R S，/（R S）5咱邏輯運算，這8種功能的選擇控制，是用外部送入的3位編碼值I5—I3實現的。ALU還能給出CN+4，F，OVR和F = 0000 4位狀態信息，并能接收最低位的一個進位輸入信號CN。ALU還給出了超前進位信號/G和/P。

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②。16個4位的通用寄存器組，用R0-R15表示，和1個4位的Q寄存器。通用寄存器組為雙端口讀出（用A地址與B地址選取擇每個寄存器）和單端口（用B地址選取擇）控制寫入的運行方式，而且運算后的結果經一個移位器實現寫入（左移，不移，右移）。Q寄存器本身具有左移，右移功能且能接收ALU的運算結果，左右移位時，就有移出，移入信號RAM3，RAM0，Q3，Q0， 4個入號，它們都通過具有雙向傳送功能的三態門實現的。

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③。該芯片能接收外部送入的4位數據D3-D0，并輸出奇制勝們的數據Y3-Y0。Y3-Y0可以是通用寄存器A端口上的輸出或ALU的運算結果F，并還受輸出允許控制信號/OE的控制，僅在/OE為低時，Y3-Y0才有輸出，否則處于高阻態。

④。從圖上可以看到，ALU的兩個輸入端R和S分別可以接收D輸入，A端口或邏輯0數據，和A端口，B端口，Q寄存器或邏輯0數據，Am2901器件只選取用了它們可能的全部12種組合中的8種，即A-Q，A-B，0-Q，0-B，0-A，D-A，D-Q，和D-0這8種，并用外部送來的3位控制碼I2-I0來選擇這是種組合。

⑤。Am2901還采用另外來貨位外部送來的控制信號I8-I6，一是選擇向外部送出的數據的來源（A口數據還是ALU運算結果），二是選擇其內部的通用寄存器組和Q寄存器接收不接收和如何接收數據庫寫入（左移，右移，直送）。

⑥。通用寄存器組通過A端口，B端口讀出內容的輸出處均有鎖存器線路支持，以保證在執行諸如A+B結果送B運算時操作的正確性。

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3．2．3Am2901芯片的控制信號及其控制碼與操作

Am2901芯片的控制信號有9個，即I8-I0，這回個控制信號分成三組，它們是：

這三組控制信號與相應控制碼的關系如下表：

表3.1 Am2901 9個控制信號I8~I0

注：R、S中的“0”為邏輯0。

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3.2.4：TEC-2機運算器

一：TEC-2機運算器主體結構

4片間的連接關系是：

（1）16位的數據 輸入由4片各自的D3-D0組成，其位序號人高位芯片向低位芯片順序排成D15-D0

(2)16位的數據 輸出由4片各自的Y3-Y0組成，其位序號人高位芯片向低位芯片順序排成Y15-Y0.

(3)有高低位進位關系的3組信號，在高低位相鄰芯片間連接關系是：

①：高位芯片的RAM0與低位芯片的RAM3相連

②：高位芯片的Q0與低位芯片的Q3相連

③：在串行進位方式下，高位芯片的Cn與低位芯片的Cn+4相連；若選用AM2902芯片（與74LS182芯片功能相同，兩者可以互換使用）實現并行進位，則低位的3個芯片的并行進位信號/G和/P應送往Am2902的相并沒有管腳，并將各自對應的片間進位輸出信號送入相鄰高位芯片Am2901的Cn管腳。同時支持串，并行丙種方式，有利于教學實驗中方便地觀察與測量每種進位方式的進位延遲時間。

此時，最低位芯片的RAM0與Q0是該16位的運算器的最低位的移入/出信號，最高位芯片的RAM3與Q3是運算器最高位的移入/出信號，均需有另外的邏輯電路與之連接，最低位的Cn是整個運算器的最低位進位輸入信號。最高位的CN+4是16位完整運算器的進位輸出信號。

??? 同理，只有最高們芯片的F3和OVR有意義，低位的3個芯片的F3和OVR不被使用，

??? 4個芯片的F=0000管腳連接在一起，并經一個電阻接到+5V電源，已得到16位的ALU的運算結果為“0”的標志位信號。

（4）：其它的幾組輸入信號，支4片Am2901器件來說應有相同的值，包括/OE（控制選 通Y的輸出），A地址，B地址，I8-80（控制Am2901的運算功能，數據來源，結果的處置）和工作脈沖CP,故應將4個芯片的這些的各對應管腳連接在一起.

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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?微指令中三位微碼（SST）與標志位的關系

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三位微碼與這8種處理的對應關系，已用表格形式給出。

本器件共用了4個輸出端，即引用17.18.19.20分別組出CZVS4個標志位的值，并采用寄存器型邏輯記憶本次操作結果，此時每個輸出引腳的表達式必須用C:=…的形式定義，且引腳的時鐘脈沖信號必須引入。引腳13的/OE信號接地，表示輸出信號是不被禁止的。

本器件共有14個輸入信號，分別人引腳2-11，引腳14，引腳21-23送入，信號名字已給了央Gal20v8的描碠信息中。這些輸入如何決定每一個輸出位的結果，以邏輯表達式形式組出在每一個輸出位的定義中。描述表中每行最右側在分號之后給出的是注釋內容。

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表3.2三位微碼與狀態位的關系表

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二：運算器最低位進位信號的給出與控制（SCi）

運算器最低位的進位信號Cin，可能為0.1.C標志的值 ，為了調試與實驗的方便，有時可送入一個連續的進位方波信號，當認運算器執行16位全1與這個最低閏的進位方波信號相加時，則加法器每一位的輸出結果均為方波，有利于觀察與調試.

