通用寄存器ALU

寄存器的工作原理寄存器是计算机中一种重要的存储设备，用于暂时存储和传输数据。

它通常由一组存储单元组成，每一个存储单元能够存储一个固定大小的数据。

寄存器在计算机的各个部件之间起到了桥梁的作用，可以高效地传递数据。

寄存器的工作原理可以分为存储和传输两个阶段。

1. 存储阶段：在存储阶段，寄存器接收来自处理器或者其他部件的数据，并将其存储在自身的存储单元中。

每一个存储单元由若干个二进制位组成，可以存储不同长度的数据，如8位、16位、32位或者64位。

存储单元之间通过地址进行区分，每一个存储单元都有一个惟一的地址。

2. 传输阶段：在传输阶段，寄存器将存储的数据传递给其他部件，如算术逻辑单元(ALU)、控制单元或者主存储器。

传输可以是单向的，也可以是双向的。

在单向传输中，数据只能从寄存器传输到其他部件；在双向传输中，数据可以在寄存器和其他部件之间进行双向传输。

寄存器的传输可以通过多种方式实现，常见的有并行传输和串行传输。

1. 并行传输：并行传输是指将整个寄存器的数据同时传输给其他部件。

这种传输方式速度快，但需要更多的传输路线和硬件资源。

并行传输适合于数据量较大的情况，如图象处理和高性能计算。

2. 串行传输：串行传输是指将寄存器的数据逐位地传输给其他部件。

这种传输方式速度较慢，但可以节省传输路线和硬件资源。

串行传输适合于数据量较小的情况，如通信和控制系统。

寄存器还可以根据其功能进行分类，常见的寄存器包括通用寄存器、程序计数器、指令寄存器、状态寄存器等。

1. 通用寄存器：通用寄存器用于存储暂时数据，供处理器进行运算和操作。

它们可以存储不同类型的数据，如整数、浮点数、字符等。

通用寄存器的数量和大小根据计算机的体系结构和指令集架构而定。

2. 程序计数器：程序计数器用于存储下一条要执行的指令的地址。

它在程序执行过程中不断更新，指示处理器应该执行的下一条指令。

程序计数器在分支和跳转指令中起到了关键作用，确保程序按照预期的顺序执行。

什么是微处理器,由几部分组成
微处理器是微型计算机的核心部分，又称为中央处理器(简称CPU)。

微处理器主要由控制器和运算器两部分组成（还有一些支撑电路），用以完成指令的解释与执行。

微处理器由算术逻辑单元（ALU，Arithmetic Logical Unit）、累加器和通用寄存器组、程序计数器（也叫指令指标器）、时序和控制逻辑部件、数据与地址锁存器/缓冲器、内部总线组成。

其中运算器和控制器是其主要组成部分。

逻辑部件：
英文Logic components；运算逻辑部件。

可以执行定点或浮点算术运算操作、移位操作以及逻辑操作，也可执行地址运算和转换。

寄存器部件：
寄存器部件，包括寄存器、专用寄存器和控制寄存器。

通用寄存器又可分定点数和浮点数两类，用来保存指令执行过程中临时存放的寄存器操作数和中间（或最终）的操作结果。

通用寄存器是中央处理器的重要部件之一。

控制部件：
英文Control unit；控制部件，主要是负责对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。

其结构有两种：一种是以微存储为核心的微程序控制方式；一种是以逻辑硬布线结构为主的控制方式。

微存储中保持微码，每一个微码对应于一个最基本的微操作，又称微指令；各条指令是由不同序列的微码组成，这种微码序列构成微程序。

中央处理器在对指令译码以后，即发出一定时序的控制信号，按给定序列的顺序以微周期为节拍执行由这些微码确定的若干个微操作，即可完成某条指令的执行。

简单指令是由（3～5）个微操作组成，复杂指令则要由几十个微操作甚至几百个微操作组成。

ALU和运算器数据通路引言自从世界上第一台数字电子计算机ENIAC的研发成功，电子计算机的发展已经有了70多年的历史。

作为一种具有快速运算、逻辑判断、存储功能的电子设备，计算机已经广泛地运用于人们的生活中。

现代计算机主要都是采用“冯·诺依曼结构”进行设计，将计算机硬件系统分为输入设备、运算器、存储器、控制器、输出设备五大部件。

五大部件关系如图1所示。

其中，运算器是计算机硬件中的重要组成部分，实现计算机的算术运算、逻辑运算和移位操作功能。

ALU组成基本原理为了简化计算机的内部结构以及提高计算的方便性，在计算机的内部对于数字的处理基本都是使用二进制补码表示方式。

由于任何数学运算最终都可以转化为加法和移位两种最基本的运算，任何逻辑运算都可以用与、或、非实现，所以运算器的基本算术运算是整数加法运算，基本逻辑运算是与、或、非运算。

