9.1簡(jiǎn)單運(yùn)算單元電路的設(shè)計(jì)

9.1.1設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求基本功能：要求設(shè)計(jì)一個(gè)具有4位二進(jìn)制加法和減法運(yùn)算的電路。用一個(gè)控制端M來控制運(yùn)算方式，M=0時(shí)，進(jìn)行加法運(yùn)算；M=1時(shí)，進(jìn)行減法運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)果的絕對(duì)值小于等于15，運(yùn)算結(jié)果的正負(fù)用一個(gè)符號(hào)輸出標(biāo)志位SF來表示，SF=0，表示運(yùn)算結(jié)果為正，SF=1，表示運(yùn)算結(jié)果為負(fù)。附加功能：要求運(yùn)算的結(jié)果分別存放在2個(gè)寄存器R1、R2中。S=A+B，結(jié)果存放在R1中；S=A?B，結(jié)果存放在R2中。9.1.2基本功能設(shè)計(jì)加減運(yùn)算可以用4位二進(jìn)制加法器74283來進(jìn)行。下一頁返回9.1簡(jiǎn)單運(yùn)算單元電路的設(shè)計(jì)兩個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)加法運(yùn)算S3S2S1S0=a3a2a1a0+b3b2b1b0，可以直接用74283來完成，和為正，所以符號(hào)SF為0。減法運(yùn)算可以看成是一個(gè)正數(shù)和一個(gè)負(fù)數(shù)相加。兩個(gè)4位二進(jìn)制減法運(yùn)算S3S2S1S0=a3a2a1a0?b3b2b1b0=a3a2a1a0+(?b3b2b1b0)。負(fù)數(shù)可以用補(bǔ)碼形式表示，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼可以用原碼除符號(hào)位外求反加1來產(chǎn)生，加1可以用74283的低位進(jìn)位為1來實(shí)現(xiàn)。結(jié)果為正時(shí)，符號(hào)SF=0；結(jié)果為負(fù)時(shí)，符號(hào)SF=1。M=0時(shí)，b3b2b1b0不變；M=1時(shí)，b3b2b1b0需要求反加1。滿足這樣的要求，可以用M和b3b2b1b0進(jìn)行異或運(yùn)算、低位進(jìn)位接M來實(shí)現(xiàn)。上一頁下一頁返回9.1簡(jiǎn)單運(yùn)算單元電路的設(shè)計(jì)M=0時(shí)，SF=0。M=1時(shí)，進(jìn)行補(bǔ)碼加法運(yùn)算，高位進(jìn)位位CO=0時(shí)，符號(hào)位沒溢出，運(yùn)算結(jié)果為負(fù)數(shù)，SF=1；CO=1時(shí)，符號(hào)位溢出，運(yùn)算結(jié)果是正數(shù)，SF=0。上面描述可以用SF=M⊕CO表示，即SF可以用CO和M的異或來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)基本功能的運(yùn)算電路如圖9?1?1所示。9.1.3附加功能設(shè)計(jì)可以采用雙向移位寄存器74194來存放數(shù)據(jù)，要求74194處于并行輸入工作方式，即控制變量S1S0=11且工作脈沖（CP）有效。計(jì)算結(jié)果是送入R1或者R2，則可以由M通過對(duì)兩個(gè)寄存器的時(shí)鐘控制來實(shí)上一頁下一頁返回9.1簡(jiǎn)單運(yùn)算單元電路的設(shè)計(jì)現(xiàn)。M=0時(shí)，非門和與非門使R1的時(shí)鐘保存暢通；M=1時(shí)，與非門使R2的時(shí)鐘保存暢通，這樣來保證S送入相應(yīng)的寄存器。寄存器時(shí)鐘控制電路如圖9?1?2所示。寄存器初始值輸入的是a3a2a1a0、b3b2b1b0的值，但當(dāng)要求存放計(jì)算結(jié)果時(shí)，則寄存器輸入端應(yīng)該和S3S2S1S0進(jìn)行連接，而與a3a2a1a0、b3b2b1b0斷開。這可以用傳輸門來實(shí)現(xiàn)，用K來控制相應(yīng)的傳輸門。圖9?1?3為1位數(shù)據(jù)的控制電路，K=0時(shí)，TG1、TG3導(dǎo)通，a送入寄存器R1，b送入寄存器R2，即存放初值；K=1時(shí)，TG2、TG4導(dǎo)通，S送入寄存器R1或者R2。上一頁下一頁返回9.1簡(jiǎn)單運(yùn)算單元電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單運(yùn)算電路如圖9?1?4所示。電路中，K是數(shù)據(jù)傳送方式控制鍵，K=0時(shí)，電路把要運(yùn)算數(shù)據(jù)分別送入寄存器，即存放初值；K=1時(shí)，將運(yùn)算結(jié)果送入寄存器，即保存結(jié)果。M是運(yùn)算方式控制鍵，M=0時(shí)，進(jìn)行加法運(yùn)算，并且把運(yùn)算結(jié)果保存到R1中；M=1時(shí)，進(jìn)行減法運(yùn)算，并且把運(yùn)算結(jié)果保存到R2中。上一頁返回9.2一個(gè)商售ALU芯片電路的分析9.2.1一個(gè)4位ALU芯片SN74181電路算術(shù)運(yùn)算單元可以根據(jù)計(jì)算機(jī)的功能要求有多種不同的設(shè)計(jì)方案。最簡(jiǎn)單的ALU可以實(shí)現(xiàn)基本的算術(shù)運(yùn)算，例如加減法，以及基本的邏輯操作與、或、非。比較復(fù)雜的操作如乘法、除法、浮點(diǎn)操作等可以采用軟件（如匯編語言、微程序）或者專門的分處理機(jī)實(shí)現(xiàn)。高檔的ALU可以將某些復(fù)雜操作包含在它的基本算術(shù)邏輯操作集內(nèi)，直接用硬件來實(shí)現(xiàn)。一個(gè)4位ALU芯片SN74181電路如圖9?2?1所示。下一頁返回9.2一個(gè)商售ALU芯片電路的分析