表3.3

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三：運算器最高位，最低位的移入信號（SSH）

移入通用寄存器中的移入信號RAM15和RAM0,以及乘商寄存器中的移入信號Q15和Q0.左移時，向RAM0,或RAM0與Q0移入數據，右移時，向RAM15,或RAM15與Q15移入數據，我們把5條移位指令和剩除法計算中的聯合移位都考慮進去，可以歸納出如下4種結果，并用兩位微碼SSH區分它們。

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表3.4

說明：

? 表中“X”為任意值，表示取任意值都不受影響

? 當通用寄存器本身移位時，Q寄存器不受影響

? 乘除法運算要求通用寄存器與Q寄存器聯合移位，沒有Q寄存器單獨移位功能

? 左右移是由指令功能確定的

? SSH為0，用于邏輯移位指令

為1，用于循環移位指令

為2，用于乘除法運算的聯合移位及上商

為3，用于算術右移指令，或補碼乘法計算

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三．實驗內容：

脫機和聯機時運算器實驗

在脫機與聯機兩種方式下，可以用一些數據實現多種運算，以控制其操作過程與功能

檢查所得結果的正確性。

(一) 脫機方式

1.??? 將TEC-2機功能開關FS4置為“1”。

2.??? 將TEC-2機主脈沖置為單步方式，即將STEP/CONT開關撥向STEP一邊。

3.??? 用D0+0→R0將立即數D0（A000H）置入寄存器R0（0000）。具體的微型開關和數據開關按下表進行設置：

波特率開關?? 數據開關

SW2（共12位，最末三位未用）???? SW1（共12位）

MI876??? MI543??? MI210??? 未用?????? A口 B口（R0）?? SCi? SSH D15-D0

011? 000? 111? 000? 0000?????? 0000?????? 00?? 00?? A000H

設置好各控制信號（MI8-MI0），并設置好十六位數據開關為“A000H”，即“1010 0000 0000 0000”后，按壓一次STEP鍵，將立即數D0置入寄存器R0中。

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4.??? 用D1+0→R1將立即數D1（4000H）置入寄存器R1（0001）。具體的微型開關和數據開關按下表進行設置：

波特率開關?? 數據開關

SW2（共12位，最末三位未用）???? SW1（共12位）

MI876??? MI543??? MI210??? 未用?????? A口 B口（R1）?? SCi? SSH D15-D0

011? 000? 111? 000? 0000?????? 0001?????? 00?? 00?? 4000H

用同樣的方法將立即數D1置入寄存器R1中。

5.??? 對寄存器R0、R1初始化后，便可對R0和R1進行各種算術、邏輯運算，此時R0保存的數據為D0（A000H），R1保存的數據為D1（4000H）。

6.??? 將開關S2 S1 S0置于“110”時，指示燈將顯示ALU的運算結果；將開關S2 S1 S0置于“000”時，指示燈將顯示SVZC的狀態，對應TEC-2機上H25 = S，H26 = V，H27 = Z，H28 = C。

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7.??? 對R0和R1進行各種算術、邏輯運算。

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(二) 聯機方式

啟動TEC-2機，進入監控程序狀態：具體操作如下：

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1.??? 將TEC-2機的FS1~FS4置為1010，STEP/CONT置成CONT。

2.??? 打開計算機電源開關，使計算機正常啟動。打開TEC-2電源開關，TEC-2大板左上角一排指示燈亮。

3.??? 運行通訊程序PCEC，在DOS下命令提示（按默認設置：選擇1，N）。聯機后，進入聯機狀態，用A命令輸入下列程序：(ENTER表示)

4.??? 用“G”命令運行程序

在命令行提示符狀態下輸入：

> G800

執行上面輸入的程序

5.??? 用“R”命令觀察運行結果及狀態

在命令行提示符狀態下輸入:

>R

觀察運行結果及狀態

屏幕將顯示：

R0=8001? R1=4000……

6.??? 用“T”或“P”命令單步執行

在命令行提示符狀態下輸入：

>T

或

>P

執行之后，觀察運行結果及狀態。

四.? 實驗器材

1.??? TEC-2機一臺，電腦一臺

2.??? TEC-2模擬軟件一套

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五.? 實驗分析與設計

1.??? 脫機實驗

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2.??? 聯機實驗

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六.? 思考題

在脫機方式下進行運算器實驗時，在按STEP鍵之前和按STEP鍵之后，ALU的輸出結果及狀態SVZC有何不同，為什么？根據Am2901運算器的組成結構及其工作原理加以說明。

答：

(1)設置好相應微碼和AB口地址之后，立即輸出該運算功能的運算結果，此時ALU也已經得到SVZC的值，但并沒有傳給標志寄存器。按STEP之后，ALU的輸出結果則為運算器再做一次運算的結果，這時SVZC所顯示的值則為上一步標志位寄存器的值。

(2)根據Am2901運算器的組成結構可以知道，ALU是一個組合邏輯電路，設置A、B相應的值之后，相應的數據便會立即被傳送到ALU中進行相應的運算，并且顯示出對應的運算結果也會被存在存儲器里面。按下STEP之后，在脈沖的作用下，. 上一步的運算結果也會被存在寄存器里面，但控制碼和地址沒有改變,所以上一步的運算結果會重新被送到ALU中進行運算，此時ALU的結果為一步運算結果再進行一次運算的數據。

SVZC存儲在狀態標志寄存器中，其值的改變需要有脈沖信號的作用才能改變，所以在按STEP之前，SVZC的值不變，按下STEP之后，SVZC顯示的值才是上一步標志位的狀態值。??????

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七.? 實驗心得

1.??? 了解和掌握Am2901運算器的組成結構和工作原理；

2.??? 認識和掌握TEC-2機運算器的組成和工作原理；

3.??? 認識和掌握TEC-2機運算器相關控制信號的含義和使用方法；

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