计算机逻辑运算和逻辑部件-精品文档

计算机逻辑部件
计算机逻辑部件是计算机中用于处理和执行逻辑运算的基本组件。

这些部件是构成计算机中央处理器（CPU）的重要组成部分，负责执行各种算术和逻辑操作。

常见的计算机逻辑部件包括：
逻辑门（Logic Gates）：逻辑门是计算机中最基本的逻辑部件，用于执行逻辑运算，如与门、或门、非门等。

所有计算机的逻辑运算都是通过组合不同类型的逻辑门来实现的。

加法器（Adder）：加法器用于执行二进制的加法运算，是计算机中常见的算术逻辑单元（ALU）的一部分。

算术逻辑单元（ALU）：ALU是计算机中用于执行算术和逻辑运算的核心部件。

它可以执行加法、减法、逻辑与、逻辑或等操作。

寄存器（Register）：寄存器是用于暂时存储数据的高速存储单元。

计算机的数据处理通常涉及将数据暂时存储在寄存器中，然后进行操作和传输。

随机存取存储器（RAM）：RAM是用于临时存储数据和程序的主要内存。

它允许CPU快速读取和写入数据。

可编程逻辑器件（例如FPGA）：这些器件允许用户根据需要配置和重新配置逻辑功能，从而实现特定的计算任务。

这些逻辑部件的组合和协调，使计算机能够进行复杂的计算和数据处理，从而实现各种应用和功能。

在现代计算机中，这些部件已经高度集成，并且存在于微处理器芯片中，使得计算机能够执行高效和多样化的任务。

1.1 基本运算器实验1.1.1 实验目的(1) 了解运算器的组成结构。

(2) 掌握运算器的工作原理。

1.1.2 实验设备PC机一台，TD-CMA实验系统一套。

1.1.3 实验原理本实验的原理如图1-1-1所示。

运算器内部含有三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，要处理的数据存于暂存器A和暂存器B，三个部件同时接受来自A和B的数据（有些处理器体系结构把移位运算器放于算术和逻辑运算部件之前，如ARM），各部件对操作数进行何种运算由控制信号S3…S0和CN来决定，任何时候，多路选择开关只选择三部件中一个部件的结果作为ALU的输出。

如果是影响进位的运算，还将置进位标志FC，在运算结果输出前，置ALU 零标志。

ALU中所有模块集成在一片CPLD中。

逻辑运算部件由逻辑门构成，较为简单，而后面又有专门的算术运算部件设计实验，在此对这两个部件不再赘述。

移位运算采用的是桶形移位器，一般采用交叉开关矩阵来实现，交叉开关的原理如图1-1-2所示。

图中显示的是一个4X4的矩阵（系统中是一个8X8的矩阵）。

每一个输入都通过开关与一个输出相连，把沿对角线的开关导通，就可实现移位功能，即：(1) 对于逻辑左移或逻辑右移功能，将一条对角线的开关导通，这将所有的输入位与所使用的输出分别相连,而没有同任何输入相连的则输出连接0。

(2) 对于循环右移功能，右移对角线同互补的左移对角线一起激活。

例如，在4位矩阵中使用‘右1’和‘左3’对角线来实现右循环1位。

(3) 对于未连接的输出位，移位时使用符号扩展或是0填充，具体由相应的指令控制。

使用另外的逻辑进行移位总量译码和符号判别。

运算器部件由一片CPLD实现。

ALU的输入和输出通过三态门74LS245连到CPU内总线上，另外还有指示灯标明进位标志FC和零标志FZ。

请注意：实验箱上凡丝印标注有马蹄形标记‘’，表示这两根排针之间是连通的。

图中除T4和CLR，其余信号均来自于ALU单元的排线座，实验箱中所有单元的T1、T2、T3、T4都连接至控制总线单元的T1、T2、T3、T4，CLR都连接至CON单元的CLR按钮。

实验二算术逻辑运算实验一、实验目的（1）了解运算器芯片（74LS181）的逻辑功能。

（2）掌握运算器数据的载入、读取方法，掌握运算器工作模式的设置。

（3）观察在不同工作模式下数据运算的规则。

二、实验原理1.运算器芯片（74LS181）的逻辑功能74LS181是一种数据宽度为4个二进制位的多功能运算器芯片，封装在壳中，封装形式如图2-3所示。

5V A1 B1 A2 B2 A3 B3 Cn4 F3BO A0 S3 S2 S1 S0 Cn M F0 F1 F2 GND图2-374LS181封装图主要引脚有：（1）A0—A3：第一组操作数据输入端。

（2）B0—B3：第二组操作数据输入端。

（3）F0—F3：操作结果数据输入端。

（4）F0—F3：操作功能控制端。

（5）：低端进位接收端。

（6）：高端进位输出端。

（7）M：算数/逻辑功能控制端。

芯片的逻辑功能见表2-1.从表中可以看到当控制端S0—S3为1001、M为0、为1时，操作结果数据输出端F0—F3上的数据等于第一组操作数据输入端A0—A3上的数据加第二组操作数据输入端B0—B3上的数据。