而运算器的核心是算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU），可以实现算术运算功能和逻辑运算功能。

一位ALU的操作数是一位二进制数，根据计算机硬件自顶而下的设计思路，由于n位ALU是有多个一位ALU集成在一起的，设计ALU的本质就是在设计一位ALU单元并最终级联，所以对于ALU的讨论基于一位ALU。

在某些处理器中，ALU被分为两个部分：算术单元（AU）与逻辑单元（LU），如图2所示。

这样一个完整的ALU模块便被分为了若干个简单的小模块。

其中算术单元用于实现算术运算功能，具体是使用一个简单加法器以及与或门等相关辅助电路，实现多功能加减法电路，完成数据的加、减、传送、加1和减1。

逻辑单元（LU）用于实现逻辑运算功能，在不同ALU中逻辑运算功能不完全相同，但基本能实现与、或、非这三种基本逻辑运算并在此基础上进行添加更多的逻辑运算功能，并利用多路选择器MUX进行功能上的选择。

在ALU的顶层模块中需对所进行的是算术运算还是逻辑运算进行选择控制，所以使用二路选择器决定输出为算术运算的结果还是逻辑运算的结果。

计算机的各个部件执行程序的指令序列。
控 组合逻辑控制器（又称硬布线逻辑控制器） 制 器 微程序控制器
关系：运算器的操作和操作种类由控制器决定
微处理器 微处理器将运算器与控制器集成在一个芯片上，
通常称为中央处理单元（CPU—Central Processing Unit）。
• 控制器的功能和基本组成 • 控制器的功能
运算器的组成 以一个模型机的运算器为例，说明运算器的组成。 该运算器由如下几部分构成：
1．算术/逻辑运算单元ALU 由4片SN74181和SN74182构成。 SN74181是4位并行加法器，SN74182是并行进 位部件。 可构成16位的ALU。
2．锁存器 锁存器A、B用来暂存来自通用寄存器、存储
5．状态寄存器PSW
状态寄存器用来存放在运算过程中得到的状态 标志（如零标志、进位标志、符号标志等），以便 供程序判断使用。
总线
总线接收器 总线发送器 总线发送器
模
型
状态寄存器
机
运
移位器
算
器
组
ALU
成
框 图
锁存器A 锁存器B
源寄存器 暂存寄存器 通用寄存器
控制器 是整个计算机系统的指挥中心，协调并控制
Байду номын сангаас
CLK
时序控制信号 形成部件
… 指令译码器 ID
IR 操作码 地址码
指令
程序计数器 +1
指令 地址
运算器
操作数 DR 地址
数据寄存器 地址寄存器 AR
数据
数据总线DB
地址总线AB
控制总线CB
存储器
I/O口
计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。运算器处理 的数据来自存储器；处理后的结果数据通常送回存储器，或暂时寄存在运 算器中。运算器的功能与分类 运算器的基本功能是完成对各种数据的加工 处理，比较数值，变更符号，计算主存地址等。运算器中的寄存器用于临 时保存参加运算的数据和运算的中间结果等。运算器中还要设置相应的部 件，用来记录一次运算结果的特征情况，如是否溢出，结果的符号位，结 果是否为零等。