9.2.24位ALU芯片SN74181的運(yùn)算分析從圖9?2?1所示電路左半部分可以看出，中間變量、是輸入變量A3A2A1A0、B3B2B1B0的函數(shù)，并且是由控制組合S3S2S1S0進(jìn)行控制的，其表達(dá)式見式（9?2?1）。S3S2S1S0控制下的中間變量的運(yùn)算關(guān)系見表9?2?1。上一頁下一頁返回9.2一個(gè)商售ALU芯片電路的分析

而輸出變量F等則是受M控制的。當(dāng)M=1時(shí)，此時(shí)SN74181可以完成的運(yùn)算如表9?2?2所示。下面我們來分析M=0時(shí)，SN74181執(zhí)行哪些算術(shù)運(yùn)算?？梢钥闯觯珹LU執(zhí)行的算術(shù)操作的普遍式是：作為特殊情形，當(dāng)Xi=Ai+Bi，Yi=Ai·Bi時(shí)，F(xiàn)i=Xi⊕Yi⊕Ci-1，相當(dāng)于全加器中和的運(yùn)算。而對(duì)于其他的式子，執(zhí)行的算術(shù)操作是不相同的。運(yùn)算關(guān)系如表9?2?3所示。上一頁下一頁返回9.2一個(gè)商售ALU芯片電路的分析

