1、吉林建筑工程學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院微機(jī)原理技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目： 算術(shù)邏輯單元設(shè)計(jì) 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2011.06.272011.07.08 教師評語：成績 評閱教師 日期 第1章 緒論1.1 算術(shù)邏輯單元發(fā)展及現(xiàn)狀算術(shù)邏輯單元（arithmetic logic unit，縮寫ALU）是進(jìn)行整數(shù)運(yùn)算的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)階段是用電路來實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用在電腦組芯片中。在計(jì)算機(jī)中，算術(shù)邏輯單元（ALU）是專門執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算的數(shù)字電路。ALU是計(jì)算機(jī)中央處理器的最重要成部分，甚至連最小的微處理器也包含ALU作計(jì)數(shù)功能。在現(xiàn)代CPU和GPU處理器中已含有功能強(qiáng)大和復(fù)

2、雜的ALU；一個(gè)單一元件也可能含有ALU。1945年數(shù)學(xué)家馮諾伊曼在一篇介紹被稱為EDVAC的一種新型電腦的基礎(chǔ)構(gòu)成的報(bào)告中提出ALU的概念。 早期發(fā)展1946年，馮諾伊曼與同事合作為普林斯頓高等學(xué)習(xí)學(xué)院(IAS)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)。隨后IAS計(jì)算機(jī)成為后來計(jì)算機(jī)的原形。在論文中，馮諾伊曼提出他相信計(jì)算機(jī)中所需的部件，其中包括ALU。 馮諾伊曼寫到，ALU是計(jì)算機(jī)的必備組成部分，因?yàn)橐汛_定計(jì)算機(jī)一定要完成基本的數(shù)學(xué)運(yùn)算，包括加減乘除。于是他相信（計(jì)算機(jī)）應(yīng)該含有專門完成此類運(yùn)算的部件。 數(shù)字系統(tǒng)ALU必須使用與數(shù)字電路其他部分使用同樣的格式進(jìn)行數(shù)字處理.對現(xiàn)代處理器而言,幾乎全都使用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示方式

3、。早期的計(jì)算機(jī)曾使用過很多種數(shù)字系統(tǒng)，包括反碼、符號數(shù)值碼，甚至是十進(jìn)制碼，每一位用十個(gè)管子。 以上這每一種數(shù)字系統(tǒng)所對應(yīng)的ALU都有不同的設(shè)計(jì)，而這也影響了當(dāng)前對二進(jìn)制補(bǔ)碼的優(yōu)先選擇，因?yàn)槎M(jìn)制補(bǔ)碼能簡化ALU加法和減法的運(yùn)算。 一個(gè)簡單的能進(jìn)行與或非和加運(yùn)算的2位ALU。 可行性分析絕大部分計(jì)算機(jī)指令都是由ALU執(zhí)行的。ALU從寄存器中取出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理將運(yùn)算結(jié)果存入ALU輸出寄存器中。其他部件負(fù)責(zé)在寄存器與內(nèi)存間傳送數(shù)據(jù)。 控制單元控制著ALU，通過控制電路來告訴ALU該執(zhí)行什么操作。 簡單運(yùn)算大部分ALU都可以完成以下運(yùn)算 整數(shù)算術(shù)運(yùn)算（加、減，有時(shí)還包括乘和除，不過成本較高）位邏

4、輯運(yùn)算（與、或、非、異或）移位運(yùn)算（將一個(gè)字向左或向右移位或浮動特定位，而無符號延伸），移位可被認(rèn)為是乘以2或除以2。復(fù)雜運(yùn)算工程師可設(shè)計(jì)能完成任何運(yùn)算的ALU，不論運(yùn)算有多復(fù)雜；問題在于運(yùn)算越復(fù)雜，ALU成本越高，在處理器中占用的空間越大，消耗的電能越多。 于是，工程師們經(jīng)常計(jì)算一個(gè)折中的方案，提供給處理器（或其他電路）一個(gè)能使其運(yùn)算高速的ALU，但同時(shí)又避免ALU設(shè)計(jì)的太復(fù)雜而價(jià)格昂貴。部ALU。 工程師一般認(rèn)為ALU是處理整數(shù)型（比如補(bǔ)碼和BCD碼）算術(shù)運(yùn)算的的電路，而對更為復(fù)雜的格式（比如浮點(diǎn)型、復(fù)數(shù)型）進(jìn)行計(jì)算的電路則擁有一個(gè)更加匹配的稱謂。1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解算術(shù)邏輯運(yùn)算單元的工