主题：二进制计算机的主要逻辑元件一、概述二进制计算机是当今世界上最广泛使用的计算机系统。

它们采用二进制系统来表示和处理数据和指令。

在二进制计算机中，存在着一些主要的逻辑元件，它们在计算机的运行中起着至关重要的作用。

二、主要逻辑元件1. 逻辑门逻辑门是构成计算机的基本逻辑元件。

它们能够执行基本的逻辑运算，如与、或、非等。

常见的逻辑门有与门、或门、非门等。

在计算机中，逻辑门被组合成各种复杂的逻辑电路，用来实现各种功能。

2. 寄存器寄存器是一种用来存储数据的元件。

在计算机中，寄存器通常用来存储临时数据、位置区域或指令。

寄存器的大小通常是以位（bit）来表示的，如8位寄存器、16位寄存器等。

3. 存储器存储器是计算机中用来存储数据和指令的元件。

存储器分为内存和外存，内存通常指的是随机存取存储器（RAM），它用来存储正在运行的程序和数据；外存通常指的是磁盘或固态硬盘，它用来存储长期的数据和程序。

4. ALU（算术逻辑单元）ALU是计算机中用来执行算术和逻辑运算的部件。

它能够执行加、减、乘、除等算术运算，也能够执行与、或、非等逻辑运算。

5. 控制单元控制单元是计算机中用来控制指令执行顺序的部件。

它能够从存储器中取出指令，解码指令，并且控制各个部件的工作。

6. 时钟时钟是计算机中用来同步各个部件工作的部件。

它能够在一个固定的时间间隔内发出脉冲信号，使得各个部件按照统一的节拍工作。

7. 数据总线数据总线是计算机中用来传输数据的通道。

它能够同时传输多位数据，如8位、16位、32位等。

8. 位置区域总线位置区域总线是计算机中用来传输位置区域信息的通道。

它能够指示存储器中的特定位置。

9. 控制总线控制总线是计算机中用来传输控制信号的通道。

它能够传输各种控制信号，如读写信号、中断信号等。

三、总结二进制计算机中的主要逻辑元件包括逻辑门、寄存器、存储器、ALU、控制单元、时钟、数据总线、位置区域总线和控制总线。

它们共同构成了计算机的基本操作和功能。

寄存器的工作原理寄存器是计算机中一种重要的数据存储器件，用于暂时存储和处理数据。

它是由一组触发器构成的，每个触发器可以存储一个二进制位。

寄存器在计算机的运算和控制过程中发挥着重要的作用。

一、寄存器的分类寄存器可以根据其功能和用途进行分类。

常见的寄存器包括通用寄存器、专用寄存器和状态寄存器。

1. 通用寄存器：用于存储操作数和中间结果，供算术逻辑单元（ALU）进行运算。

通用寄存器的个数和位数根据计算机的设计而定，常见的有8位、16位、32位和64位寄存器。

2. 专用寄存器：用于特定的功能或任务，如程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、地址寄存器（AR）等。

这些寄存器在计算机的控制过程中起到关键的作用。

3. 状态寄存器：用于存储特定的状态信息，如零标志位（ZF）、进位标志位（CF）等。

这些标志位用于判断运算结果的特性，以便进行后续的操作。

二、寄存器的工作原理寄存器的工作原理可以分为存储和读取两个过程。

1. 存储过程：a. 输入数据：当需要将数据存储到寄存器中时，首先将数据输入到寄存器的输入端。

b. 写入触发：通过控制信号，触发寄存器的写入操作，将输入的数据写入到触发器中。

c. 存储数据：写入触发后，数据被存储在寄存器中，并保持稳定，直到下一次写入操作。

2. 读取过程：a. 选择寄存器：根据需要读取的数据，选择相应的寄存器。

b. 读取触发：通过控制信号，触发寄存器的读取操作。

c. 输出数据：读取触发后，寄存器中的数据被输出到输出端，供其他部件使用。

三、寄存器的应用寄存器在计算机系统中有广泛的应用，主要体现在以下几个方面：1. 数据存储：寄存器用于存储数据，包括操作数、中间结果和地址等。

通过寄存器的高速读写能力，提高了计算机的数据处理效率。

2. 控制信号：寄存器中的状态信息被用于控制计算机的运行。

例如，程序计数器（PC）存储下一条指令的地址，指令寄存器（IR）存储当前执行的指令，通过这些寄存器的状态变化，控制计算机的指令执行流程。

通用寄存器组学号：201207030 姓名：叶利钦专业：计算121一、实验目的（1）了解通用寄存器组的用途及对CPU的重要性。

（2）掌握通用寄存器组的设计方法。

二、实验原理通用寄存器组是CPU的重要组成部分。

从存储器取来的数据要放在通用寄存器中；从外部设备取来的数据除DMA方式外，要放在通用寄存器中。

向存储器输出的数据也是从通用寄存器中取出；向外部设备输出的数据除DMA方式外也是从通用寄存器中取出来的。

由于从通用寄存器组中取数据比从存储器或者外部设备取数据快得多，因此参加算术运算和逻辑运算的数据一般是从通用寄存器组中取出，它向算术逻辑单元ALU提供了进行算术运算和逻辑运算所需要的两个操作数，同时又是运算结果的暂存地。

