实验名称: TEC-2实验计算机运算器实验

实验地点：10-413

一．实验目的

1.     了解和掌握Am2901运算器的组成结构和工作原理；

2.     认识和掌握TEC-2机运算器的组成和工作原理；

3.    认识和掌握TEC-2机运算器相关控制信号的含义和使用方法；

二．实验原理

1.概述   

运算器部件是计算机五大功能部件中的数据加工部件。

运算器的首要功能是完成对数据的算术和逻辑运算，由其内部的一个被称为算术与逻辑运算部件（ALU）来实现，它在给出运算结果的同时，还给出运算结果的标志，如溢出否，进位否，结果为零否和符号正负等，这些标志都保存在一个状态寄存器中。 

运算器的第二项功能，是暂存将参加运算的数据和中间结果，由其内部的一个寄存器来承担。因为这些寄存器可被汇编程序直接访问与使用，因此将它们称为通用寄存器，以区别那些计算机内部设置的、不能为汇编程序员访问的专用寄存器。 

为了用硬件线路完成程序指令运算，运算器内一般还有一个能自行左右移位的专用寄存器，称为乘商寄存器。 

TEC-2实验机的运算器核心部分是Am2901。Am2901芯片是一个4位的位片结构的完整的运算器部件。 

对运算器的控制与操作，指的是如何让运算器完成所预期的操作功能。这是通过正确地向其提供控制信号。包括选哪个（哪些）数据参加运算，执行何种运算功能，对运算结果（值和特征）如何保存与送出等；同时，要解决正确向运算器提供参加运算数据的种种问题，包括从外部向运算器送入数据，正确给出ALU最低的进位信号，运算器左右移位操作中的移位输入信号等。给出正确的数据的来源和正确的控制信号，运算器就执行规定的操作功能。在计算机整体运行过程中，运算器用到的控制信号是由计算机的控制部件提供；从教学实验需求考虑，如TEC-2机运算器运行中用到的数据和控制信号，也可以通过该教学计算机上的16个手拨数据开关和24个手拨微型开关来实现。 

2 .Am2901 运算器  

一、 Am2901芯片内部组成结构 

Am2901芯片是一个4位的位片结构运算部件，是一个完整的运算器，只是位数较少，具有很好的典型性，是个理想的教学实例。其内部组成结构如下图所示：

（1）4位的ALU，实现8种运算功能，其每一位上的2个输入数据分别用R和S表示。这八种功能的选择控制，是用外部送入的3位编码值I5~I3实现的。ALU还能给出Cn+4、F、OVR和F=0000四位状态信息，并能接受最低位的一个输入信号Cn。  

（2）16个4位的通用寄存器组，用R0~R15表示，和一个4位的Q寄存器，通用寄存器组为双端读出和单端控制，而且运算后的结果经过一个移位器实现写入。Q寄存器本身具有左移右移功能且能接受ALU的运算结果。  

（3）能接收外部送入的4位数据D3~D0，并输入4位的数据Y3~Y0。  

（4）从图上可以看到，ALU的两个输入端R和S分别可以接收D输入，A端口或逻辑0数据，和A端口、B端口、Q寄存器和逻辑0数据。  

（5）Am2901还采用另外3位外部送来的控制信号I8~I6。  

（6）通用寄存器组通过A端口，B端口读出内容的输出处均有锁存器线路支持，以保证在执行诸如A+B结果送B运算时操作的正确性。

3．Am2901的级联结构

一片4位的Am2901芯片的引脚信号如图2-2所示。其中A3~A0、B3~B0 用于输入选中的通用寄存器地址(0000~1111分别对应于Ro~R1s); I~Io用于运算过程的控制信号; D3~D0用于输入外部数据;Y3~Y0用于输出运算的结果;CP为时钟信号;/OE为选通信号;RAM3、RAM0为运算结果左右移时的移出位;Q3、Q0为乘商寄存器Q左右移时的移出位;Cy、F=0、Over、F3分别为进位标志位、零标志位、溢出标志位、符号标志位; Cin 为外部输入的最低进位位。