5、作原理及構(gòu)成，掌握簡單運(yùn)算器的數(shù)據(jù)傳輸方式，掌握74LS181的功能和應(yīng)用。了解算術(shù)邏輯運(yùn)算單元的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并能通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。1.3 實(shí)驗(yàn)原理 運(yùn)算器由2片74 LS181構(gòu)成8位字長的ALU單元。2片74LS374作為2個(gè)數(shù)據(jù)鎖存器（DR1、DR2），8芯插座ALU-IN作為數(shù)據(jù)輸入器，可通過短8芯扁平電纜，把數(shù)據(jù)輸入端連接到數(shù)據(jù)總線上。運(yùn)算器的數(shù)據(jù)輸出端由一片74LS244（輸出緩沖器）來控制，8芯插座ALU-OUT作為數(shù)據(jù)輸出端，可通過短8芯扁平電纜把數(shù)據(jù)輸出端連接到數(shù)據(jù)總線上。算術(shù)邏輯單元可完成數(shù)據(jù)的算術(shù)、邏輯運(yùn)算，如不帶進(jìn)位的位邏輯或運(yùn)算，不帶進(jìn)位的位加法運(yùn)算

6、。 數(shù)據(jù)輸入鎖存器DR1的EDR1為低電平，并且D1CK有上升沿時(shí)，把來自數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)打入鎖存器DR1。同樣使EDR2為低電平，D2CK有上升沿時(shí)把數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)打入數(shù)據(jù)鎖存器DR2。算術(shù)邏輯運(yùn)算單元的核心是由2片74LS181組成，它可以進(jìn)行2個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)邏輯運(yùn)算，74LS181的各種工作方式可通過設(shè)置其控制信號來實(shí)現(xiàn)（S0、S1、S2、S3、M、CN）。當(dāng)實(shí)驗(yàn)者正確設(shè)置了74LS181的各個(gè)控制信號，74LS181會運(yùn)算數(shù)據(jù)鎖存器DR1、DR2內(nèi)的數(shù)據(jù)。由于DR1、DR2已經(jīng)把數(shù)據(jù)鎖存，只要74LS181的控制信號不變，那么74LS181的輸出數(shù)據(jù)也不會發(fā)生改變。輸出緩沖器采用

7、74LS244，當(dāng)控制信號ALU-O為低電平時(shí)，74LS244導(dǎo)通，把74LS181的運(yùn)算結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)總線;當(dāng)ALU-O為高電平時(shí)，74LS244的輸出為高阻。 表1-1控制信號說明信號名稱作用有效電平EDR1選通DR1寄存器低電平有效EDR2選通DR2寄存器低電平有效DR1CKDR1寄存器工作脈沖上升沿有效DR2CKDR2寄存器工作脈沖上升沿有效S0-S174LS181工作方式選擇M選擇邏輯或算術(shù)運(yùn)算CN有無進(jìn)位輸入CCK進(jìn)位寄存器的工作脈沖上升沿有效ALU-O74LS181計(jì)算結(jié)果輸出至總線低電平有效1.4 實(shí)驗(yàn)意義通過這次實(shí)驗(yàn)，使我明白了算術(shù)邏輯單元的組成以及組成它的各種芯片的圖及引腳

8、功能，掌握了簡單運(yùn)算器的數(shù)據(jù)傳輸方式和74LS181的功能和應(yīng)用。增強(qiáng)了我對算術(shù)邏輯單元的理解和認(rèn)識，同時(shí)也增強(qiáng)了所學(xué)理論知識和實(shí)際的了解，增加了對微機(jī)原理及應(yīng)用這門課的認(rèn)識和興趣。第2章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 硬件介紹2.1.1 芯片介紹 74LS181為算術(shù)邏輯單元/函數(shù)產(chǎn)生器（32個(gè)功能），能執(zhí)行16中算術(shù)運(yùn)算和16種邏輯運(yùn)算。當(dāng)工作方式控制端（M）為低電平時(shí)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算，當(dāng)方式控制端（M）為高電平時(shí)執(zhí)行邏輯運(yùn)算。運(yùn)算功能由功能選擇端（S0-S3）決定。利用A等于B輸出端（FA-B），181還可作為數(shù)值比較器。當(dāng)MS0S3為低電平，S1S2/CIn為高電平時(shí)，如果A和B兩字相等，則FA-B為高

9、電平。由于FA-B 為集電極開路輸出，可以線與連接，因而可做大于4位的比較。 進(jìn)位輸出端（/COn+4）也可用來提供相對信息的大小，此時(shí)MS0S3為低電平，S1S2為高電平 圖2-1 74LS181的引腳圖 74LS181引腳功能 表2-1 74LS181的功能表方式M=1邏輯運(yùn)算M=0算術(shù)運(yùn)算S3 S2 S1 S0邏輯運(yùn)算CN=1（無進(jìn)位）CN=0（有進(jìn)位）0000F=/AF=AF=A加10001F=/(A+B)F=A+BF=(A+B)加10010F=/ABF=A+/BF=(A+/B)加10011F=0F=減1（2的補(bǔ)）F=00100F=/(AB)F=A加A/BF=A加A/B加10101F=