可以看出M=0時(shí)的16個(gè)算術(shù)操作并不是都有意義的。只有一些操作是有用的。如：S3S2S1S0=0001，F(xiàn)=A+B+C-1，加法運(yùn)算；S3S2S1S0=0010，F(xiàn)=A+B+C-1，+C-1相當(dāng)于+1，F(xiàn)=A?B?，減法運(yùn)算；S3S2S1S0=1111，F(xiàn)=A+1…+C-1，減值操作；S3S2S1S0=0011，F(xiàn)=1…1+C-1，常數(shù)0或?1；S3S2S1S0=1100，F(xiàn)=A+A…+C-1，算術(shù)左移操作。除SN74181外，還可以根據(jù)用戶指定的函數(shù)表設(shè)計(jì)用戶定制型ALU。也可以利用加法器的加法和傳輸功能（一個(gè)加數(shù)為0時(shí)），使用外接門的方法設(shè)計(jì)不同的ALU。本節(jié)不多做討論。上一頁返回9.3簡(jiǎn)易自動(dòng)售貨機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)9.3.1設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求設(shè)計(jì)制作一個(gè)簡(jiǎn)易的可樂自動(dòng)售貨機(jī)，要求如下：（1）每次投入一個(gè)1、2、5、10元四種貨幣之一，可以用4個(gè)按鍵代表不同面額的鈔票；（2）對(duì)投入鈔票值進(jìn)行累加運(yùn)算；（3）鈔票總值達(dá)到或超過8元時(shí)可以輸出一瓶可樂，同時(shí)找回多出的零錢。輸出的可樂和找零可以用不同的LED燈表示；（4）有復(fù)位功能。擴(kuò)展功能：（1）顯示累加金額；（2）其他能想到的功能。下一頁返回9.3簡(jiǎn)易自動(dòng)售貨機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)9.3.2基本功能設(shè)計(jì)基本功能模塊劃分如圖9?3?1所示。輸入電路：將輸入幣值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二進(jìn)制編碼形式，可以通過設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的編碼電路來進(jìn)行。投入1、2、5、10元的四種貨幣分別用I1、I2、I5、I10來表示，投幣時(shí)，輸入端有一個(gè)高電平脈沖產(chǎn)生。輸出的二進(jìn)制編碼用B3B2B1B0表示。輸入編碼電路如圖9-3-2所示。由表9?3?1可以得到簡(jiǎn)化表達(dá)式（9?3?1）：上一頁下一頁返回9.3簡(jiǎn)易自動(dòng)售貨機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)編碼電路可以用門電路實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)電路如圖9?3?2所示。運(yùn)算電路：對(duì)每一次輸入做累加運(yùn)算，每當(dāng)有投幣信號(hào)到達(dá)時(shí)，將輸入的錢數(shù)與寄存器中原有的錢數(shù)相加，并且將運(yùn)算結(jié)果存入寄存器?？梢圆捎?位超前進(jìn)位加法器74283和4位寄存器74175組成運(yùn)算電路。運(yùn)算電路如圖9?3?3所示。控制電路：復(fù)位電路、寄存器時(shí)鐘控制電路。復(fù)位電路可以用按鈕開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。在討論觸發(fā)器的特性時(shí)曾指出，為了保證觸發(fā)器可靠地翻轉(zhuǎn)，輸入信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)在時(shí)間上的配合應(yīng)滿足一定的要求。寄存器時(shí)鐘控制電路可以采用反映有輸入信號(hào)的或門及延時(shí)環(huán)節(jié)構(gòu)成。實(shí)際電路還要考慮存儲(chǔ)電路的競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)問題，可以用電容來克服。時(shí)鐘控制電路如圖9?3?4所示。上一頁下一頁返回9.3簡(jiǎn)易自動(dòng)售貨機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)輸出電路：當(dāng)寄存器中的數(shù)值大于或等于8時(shí)，輸出可樂和找零。輸出可樂用YL表示，找1元時(shí)用Y1表示，找2元時(shí)用Y2表示。通過設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的譯碼電路完成此功能。顯示模塊電路顯示投入貨幣總額，通過設(shè)計(jì)顯示譯碼電路構(gòu)成。提示聲表示有可樂售出。譯碼電路可以用門電路實(shí)現(xiàn)。輸出控制譯碼簡(jiǎn)化真值表如表9?3?2所示。上一頁下一頁返回9.3簡(jiǎn)易自動(dòng)售貨機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電路如圖9?3?5所示。9.3.3附加功能設(shè)計(jì)用寄存器的輸出Q3Q2Q1Q0作為輸入，編制一個(gè)簡(jiǎn)單的譯碼器，與顯示譯碼器、數(shù)碼管一起來顯示輸入錢幣的總值。Q3Q2Q1Q0的值從0000～1001時(shí)，數(shù)碼管個(gè)位顯示相應(yīng)的數(shù)字。當(dāng)Q3Q2Q1Q0=1010時(shí)，數(shù)碼管的十位顯示1，個(gè)位顯示0，可以用圖9?3?6電路來表示。圖9?3?6中D20表示數(shù)碼管十位的低位端，其他3個(gè)高位端接地，D13D12D11D10表示個(gè)位數(shù)碼管的輸入數(shù)據(jù)。簡(jiǎn)單可樂售貨機(jī)電路如圖9?3?7所示。上一頁返回9.4汽車尾部轉(zhuǎn)向指示燈控制電路的設(shè)計(jì)9.4.1設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求設(shè)計(jì)一個(gè)汽車尾部轉(zhuǎn)向指示燈控制電路，對(duì)汽車運(yùn)行時(shí)尾部轉(zhuǎn)向指示燈狀態(tài)進(jìn)行控制。要求汽車尾部左右各有4個(gè)轉(zhuǎn)向指示燈，根據(jù)汽車運(yùn)行情況，顯示如下4種模式：（1）正常行駛時(shí)，所有尾部轉(zhuǎn)向指示燈全部熄滅；（2）需左轉(zhuǎn)行駛時(shí)，左側(cè)4個(gè)尾部轉(zhuǎn)向指示燈按左循環(huán)形式依次點(diǎn)亮；（3）需右轉(zhuǎn)行駛時(shí)，右側(cè)4個(gè)尾部轉(zhuǎn)向指示燈按右循環(huán)形式依次點(diǎn)亮；（4）需危險(xiǎn)報(bào)警時(shí)，所有尾部轉(zhuǎn)向指示燈同時(shí)處于閃爍狀態(tài)。下一頁返回9.4汽車尾部轉(zhuǎn)向指示燈控制電路的設(shè)計(jì)