当S0—S3、M 、上控制信号电平不同时，74LS181芯片完成不同功能的逻辑运算操作或算数运算操作。

在加法运算操作时，、进位信号低电平有效；减法运算操作时，、借位信号高电平有效；而逻辑运算操作时，、进位信号无意义。

2.运算器实验逻辑电路试验台运算器实验逻辑电路中，两片74LS181芯片构成一个长度为8位的运算器，两片74LS181分别作为第一操作数据寄存器和第二操作数据寄存器，一片74LS254作为操作结果数据输出缓冲器，逻辑结构如图2-4所示。

途中算术运算操作时的进位Cy判别进位指示电路；判零Zi和零标志电路指示电路，将在实验三中使用。

第一操作数据由B-DA1(BUS TO DATA1)负脉冲控制信号送入名为DA1的第一操作数据寄存器，第二操作数据由B-DA2(BUS TO DATA2)负脉冲控制信号送入名为DA2的第二操作数据寄存器。

第5章计算机组成原理课程设计在上一章中，我们详细地介绍了计算组成原理课程设计平台系统，知道了在模式开关的控制下有两种不同的工作平台。

《计算机组成原理》的所有课程设计都将在这两种工作模式下完满的得到实施。

一个完整的课程设计可以用多种形式来描述。

例如，一个简单的设计可能用硬件描述语言来描述就够了。

但一个复杂的设计可能要分成若干个功能模块来描述，而其中的每一个功能模块可能用硬件描述语言来描述，也可能用原理图来描述，这样的描述方式就是混合输入的设计方法。

结合《计算机组成原理》课程设计的特点和学生的实际情况，原理图输入方式最适合课程设计的实施。

以此为基点，《计算机组成原理》课程设计的步骤如图5-1所示。

课程设计共分三个阶段：1、设计初始阶段在该阶段中，学生根据所学内容，按照《计算机组成原理》课程设计的要求，在课程设计报告书中完成方案设计并画出逻辑线路图。

2、编程设计阶段在该阶段中，学生将以PC机为平台，在WINDOWS环境下，利用编程软件系统在PC机上生成所画出的逻辑线路，这就是所谓的原理图输入方式。

在逻辑线路的生成过程中，可调用元件库提供的元件（例算术逻辑部件、多路开关、寄存器、译码器、逻辑门等），也可以自定义元件。

这与常规《计算机组成原理》课程设计相比较，充分地体现了设计的灵活性，满足了学生的灵活设计思路，是对设计能力的最好体现。

当原理图输入完毕后，编程软件系统可对原理图文件进行编译、优化、适配，将错误消灭在设计阶段。

最后生成对isp LSI的编程文件。

3、isp LSI编程和测试阶段当一个设计完成且产生编程文件后，就可以对isp LSI进行编程。

对isp LSI的编程是由编程软件系统中的下载软件驱动的。

对ispLSI编程与测试阶段图5-1 课程设计步骤下载结束后，逻辑线路就固化在isp LSI1032E中，在模式开关的控制下选用不同的平台，利用提供的开关、指示灯、存储器等硬件资源对逻辑线路进行功能测试，若有错误，则通过审查、修改原理图文件、重新下载、重新测试直至成功为止。

逻辑结构逻辑结构是计算机科学中一个非常重要的概念。

在计算机程序设计和系统分析中，逻辑结构用于描述数据元素之间的关系和组织方式。

它是指数据元素之间的逻辑关系，而不是它们在内存中的物理存储方式。

逻辑结构可以分为四种基本类型：线性结构、树形结构、图形结构和集合结构。

首先，让我们来了解线性结构。

线性结构是一种简单的结构，其中数据元素之间是一对一的关系。

其特点是每个数据元素仅有一个直接前驱和一个直接后继。

常见的线性结构有数组、链表和队列等。

其中，数组是最简单的线性结构，它是一种连续存储的数据结构，可以直接通过下标访问元素。

链表则是一种通过指针相互连接的数据结构，它可以动态增删元素，但访问元素的效率较低。

队列是一种先进先出（FIFO）的数据结构，它可以在一端插入元素，在另一端删除元素。

接下来，我们将讨论树形结构。

树形结构是一种层次结构，其中每个数据元素可有多个直接前驱和多个直接后继。

树形结构由节点和边组成，每个节点代表一个数据元素，而边则表示元素之间的关系。

树形结构常用于表达分层次的数据关系，如文件系统、组织机构图等。

有些特殊的树形结构，如二叉树、AVL树和红黑树等，具有特定的性质和应用场景。

例如，二叉树是一种每个节点最多只有两个子节点的树形结构，它被广泛用于搜索和排序算法中。

然后，让我们来了解图形结构。

图形结构是一种数据元素之间多对多的关系。

它是由顶点和边组成的集合，其中顶点代表数据元素，边则表示元素之间的关系。

图形结构常用于描述网络、社交关系等复杂的数据关系。

有向图和无向图是两种常见的图形结构，它们分别表示顶点之间具有方向性和非方向性。

最后，我们将讨论集合结构。

集合结构是一种没有顺序关系的数据集合，其中每个元素都是唯一的。

集合结构的特点是元素之间不存在顺序关系和层次关系。

集合结构常用于数学和逻辑推理中，以及一些不重复元素的处理场景。

逻辑结构在计算机科学中发挥着重要的作用。

它不仅为我们理解数据的组织和关系提供了框架，还为我们设计高效的算法和数据结构提供了基础。