1、實驗名稱多通路運算器和寄存器堆實驗地點信息樓420實驗日期2012-12-7一、實驗目的了解多通路的運算器與寄存器堆的組成結構。掌握多通路的運算器與寄存器堆的工作原理及設計方法。二、實驗設備PC機一臺，TD-CMX實驗系統(tǒng)一套。三、實驗原理ALU®單元的結構ALU®單元由運算器和雙端口寄存器堆構成，通過不同的控制信號SEL1、SEL0產(chǎn)生不同結 構的運算器。運算器內部含有三個獨立運算部件，分別為算術、邏輯和移位運算部件，要處 理的數(shù)據(jù)存于暫存器A和暫存器B。SEL0和SEL1用于選擇運算器和寄存器堆的通路：（1）當SEL1=0、SEL0=0，ALU 的輸出D7D0、REG （右 口

2、）的輸出OUT7OUT0 和ALU與REG 的 輸入IN7IN0接到CPU內總線上時，如圖1-2-1所示，寄存器堆只能從右口進行操作，相 當于只有一組控制線的單端口寄存器堆，一般計算機組成原理實驗涉及到的運算器和寄存器 就是采用這種結構。寄存器堆圖1-2-1單通道單端口的運算器和寄存器堆的結構（2）當SEL1=1、SEL0=0，REG （右 口）的輸出OUT7OUT0 和ALU 與REG （右 口）的輸入IN7 IN0接到CPU內總線上時，運算器和雙端口寄存器堆的結構如圖1-2-2所示，寄存器堆由兩 組控制信號來分別進行控制，每組控制信號都可以相對獨立的對寄存器堆進行讀寫操作，同 時增加了執(zhí)行

3、專用通道A總線，以利于提高指令執(zhí)行的效率。感我CF內總線圖1-2-2雙通道雙端口的運算器和寄存器堆的結構（3）當SEL1=1、SEL0=1, REG （右 口）的輸出OUT7OUT0 和ALU 與REG （右 口）的輸入IN7IN0接到CPU內總線上時，運算器和雙端口寄存器堆的結構如圖1-2-3所示，在雙通道雙端 口運算器和寄存器堆的基礎上增加了暫存器旁路，把運算結果寫回到寄存器堆的同時也可以 寫到暫存器A、暫存器B中。由于在運算型指令中把運算的結果寫到通用寄存器中的指令很 多，占運算型指令的大多數(shù)，發(fā)生通用寄存器數(shù)據(jù)相關的概率相當高，因此，可以用硬件 設置專用路徑來解決這種通用寄存器數(shù)據(jù)相關

4、問題。圖1-2-3增加暫存器旁路的雙通道雙端口的運算器和寄存器堆的結構上面介紹了運算器和寄存器堆的三種典型的數(shù)據(jù)通路圖，在計算機組成原理這門課程中 我們已經(jīng)對運算器有了初步的了解，明白運算器的主要功能是完成算術和邏輯類運算。在系 統(tǒng)結構這門課程中經(jīng)過進一步的研究，還會了解到運算器與寄存器堆的結構對于計算機系統(tǒng) 的設計有著重要的作用，對于計算機性能的優(yōu)劣有著很大的影響。ALU®單元的應用在了解運算器與寄存器堆結構的基礎上，基于如圖1-2-3所示的雙通道雙端口運算器和 雙端口寄存器堆的結構可以設計一段程序：從IN單元讀入一個數(shù)據(jù)，存入R0；從IN單元讀 入另一個數(shù)據(jù)，存于R1；#R0和R1相

5、加，結果存于R0；#R0和R1相加，結果存于R3，同 時打入暫存器A中；再將R0的值送OUT單元顯示。四、實驗操作及運行結果（1）實驗步驟1、把時序與操作臺單元的“ MODE ”短路塊插上，使系統(tǒng)工作在四節(jié)拍模式，按實驗連接圖 接線。注意：連線時實驗箱電源要處于關閉狀態(tài)。2、確保接線正確后，將實驗箱連到電腦：電源線并口 Jtag下載線（打印機口），并打開實 驗箱電源。3、在軟件Quartus II 8.0中選擇“ File-Open Project ”選項，按照以下路徑查找實驗過 程中需要下載到FPGA中的數(shù)據(jù)“C:TangDuCMXFPGAALU®ALU®.qpf（.sof）”，

6、打 開該文件后，單擊軟件中的“Programmer”選項，單擊“Start”完成下載。如果下載成功 在界面Progress中可以看到100%的標志字樣。4、用串口電纜連接實驗箱和電腦打印機口，接通電源，打開軟件MX，進行串口測試（如果 串口線未連接或者串口線故障則自動彈出錯誤信息對話框）：端口一串口選擇-COM 1或者 COM2 ；然后，測試串口通訊是否成功：端口一串口測試。5、如果串口通訊成功，在PC機上運行TD-CMX，進入聯(lián)機軟件界面，選擇菜單命令“【實驗】 一【ALU®實驗】”，打開數(shù)據(jù)通路圖。6、首先按CON單元的CLR開關進行系統(tǒng)清零，狀態(tài)機為S0態(tài)。然后，采用單節(jié)拍運行方式

7、 來觀察數(shù)據(jù)流通。1）用連接成的雙通道雙端口運算器和雙端口寄存器堆的結構實現(xiàn)以下一段程序：MIN單 元讀入一個數(shù)據(jù)，存入曰0；從IN單元讀入另一個數(shù)據(jù)，存于R1；將R0和R1相加，結果 存于R0；將R0和R1相加，結果存于R3,同時打入暫存器A中；再將R0的值送OUT單元 顯示。2）根據(jù)指令要求，得出用時鐘進行驅動的狀態(tài)機描述，即得出其有限狀態(tài)機86 返 S L圖1-2-4狀態(tài)機描迷S0：空操作，系統(tǒng)復位后的狀態(tài)S1： IN-R0;從4單元往R0中打一個數(shù)S2： IN-R1;從IN單元往R1中打一個數(shù)S3： R0 -A, R1 -B;同時把R0、R1中的數(shù)打入暫存器A、B中S4： A+B-R0

8、;將A+B的結果送往R0S5： A+B-R3, A+B-A;增加暫存器旁路，將A+B的結果送往R3的同時打入暫存器A中 S6： R0-OUT把R0中的數(shù)送入輸出單元顯示3）每個狀態(tài)運行4個周期（T1-T4），即每個狀態(tài)按4次單節(jié)拍運行按鈕-0請在S1和 S2狀態(tài)，通過IN單元的開關分別輸入兩個數(shù)（比如1和3。觀察數(shù)據(jù)通路圖中數(shù)據(jù)的變 化，并檢查是否與狀態(tài)的描述相符合。最后觀察OUT液晶單元是否顯示正確（如果從IN 單元輸入的兩個數(shù)分別為1和3，則OUT單元輸出應該為4）。7、當模型機執(zhí)行完一遍后，檢查OUT單元顯示的數(shù)是否正確，按下CON單元的總清按 鈕CLR，改變IN單元的值，再次執(zhí)行機器程序，從OUT單元顯示的數(shù)判別程序執(zhí)行是否正 確。(2)實驗結果五、實驗中出現(xiàn)的問題和解決方法問題1：接線問題解決方法：本試驗我自認為是這三個實驗里連線最復雜的一個，因為開始的時候 小組其他的兩個同學連的線，后來實驗執(zhí)行不成功，所以我們又檢查了一下連線，