通用寄存器组内寄存器的数目与CPU性能有关，CPU性能预告，通用寄存器组内的寄存器数目越多。

由于算术逻辑运算需要两个操作数，因此通用寄存器组有两个读端口，负责提供进行算术逻辑单元需要的源操作数和目的操作数。

通用寄存器组有1个写端口，负责将运算结果保存到指定的寄存器内。

根据通用寄存器组的功能要求，一个只有4个16位寄存器的通用寄存器组的框图如下图所示。

在上图所示的电路中，当reset为低电平时，将4个16位寄存器R0~R3复位为0。

当寄存器的write和sel为高电平时，在时钟信号clk的上升沿将D端的输入D[15..0]写入寄存器，然后送到寄存器的输出Q[15..0]。

4个寄存器的允许写信号write和外部产生的目的寄存器写信号DRWr直接相连。

每个寄存器还有另一个选择信号sel，它决定哪一个寄存器进行写操作。

4个寄存器的选择信号分别和2-4译码器产生的sel00、sel01、sel10和sel11相连。

只有当1个寄存器被选中时，才允许对该寄存器进行写操作。

2-4译码器的输入sel[1..0]接DR[1..0]，2-4译码器对2位的输入信号sel[1..0]进行2-4译码，产生4个输出sel00、sel01、sel10和sel11，分别送往4个寄存器R0、R1、R2、R3的选择端4选1多路选择器1从4个寄存器R0、R1、R2、R3的输出Q[15..0]选择1路送到DR_data[1..0]，给算术逻辑单元提供目的操作数；选择信号sel[1..0]接DR[1..0]。

运算器左右移位是运算器的基本操作。在有符号的数中，符号不动而只移数据位，称为算术移位。若数据连 同符号的所有位一齐移动，称为逻辑移位。若将数据的最高位与最低位链接进行逻辑移位，称为循环移位。
运算器的逻辑操作可将两个数据按位进行与、或、异或，以及将一个数据的各位求非。有的运算器还能进行 二值代码的16种逻辑操作。
运算器是计算机中处理数据的功能部件。对数据处理主要包括数据的算术运算和逻辑数据的逻辑操作。因此, 实现对数据的算术与逻辑运算是运算器的核心功能。
基本理论
数据 操作
运算方法 结构
运算器运算器的处理对象是数据，所以数据长度和计算机数据表示方法，对运算器的性能影响极大。70年代 微处理器常以1个、4个、8个、16个二进制位作为处理数据的基本单位。大多数通用计算机则以16、32、64位作 为运算器处理数据的长度。能对一个数据的所有位同时进行处理的运算器称为并行运算器。如果一次只处理一位， 则称为串行运算器。有的运算器一次可处理几位 （通常为6或8位），一个完整的数据分成若干段进行计算，称 为串/并行运算器。运算器往往只处理一种长度的数据。有的也能处理几种不同长度的数据，如半字长运算、双倍 字长运算、四倍字长运算等。有的数据长度可以在运算过程中指定，称为变字长运算。
Babbage的蒸汽动力计算机虽然最终没有完成，以今天的标准看也是非常原始的，然而，它勾画出现代通用 计算机的基本功能部分，在概念上是一个突破。
在接下来的若干年中，许多工程师在另一些方面取得了重要的进步，美国人Herman Hollerith（18601929），根据提花织布机的原理发明了穿孔片计算机，并带入商业领域建立公司。
实现运算器的操作，特别是四则运算，必须选择合理的运算方法。它直接影响运算器的性能，也关系到运算 器的结构和成本。另外，在进行数值计算时，结果的有效数位可能较长，必须截取一定的有效数位，由此而产生 最低有效数位的舍入问题。选用的舍入规则也影响到计算结果的精确度。在选择计算机的数的表示方式时，应当 全面考虑以下几个因素：要表示的数的类型（小数、整数、实数和复数）：决定表示方式，可能遇到的数值范围： 确定存储、处理能力。数值精确度：处理能力相关；数据存储和处理所需要的硬件代价：造价高低。

通用寄存器寄存器写入数据八功能的alu3种算术运算和5种逻辑运算4位运算结果最高进位最高位的取值可作符号位运算结果溢出信号运算结果为零信号执行直送左移一位或右移一位的操作控制数据发送的去向以及是否进行移位操作gp超前进位信号实现乘除运算时用作乘商存储器am2901选择数据来源编码i1i2i0数据来源rslllaqllhablhl0qlhh0bhll0ahlhdahhldqhhhd0am2901运算功能编码i4i5i3运算功能lllrsllhsrlhlrslhhrshllrshlhrshhlrshhhrsam2901选择结果处理编码结果处理i8i7i6通用寄存器组q寄存器y输出lllfqfllhflhlfbalhhfbfhllf2bq2qfhlhf2bfhhl2fb2qqfhhh2fbf运算示例
例：用SN74181和SN74182设计如下的32位ALU．