10、/BF=(A+B)加A/BF=(A+B)加A/B加10110F=ABF=A減B減1F=A減B 0111F=A/BF=A/B減1F=A減B1000F=/A+BF=A加ABF=A加AB加11001F=/(AB)F=A加BF=A加B加11010F=BF=(A+/B)加ABF=(A+/B)加AB加11011F=ABF=AB減1F=AB1100F=1F=A加AF=A加A加11101F=A+/BF=(A+B)加AF=(A+B)加A加11110F=A+BF=(A+/B)加AF=(A+/B)加A加11111F=AF=A減1F=A 74LS244為3態(tài)8位緩沖器，一般用作總線驅(qū)動器。74LS244沒有鎖存的功能

11、。地扯鎖存器就是一個(gè)暫存器，它根據(jù)控制信號的狀態(tài)，將總線上的地扯代碼暫存起來。 圖2-2 74LS244芯片引腳圖74LS244引腳功能/1G，/2G：控制端，控制4個(gè)三態(tài)門1A1-1A4,2A1-2A4：輸入端1Y1-1Y4,2Y1-2Y4：輸出端表2-2 74LS244真值表74LS374為具有三態(tài)輸出的八D邊沿觸發(fā)器。74LS374的輸出端Q0-Q7可直接與總線相連。當(dāng)三態(tài)允許控制端OE為低電平時(shí)，可用來驅(qū)動負(fù)載或總線。當(dāng)OE為高電平時(shí)，Q0-Q7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。在時(shí)鐘端CP脈沖上升沿的作用下，0隨數(shù)據(jù)D而變。 圖2-3 74LS

12、374芯片引腳圖74LS374引腳功能OE：三態(tài)允許控制端（低電平有效）CP：時(shí)鐘輸入端D0-D7：數(shù)據(jù)輸入端Q0-Q7：輸出端表2-3 74LS374真值表 DiCPOE*Qi101000XX1高阻2.1.2 原理圖 圖2-4 原理圖2.2 軟件設(shè)計(jì)2.2.1 流程圖 不帶進(jìn)位為邏輯或運(yùn)算開始 把33H送DR1把55H送DR233H與55H做不帶進(jìn)位為邏輯或運(yùn)算把運(yùn)算結(jié)果輸出結(jié)束不帶進(jìn)位位加法運(yùn)算開始 把33H送DR1把55H送DR233H與55H做不帶進(jìn)位位加法運(yùn)算把運(yùn)算結(jié)果輸出結(jié)束2.2.2 編程不帶進(jìn)位為邏輯或運(yùn)算MOV DR1,33HMOV DR2,55HOR DR1，DR2OUT

13、DR1不帶進(jìn)位位加法運(yùn)算CLR CMOV DR1,33HMOV DR2,55HADD DR1，DR2OUT DR1第3章 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證3.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 把ALU-IN（8芯的盒型插座）與CPT-B板上的二進(jìn)制開關(guān)單元中J1插座相連（對應(yīng)二進(jìn)制開關(guān)H16-H23），把ALU-OUT（8芯的盒型插座）與數(shù)據(jù)總線上的DJ2相連。 把D1CK和D2CK用連線連到脈沖單元的PLS1上，把EDR1、EDR2、ALU-O、S0、S1、S2、S3、CN、M接入二進(jìn)制開關(guān)（請按下表接線） 表3-1信號定義接入開關(guān)信號D1CKPLS1孔D2CKPLS1孔EDR1H8孔EDR2H7孔ALU-OH6孔CNH5孔MH4孔S

14、0H3孔S1H2孔S2H1孔S3H0孔 按啟停單元的運(yùn)行按鈕，使試驗(yàn)機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)。 二進(jìn)制開關(guān)H16-H23作為數(shù)據(jù)輸入，置33H（對應(yīng)開關(guān)如下表）表3-2H23H22H21H20H19H18H17H16數(shù)據(jù)總線值D7D6D5D4D3D2D1D08位數(shù)據(jù)0011001133H 置各控制信號如下：表3-3H8H7H6H5H4H3H2H1H0EDR1EDR2ALU-OCNMS3S2S1S0010111110按脈沖單元中的PLS1脈沖按鍵，在D1CK上產(chǎn)生一個(gè)上升沿，把33H打入DR1數(shù)據(jù)鎖存器，通過邏輯筆或示波器來測量確定DR1寄存器（74LS374）的輸出端，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否進(jìn)入DR1中。二進(jìn)制開