9.4.2功能電路設(shè)計(jì)指示燈的4種顯示模式，用控制開關(guān)Ji（i=1，2，3，4）進(jìn)行控制。這4個(gè)變量控制下的工作模式如表9?4?1所示。1.轉(zhuǎn)向控制首先不論左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)，都要求4個(gè)轉(zhuǎn)向指示燈依次點(diǎn)亮。這就需要一個(gè)四進(jìn)制計(jì)數(shù)器的4個(gè)狀態(tài)來控制4個(gè)轉(zhuǎn)向指示燈的依次點(diǎn)亮。這可以選用一個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74160和一個(gè)3?8線譯碼器74138來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)電路如圖9?4?1所示。上一頁下一頁返回9.4汽車尾部轉(zhuǎn)向指示燈控制電路的設(shè)計(jì)

假設(shè)SA=1，從圖9?4?1可以看出，左轉(zhuǎn)向時(shí)，J2=0，J3=1，A2=0，74160的低2位QBQA來控制74138的低2位地址A1A0；右轉(zhuǎn)向時(shí)，J2=1，J3=0，A2=1，74160的低2位QBQA來控制74138的低2位地址A1A0。當(dāng)74160在一定頻率的時(shí)鐘CP控制下，74138的地址變換和輸出的值見表9?4?2。從表9?4?2可以看出，要求=0時(shí)，對(duì)應(yīng)的燈點(diǎn)亮，=1時(shí)，對(duì)應(yīng)的燈熄滅。通過非門與指示燈進(jìn)行相應(yīng)的連接即可完成左、右側(cè)指示燈循環(huán)點(diǎn)亮。上一頁下一頁返回9.4汽車尾部轉(zhuǎn)向指示燈控制電路的設(shè)計(jì)

按左轉(zhuǎn)向時(shí)左側(cè)指示燈左循環(huán)依次點(diǎn)亮的要求，可以用控制指示燈X1，控制指示燈X2，控制指示燈X3，控制指示燈X4，這樣就可以實(shí)現(xiàn)左側(cè)指示燈左循環(huán)依次點(diǎn)亮。右轉(zhuǎn)向時(shí)右側(cè)指示燈右循環(huán)依次點(diǎn)亮，可以用控制指示燈X5，控制指示燈X6，控制指示燈X7，控制指示燈X8，這樣就可以實(shí)現(xiàn)右側(cè)指示燈右循環(huán)依次點(diǎn)亮。2.正常行駛控制要求正常行駛時(shí)，所有的轉(zhuǎn)向指示燈熄滅。按照上面描述，即要求所有的=1。而74138的所有輸出為1，可以通過控制74138的SA來實(shí)現(xiàn)。上一頁下一頁返回9.4汽車尾部轉(zhuǎn)向指示燈控制電路的設(shè)計(jì)

正常行駛時(shí)，當(dāng)SA=0時(shí)，可以使得74138的8個(gè)輸出=11111111，達(dá)到8個(gè)指示燈全部熄滅。正常行駛時(shí)，開關(guān)J1=J2=J3=1，SA=0；有左轉(zhuǎn)向、右轉(zhuǎn)向需求時(shí)，SA=1。所以，SA的控制電路如圖9?4?2所示。3.危險(xiǎn)報(bào)警控制有危險(xiǎn)報(bào)警時(shí)，要求8個(gè)指示燈同時(shí)閃爍。即要求=11111111與=00000000交替出現(xiàn)。這個(gè)閃爍可以由時(shí)鐘CP脈沖進(jìn)行控制。上一頁下一頁返回9.4汽車尾部轉(zhuǎn)向指示燈控制電路的設(shè)計(jì)

SA=1時(shí)，=11111111。危險(xiǎn)報(bào)警指示燈閃爍控制電路如圖9?4?3所示。危險(xiǎn)報(bào)警時(shí)，J4=0，=1，與非門G2的輸出為CP，與非門G3的輸出為CP，指示燈按CP脈沖的頻率閃爍。無報(bào)警時(shí)，J4=1，G2輸出J4+=1，對(duì)指示燈的亮