两重进位方式 三重进位方式 行波进位方式
32位两重并行进位ALU框图：
第二大组 （16位）
第一大组 （16位）
32位两重并行进位ALU工作过程：
1. Ai、Bi（i=1,32)、C0到达各输入端； 2. 第一大组的各74181计算出 G1*,P1*,G2*,P2*,G3*,P3*, G4*, P4*；第一大 组的74181#1计算出F1,F2,F3,F4；第二大组的 各74181计算出G5*,P5*,G6*,P6*,G7*,P7*, G8*,P8*。 3. 第一大组的74182计算出C4,C8,C12和G1^， P1^;第二大组的74182计算出G2^，P2^;
16位两级并行进位ALU框图：
16位两级并行进位ALU工作过程：
1. 2.
3. 4.
Ai、Bi（i=1~16)、C0到达各输入端； 各74181计算出G1*,P1*,G2*,P2*,G3*,P3*,G4*,P4*； 74181#1计算出F1,F2,F3,F4。 74182计算出C4,C8,C12和G1^，P1^; 74181#2,74181#3,74181#4计算出Fi(i=5~16)。 74181#4计算出C16

PIC单片机16F84的内部硬件资源（一） 我们已经知道要单片机工作，就需用汇编语言编制程序。而对某个PIC单片机编程时，还需对选用的 PIC单片机内部硬件资源有所了解。这里介绍PIC16F84单片机的内部结构，如图1所示的框图。由图1 看出，其基本组成可分为四个主要部分，即运算器ALU和工作寄存器W；程序存储器；数据存储器和 输入/输出(I/O)口；堆栈存储器和定时器等。现分别介绍如下。 1运算器ALU及工作寄存器W 运算器ALU是一个通用算术、逻辑运算单元，用它可以对工作寄存器W和任何通用寄存器中的两个数 进行算术(如加、减、乘、除等)和逻辑运算(如与、或、异或等)。16F84是八位单片机，ALU的字长 是八位。在有两个操作数的指令中，典型的情况是一个操作数在工作寄存器W中，而另一个操作数是 在通用寄存器中，或者是一个立即数。在只有一个操作数的情况下，该数要么是在工作寄存器W中， 要么是在通用寄存器中。W寄存器是一个专用于ALU操作的寄存器，它是不可寻址的。 根据所执行的指令，ALU还可能会影响框图中状态寄存器STATUS的进位标志C、全零标志Z等。 2程序存储器 单片机内存放程序指令的存储器称为程序存储器。PIC16F84的所有指令字长为14位。所以程序存储 器的各存储单元是14位宽。一个存储单元存放一条指令。16F84的程序存贮器有1024(28)个存储单元 (存储容量为1k)。这些程序存储器都是由FPEROM构成的。 程序存储器是由程序计数器PC寻址的。16F84的程序计数器为13位宽，可寻址8K(8×1024)的程序存 储器空间，但16F84实际上只使用了1k的空间(单元地址为0～3FFH)。当访问超过这些地址空间的存 储单元时，将导致循环回到有效的存储空间。 对于用过其它单片机的用户，可能会感到16F84的片内存储器容量太少了。实际上并非如此，因为16 F84的指令系统都是由单字指令构成的，相应于其它由二字节、三字节甚至四字节指令的单片机而言 ，PIC单片机的程序存储器有效容量要比标称值扩大25倍到3倍。 3 数据存储器

实验1 通用寄存器实验一、实验目的1.熟悉通用寄存器的数据通路。

2.了解通用寄存器的构成和运用。

二、实验要求掌握通用寄存器R3~R0的读写操作。

三、实验原理实验中所用的通用寄存器数据通路如下图所示。

由四片8位字长的74LS574组成R1 R0（CX）、R3 R2（DX）通用寄存器组。

图中X2 X1 X0定义输出选通使能，SI、XP控制位为源选通控制。

RWR 为寄存器数据写入使能，DI、OP为目的寄存器写选通。

DRCK信号为寄存器组打入脉冲，上升沿有效。

准双向I/O输入输出端口用于置数操作，经2片74LS245三态门与数据总线相连。

图2-3-3 通用寄存器数据通路四、实验内容1.实验连线K23~K0置“1”，灭M23~M0控位显示灯。

然后按下表要求“搭接”部件控制电路。

2.寄存器的读写操作①目的通路当RWR=0时，由DI、OP编码产生目的寄存器地址，详见下表。

通用寄存器“手动／搭接”目的编码②通用寄存器的写入通过“I/O输入输出单元”向R0、R1寄存器分别置数11h、22h，操作步骤如下：通过“I/O输入输出单元”向R2、R3寄存器分别置数33h、44h，操作步骤如下：③源通路当X2~X0=001时，由SI、XP编码产生源寄存器，详见下表。