15、關(guān)H16-H23作為數(shù)據(jù)輸入，置55H（對應(yīng)開關(guān)如下表）表3-4H23H22H21H20H19H18H17H16數(shù)據(jù)總線值D7D6D5D4D3D2D1D08位數(shù)據(jù)0101010155H置各控制信號如下：表3-5H8H7H6H5H4H3H2H1H0EDR1EDR2ALU-OCNMS3S2S1S0100111110按脈沖單元中的PLS1脈沖按鍵，在D2CK上產(chǎn)生一個(gè)上升沿的脈沖，把55H打入DR2數(shù)據(jù)鎖存器。經(jīng)過74LS181的計(jì)算，把運(yùn)算結(jié)果（F=A或B）輸出到數(shù)據(jù)總線上，數(shù)據(jù)總線上的LED顯示燈IDB0-IDB7應(yīng)該顯示為77H不帶進(jìn)位位加法運(yùn)算實(shí)驗(yàn)與上述實(shí)驗(yàn)步驟相同，只是結(jié)果為88H3.2

16、實(shí)驗(yàn)表格表3-6DR1DR2S3S2S1S0M=0（算術(shù)運(yùn)算）M=1邏輯運(yùn)算CN=1CN=065A70000F=A7HF=A8HF=08H65A70001F=F7HF=F8HF=08H65A70010F=AFHF=B0HF=50H65A70011F=FFHF=00HF=00H65A70100F=49HF=4AHF=FAH65A70101F=99HF=9AHF=AAH65A70110F=51HF=52HF=F2H65A70111F=A1HF=A2HF=A2H65A71000F=ACHF=ADHF=5DH65A71001F=FCHF=FDHF=0DH65A71010F=B4HF=B5HF=55H6

17、5A71011F=04HF=05HF=05H65A71100F=4EHF=4FHF=FFH65A71101F=9EHF=9FHF=AFH65A71110F=56HF=57HF=F7H65A71111F=A6HF=A7HF=A7H 第4章 總結(jié)總結(jié)與體會： 以前從沒有學(xué)過關(guān)于匯編語言的知識，當(dāng)初學(xué)起來感覺很有難度。當(dāng)知道要做課程設(shè)計(jì)的時(shí)候心里有些害怕和擔(dān)心，擔(dān)心自己不會活著做不好。但是當(dāng)真的要做的時(shí)候也只好近自己的最大努力去做，做到自己最好的。在這個(gè)過程中有自己的很多感受，從開始的擔(dān)心和害怕漸漸變成了享受，享受著微機(jī)原理帶給我的快樂以及自己動手的充實(shí)感。通過這次課程設(shè)計(jì)，不僅加深和鞏固了我的課本

18、知識，而且增強(qiáng)了我的動手動腦能力。同時(shí)，這次課程設(shè)計(jì)也增強(qiáng)我的整體把握能力，從緒論到系統(tǒng)設(shè)計(jì)還有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，都是在老師的指導(dǎo)下自己獨(dú)立完成的。 微機(jī)原理與接口技術(shù)是一門很有趣的課程，任何一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都是一個(gè)復(fù)雜的整體，學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)原理是要涉及到整體的每一部分。討論某一部分原理時(shí)又要涉及到其他部分的工作原理。這樣一來，不僅不能在短時(shí)間內(nèi)較深入理解計(jì)算機(jī)的工作原理，而且也很難孤立的某一部分的工作原理。所以，在循序漸進(jìn)的課堂教學(xué)中，我總處于“學(xué)會了一些新知識，弄清了一些原來保留的問題，又出現(xiàn)一些新問題”的循環(huán)中，直到課程結(jié)束時(shí)，才把保留的問題弄清楚。 這次課程設(shè)計(jì)讓我對算術(shù)邏輯單元有了足夠的理解，并且知道了實(shí)驗(yàn)臺上ALU單元的使用方法。知道了算術(shù)邏輯單元的工作原理以及組成它的各種芯片，知道了這些芯片的引腳圖還有引腳功能。掌握了算術(shù)邏輯單元的軟件設(shè)計(jì)，通過畫流程圖和自己編程序，鞏固了課堂上所學(xué)的理論知識。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證了算術(shù)邏輯單的正確性?？傊?，這次課程設(shè)計(jì)對我有很大的幫助，通過課程設(shè)計(jì)，我更加深入的理解了微機(jī)原理課程上講到的各種芯片的功能，以及引腳的作用，同時(shí)加深了對于主要芯