4. Am2901的操作时序

图3.3  Am2901的时钟信号的作用

5. Am2901芯片的控制信号及其控制码与操作 

 Am2901戏弄的控制信号有9个，即I8~I0，这9个控制信号分为三组，它们是： 

（1）I8、I7、I6：选择运算结果或有关数据以何种方式送往何处； 

（2）I5、I4、I3：选择ALU的运算功能，共八种；  

（3）I2、I1、I0：选择送入进行运算的两个操作数据R和S的来源。 这三种控制信号与相关控制码的关系如下表3.1所示： 

表3.1 Am2901 9个控制信号I8~I0

6． TEC-2机运算器

图3.6  完整的16位运算器的组成框图

4片间的连接关系是：  

16位的数据输入有4片各各自的D3~D0组成，其位序号从高位芯片向低位芯片顺序排成D15~D0。  

16位的数据输出由4片各自的Y3~Y0组成，其为序号从高位芯片向低位芯片顺序排成Y1~Y0。  

高地位进位关系的3组信号。  

其他的计组输入信号，对4 片Am2901期间来说应该有相同的值，包括/OE（控制选通Y的输出），A地址，B地址，I8~I0，和工作脉冲CP，故应将4个芯片的这些管脚连接一起。   

 6. TEC-2机运算器部件的辅助组成部分    

 **标志位的含义及取值：      

S:符号标志，负数为1；      

V:溢出标志，溢出则为1；      

Z:运算结果标志，结果为0则为1；     

 C:进/借位标志，有则为1    

三位微码与这8种处理的对应关系，以用表格形式给出在TEC-2的操作卡上，  如表3.2所示。  

表3.2三位微码与状态位的关系表

运算器最低位进位信号的给出与控制（SCi）   

运算器最低位的进位信号Cin可能为0、1、c标志的值，为了测试与实验方便，有时  可送入一个连续的方波信号，当认运算执行16位全1与这个最低位的进位方波信号相加  时，则加法器每一位的输出结果均为方波，有利于观察和测试。

运算器最高位，最低位的一如信号（SSH）

说明： 

 • 表中“X”为任意值，表示取任意值都不受影响 

• 当通用寄存器本身移位时，Q寄存器不受影响 

 • 乘除法运算要求通用寄存器与Q寄存器联合移位，没有Q寄存器单独移位功能

 • 左右移是由指令功能确定的 

• SSH 为0，用于逻辑移位指令  

为1，用于循环移位指令  

为2，用于乘除法运算的联合移位及上商 

为3，用于算术右移指令，或补码乘法计算

三．实验内容：

脱机和联机时运算器实验

在脱机与联机两种方式下，可以用一些数据实现多种运算，以控制其操作过程与功能

检查所得结果的正确性。

(一) 脱机方式

1.    将TEC-2机功能开关FS4置为“1”。

2.    将TEC-2机主脉冲置为单步方式，即将STEP/CONT开关拨向STEP一边。

3.    用D0+0→R0将立即数D0（A000H）置入寄存器R0（0000）。具体的微型开关和数据开关按下表进行设置：

波特率开关   数据开关

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

设置好各控制信号（MI8-MI0），并设置好十六位数据开关为“A000H”，即“1010 0000 0000 0000”后，按压一次STEP键，将立即数D0置入寄存器R0中。

4.    用D1+0→R1将立即数D1（4000H）置入寄存器R1（0001）。具体的微型开关和数据开关按下表进行设置：

波特率开关   数据开关

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

用同样的方法将立即数D1置入寄存器R1中。

5.    对寄存器R0、R1初始化后，便可对R0和R1进行各种算术、逻辑运算，此时R0保存的数据为D0（A000H），R1保存的数据为D1（4000H）。

6.    将开关S2 S1 S0置于“110”时，指示灯将显示ALU的运算结果；将开关S2 S1 S0置于“000”时，指示灯将显示SVZC的状态，对应TEC-2机上H25 = S，H26 = V，H27 = Z，H28 = C。