通用寄存器“手动／搭接”源编码④通用寄存器的读出关闭写使能，令K18（RWR）=1，按下流程分别读R0、R1、R2、R3。

五、实验心得通过这个实验让我清晰的了解了通用寄存器的构成以及通用寄存器是如何运用的，并且熟悉了通用寄存器的数据通路，而且还深刻的掌握了通用寄存器R3~R0的读写操作。

实验2 运算器实验一、实验目的掌握八位运算器的数据传输格式，验证运算功能发生器及进位控制的组合功能。

二、实验要求完成算术、逻辑、移位运算实验，熟悉ALU运算控制位的运用。

三、实验原理实验中所用的运算器数据通路如图2-3-1所示。

ALU运算器由CPLD描述。

运算器的输出FUN经过74LS245三态门与数据总线相连，运算源寄存器A和暂存器B的数据输入端分别由2个74LS574锁存器锁存，锁存器的输入端与数据总线相连，准双向I/O输入输出端口用来给出参与运算的数据，经2片74LS245三态门与数据总线相连。

1算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic and Logic Unit）
ALU主要完成对二进制数据的定点算术运算（加减乘除）、逻辑运算（与或非异或）以及移位操作。在某些CPU中还有专门用于处理移位操作的移位器。
通常ALU由两个输入端和一个输出端。整数单元有时也称为IEU（Integer Execution Unit）。我们通常所说的“CPU是XX位的”就是指ALU所能处理的数据的位数。
置S3、S2、S1、S0和Cn的数值，并观察数据总线LED显示灯显示的结果。如置S3、S2、S1、
S0为0010加法运算。
如果实验箱和PC联机操作，则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果（软件使用说明
请看附录一），方法是：打开软件，选择联机软件的“【实验】—【运算器实验】”，打开运算器
实验的数据通路图，如图1-1-6所示。进行上面的手动操作，每按动一次ST按钮，数据通路图
会有数据的流动，反映当前运算器所做的操作，或在软件中选择“【调试】—【单节拍】”，其作
用相当于将时序单元的状态开关KK2置为‘单拍’档后按动了一次ST按钮，数据通路图也会反
映当前运算器所做的操作。
重复上述操作，并完成表1-1-2。然后改变A、B的值，验证FC、FZ的锁存功能。
计算机组成原理实验报告
实验一 基本运算器实验
一、
1.了解运算器的组成结构
2.掌握运算器的工作原理
3.深刻理解运算器的控制信号
二、
PC机一台、TD-CMA实验系统一套
三、实验原理
1.(思考题)运算器的组成包括算数逻辑运算单元ALU（Arithmetic and Logic Unit）、浮点运算单元FPU（Floating Point Unit）、通用寄存器组、专用寄存器组。

通用寄存器单元实验一、实验目的1、了解通用寄存器的组成和硬件电路2、利用通用寄存器实现数据的置数、左移、右移等功能二、实验要求按照实验步骤完成实验项目，实现通用寄存器移位操作。

了解通用寄存器单元的工作原理运用。

三、实验说明图2-2-11.寄存器实验构成（如图2-2-1）1、通用寄存器由2片GAL构成8位字长的寄存器单元。

8芯插座RA-IN作为数据输入端，可通过短8芯扁平电缆，把数据输入端连接到数据总线上。

GAL：是一种可电擦除、可重复编程、可加密的可编程逻辑器件（PLD）。

目前普遍采用的芯片有两种：GAL16V8（20引脚）和GAL20V8（24引脚），这两种GAL能够按设计者自己的要求构成各种功能的逻辑电路，在研制开发新的电路系统时，极为方便。

2、数据输出由一片74LS244（输出缓冲器）来控制。

用8芯插座RA-OUT作为数据输出端，可通过短8芯扁平电缆，把数据输出端连接到数据总线。

3、判零和进位电路由1片GAL、1片74LS74和一些常规芯片组成，用2个LED（ZD、CY）发光管分别显示其状态。

2.控制信号说明3.通用寄存器单元的工作原理通用寄存器单元的核心部件为2片GAL，它具有锁存、左移、右移、保存等功能。

通过设置X0、X1来指定通用寄存器工作方式。

例如，当置ERA=0、X0=1、X1=1，RACK有上升沿时，把总线上的数据打入通用寄存器。

通用寄存器的输出端Q0~Q7接入判零电路。

LED（ZD）亮时，表示当前通用寄存器内数据为0。

输出缓冲器采用74LS244，当控制信号RA-O为低时，74LS244开通，把通用寄存器内容输出到总线；当RA-O为高时，74LS244的输出为高阻。

4.实验步骤实验1、数据输入通用寄存器●RA-IN 二进制开关单元中的J01插座（H16~H23）RA-OUT DJ6●RACK PLS1●ERA、X0、X1、RA-O、M接入二进制拨动开关。

●二进制开关H16~H23作为数据输入，置42H。

整机仿真 整机是将所有模块通过总线连接在一起，成为一台完整的计算机。 设计需求：该部分将各子模块综合，通过输入/输出设备实现汇编语言的编辑和编译，生 成二进制代码；将二进制代码存入主存，顺序执行，经过“指令模块”实现全速、单步或微 单步运行程序，完成程序功能。各步程序结果，各寄存器变量通过显示输出实时查看。
1. 采用 Cache-Memory 存储层次。 2. 地址长度为 16 位，数据寄存器长度 16 位，存储字长是 8 位，采用小端存储模式。 3. Cache 采用二路组相联，Cache 大小为 1KB，每个字块 4 个字，字长为 2B。 4. 能根据有效地址读 Cache 和内存，把数据读入数据寄存器中；能根据有效地址把
1、 运算器由 ALU，状态寄存器，通用寄存器组成。 2、 ALU 能够进行加、减、乘、除等四则运算，与、或、非、异或等逻辑运算以及移
位求补等操作。其中乘除法要实现原码 1 位乘、补码 1 位乘（Booth）、原码加减 交替除法、补码加减交替除法 4 种算法。选作原码/补码 2 位乘算法。 3、 通用寄存器组用于保存参加运算的操作数和运算结果。 4、 状态寄存器用于记录算术、逻辑运算的结果状态。程序设计中，这些状态通常用 作条件转移指令的判断条件，所以又称为条件码寄存器。一般均设置如下几种状 态位：零标志位（Z），负标志位（N），溢出标志位（v），仅为或借位标志（C）。 【输入】从 ins_input.txt 读入。每行有一个操作码和两个操作数，用空格分开，操作数用原 码表示。 e.g. Add 0.110111 1.101110 Sub 0.100111 0.101011 Mul 1.101110 0.110111 【输出】将运算过程和结果输入到 output.txt 例如： ori_onebit_times [x]ori=1.101110 [y]ori=0.110111 x*=0.101110 y*=0.110111 0.000000 110111 + 0.101110 -------------------------------0.101110 0.010111 0 11011 + 0.101110 -------------------------------1.000101 0 0.100010 10 1101 + 0.101110 -------------------------------1.010000 10 0.101000 010 110 0.010100 0010 11 + 0.101110 -------------------------------1.000010 0010 0.100001 00010 1 + 0.101110 --------------------------------

alu单元结构-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述:ALU（算术逻辑单元）是计算机中的一个重要组成部分，负责执行大多数的算术和逻辑运算。