7.    对R0和R1进行各种算术、逻辑运算。

(二) 联机方式

启动TEC-2机，进入监控程序状态：具体操作如下：

1.    将TEC-2机的FS1~FS4置为1010，STEP/CONT置成CONT。

2.    打开计算机电源开关，使计算机正常启动。打开TEC-2电源开关，TEC-2大板左上角一排指示灯亮。

3.    运行通讯程序PCEC，在DOS下命令提示（按默认设置：选择1，N）。联机后，进入联机状态，用A命令输入下列程序：(ENTER表示)

>A800 ENTER

MOV     R0，A000

      MOV     R1，4000

　　　ADD     R0, R1

      SUB     R0，R1

      OR      R0，R1

      AND     R0，R1

      XOR     RO, R1

      ADC     R0, R1

      SHL    RO

      INC    RO 

      RET

4.    用“G”命令运行程序

在命令行提示符状态下输入：

> G800

执行上面输入的程序

5.    用“R”命令观察运行结果及状态

在命令行提示符状态下输入:

>R

观察运行结果及状态

屏幕将显示：

R0=8001  R1=4000……

6.    用“T”或“P”命令单步执行

在命令行提示符状态下输入：

>T

或

>P

执行之后，观察运行结果及状态

四.  实验器材

1.    TEC-2机一台，电脑一台

2.    TEC-2模拟软件一套

五.  实验分析与设计

1.    脱机实验

用D0+0→R0将立即数D0置入寄存器R0

用D1+0→R1将立即数D1置入寄存器R1

通过上述实验步骤，得到正确的如下结果：

2.    联机实验

启动TEC-2机，进入监控程序状态：将TEC-2机的FS1~FS4置为1010，STEP/CONT置成CONT，点击监控程序。

根据上述实验步骤得到如下正确结果：

六.  思考题

在脱机方式下进行运算器实验时，在按STEP键之前和按STEP键之后，ALU的输出结果及状态SVZC有何不同，为什么？根据Am2901运算器的组成结构及其工作原理加以说明。

设置好相应微码和AB口地址之后，立即输出该运算功能的运算结果，此时ALU也已经得到SVZC的值，但并没有传给标志寄存器。按STEP之后，ALU的输出结果则为运算器再做一次运算的结果，这时SVZC所显示的值则为上一步标志位寄存器的值。

从Am2901的内部结构图可以看出，A口和B口寄存器在送入ALU之前会经过对应的锁存器，在没有按STEP前，即不产生任何脉冲信号前，当前锁存器内保存的数据与SVZC内保存的数据与寄存器中当前的数据无关，此时修改了MI8~0，就修改了运算方式，会对锁存器中当前的值进行运算，结果会马上显示在ALU输出中。查看Am2901的时钟信号的作用可以知道，下降沿信号会促发A、B数据锁存。因此，按压STEP后，当前计算的结果会写入锁存器中，比如R1+R0-＞RO。此时锁存器中的值被改变了，同时改变的还有LU的输出结果和SVZC的值，因为ALU是使用锁存器的当前值进行计算的。

七.  实验心得

通过本次实验，让我对TEC-2的使用有了初步的理解，还基本了解和掌握Am2901运算器的组成结构和工作原理，认识和掌握TEC-2机运算器相关控制信号的含义和使用方法，并可以解决一些较为复杂的问题，但是并没有熟练掌握其中的一些技巧。原本的纸面描述并不能真正理解，但通过实验动手操作，对其内部处理有了进一步了解，从而加强了对其功能的深刻理解。成功的认识和掌握TEC-2机运算器的组成和工作原理；且认识和掌握TEC-2机运算器相关控制信号的含义和使用方法。