它是计算机中的“心脏”，承担着处理数据的重要任务。

ALU单元结构的设计和功能直接影响着计算机整体的性能和效率。

本文将主要介绍ALU单元的结构、功能及其在计算机中的应用。

通过深入了解ALU单元，读者可以更好地理解计算机的运作原理以及数据处理过程。

同时，也将探讨ALU单元在未来的发展趋势，展望其在计算机领域中的重要作用和发展前景。

1.2 文章结构文章结构部分是为了帮助读者更好地了解整篇文章的组织和内容安排。

本文的结构包括引言、正文和结论三个部分。

引言部分将介绍文章的背景和主题，包括概述、文章结构和目的。

在正文部分，将详细介绍ALU单元的结构、功能和应用。

结论部分将总结ALU单元的重要性，展望其未来发展，并给出最终的结论。

通过这样清晰的文章结构，读者可以更好地理解文章的内容和逻辑脉络，从而更加深入地了解ALU单元的重要性和应用价值。

1.3 目的本文的主要目的是探讨ALU单元结构在现代计算机系统中的重要性和应用。

通过深入分析ALU单元的介绍、功能和应用，我们将帮助读者更好地理解ALU单元在计算机系统中的作用和意义。

我们希望通过本文的研究，读者可以对ALU单元有一个更全面的认识，为他们在学习和应用计算机技术时提供有益的参考和指导。

同时，我们也希望可以展望ALU 单元未来的发展方向，为计算机科技的进步做出贡献。

2.正文2.1 ALU单元介绍ALU（算术逻辑单元）是中央处理器（CPU）中的一个重要部分，它负责执行各种算术和逻辑运算。

ALU包含一组逻辑门和寄存器，用于执行加法、减法、逻辑运算等操作。

其结构通常包括输入端口、输出端口和控制信号线。

ALU单元通常由几个主要部分组成，包括运算器、寄存器和控制单元。

运算器负责执行算术运算，寄存器用于存储操作数和结果，控制单元负责控制各个部分的操作顺序和条件。

计算机组成原理实验报告进位位控制、通用寄存器判零实验西华大学数学与计算机学院实验报告课程名称:计算机组成原理年级:201１级实验成绩：指导教师：祝昌宇姓名：蒋俊实验名称:进位位控制、通用寄存器判零实验学号:31２８实验日期:2０1３-12-１5一、目的1．熟悉带进位位控制的算术逻辑运算器的组成和硬件电路2.用进位寄存器来实现带进位的左移、右移3.熟悉判零线路二、实验原理(1）进位和判零电路的实验构成进位和判零电路由１片GAＬ、７４ＬＳ７4和两个LED（CY、ＺD）发光管组成。

当有进位时CY发光管亮，ZD发光管亮表示当前通用寄存器的内容为0。

(2）进位控制的原理1．进位电路与通用寄存器、ALU有着非常紧密的关系,算术逻辑单元的进位输出和通用寄存器带进位移动都会影响进位寄存器的结果。

2.若实验者在做算术逻辑实验时，选择了算术运算方式，当ALU的计算结果输出至总线时，在CCK上来一个上升沿，将把74LS181的进位输出位(CN+４)上的值（为了统一进位标识,1表示有进位,0表示无进位),打入进位寄存器(74LS74)中,并且有进位时CY （LED）发光。

3.在进行通用寄存器的数据移位实验时,把ＣCK和通用寄存器的工作脉冲接在一起，当选择带进位左移时，在工作脉冲下,通用寄存器的最高位将移入进位寄存器中，进位寄存器中的值将移入通用寄存器的最低位。

当进位寄存器中的值为1时，CY（ＬEＤ)发光,若进位寄存器中的值为０时，CY（LＥD)灭。

同样在带进位右移时,也会产生这样的结果。

４.通过把通用寄存器中的每一位做“或”运算，当寄存器的每一位为０时，ＺD输出0,ZD（LEＤ)发光图1进位控制原理图三、使用环境计算机组成原理实验箱四、实验步骤(一)算术逻辑运算单元带进位位的加法运算实验把RA-IN(8芯的盒型插座）与ＣPＴ-Ｂ板上二进制开关单元中的J１插座相连（对应二进制开关H16~H23）,把RA-OUT（８芯的盒型插座）与数据总线上的DＪ２相连。

1、在运算器中，累加器是专门存放算术或逻辑运算的一个操作数和运算结果的寄存器。

能进行加、减、读出、移位、循环移位和求补等操作。

累加器是通用寄存器之一，但累加器和其它通用寄存器相比又有其独特之处。

累加器除了可用做通用寄存器存放数据外，对某些操作，一般操作前累加器用于存放一个操作数，操作后，累加器用于存放结果。

在中央处理器CPU中，累加器（accumulator）是一种暂存器，它用来储存计算所产生的中间结果。

如果没有像累加器这样的存器，那么在每次计算（加法，乘法，移位等等）后就必须要把结果写回到内存，然后再读回来。

然而存取内存的速度是比从数学逻辑单元（ALU）到有直接路径的累加器存取更慢。

现今的CPU 通常有很多暂存器，所有或多数都可以被用来当作累加器。

因为这个原因，“累加器”这名词就显得有些老旧。

这个名词已经几乎不在微处理器暂存器中使用，2、通用寄存器可用于传送和暂存数据，也可参与算术逻辑运算，并保存运算结果。

除此之外，它们还各自具有一些特殊功能。

通用寄存器的长度取决于机器字长，如16位cpu 通用寄存器共有8个：AX,BX,CX,DX,BP,SP,SI,DI，八个寄存器都可以作为普通的数据寄存器使用。

但有的有特殊的用途：AX为累加器，CX为计数器，BX，BP为基址寄存器，SI,DI为变址寄存器，BP还可以是基指针，SP为堆栈指针。

32位cpu通用寄存器共有8个：EAX,EBX,ECX,EDX,EBP,ESP,ESI,EDI功能和上面差不多。