运算器电路设计

实验三  运算器（2）

1. 实验目的

（1）   熟练掌握算术逻辑单元（ALU）的应用方法；

（2）   进一步熟悉简单运算器的数据传送原理；

（3）   画出逻辑电路图及布出美观整齐的接线图；

（4）   熟练掌握有关数字元件的功能和使用方法。

（5）   熟练掌握子电路的创建及使用。

2. 实验原理

本实验仿真单总线结构的运算器，原理如图2-4所示。

电路图中，上右下三方的8条线模拟8位数据总线；K8产生所需数据；74244层次块为三态门电路，将部件与总线连接或断开，切记总线上只能有一个输入；两个74273层次块作为暂存工作寄存器DR1和DR2；两个74374层次块作为通用寄存器组（鉴于电路排列情况，只画出两个通用寄存器GR1和GR2，如果可能的话可设计4个或8个通用寄存器）；众多的开关作为控制电平或打入脉冲；众多的8段代码管显示相应位置的数据信息；核心为8位ALU层次块。

图2-4 单总线结构的运算器示意图

相应的电路可参考图2-8所示。

3. 实验内容

在Multisim画出电路图并仿真，完成如下操作。

（1）   说明整个电路工作原理。

（2）   说明74LS244N的功能及其在电路中作用，及输入信号G有何作用；

（3）   说明74LS273N的功能及其在电路中作用，及输入信号CLK有何作用；

（4）   说明74LS374N的功能及其在电路中作用，及输入信号CLK和OC有何作用；

（5）   K8产生任意数据存入通用寄存器GR1。

（6）   K8产生任意数据存入通用寄存器GR2。

（7）   完成GR1+GR2→GR1。

（8）   完成GR1-GR2→GR2。

（9）   完成GR1∧GR2→GR1。

（10）完成GR1∨GR2→GR2。

（11）完成GR1⊕GR2→GR1。

（12）~GR1→GR2。（“~”表示逻辑非运算）

（13）~GR2→GR1。

 

 

1：X1，是信号产生的作用，是由八个单刀双掷开关组成，获得电路中A和B的值。X2是负责控制K8产生的数据是否进入总线。X6，X3判断是否获得总线的数据传输，进而得到数值A和数值B的值，后面的两个显示器用来显示传输进来的结果，再通过数据锁存器保存得到AB的值。显示器用来显示数据锁存的结果。AB的值通过芯片ALU计算得到结果，再通过三态门传输到GR1或者GR2中。

 

2：74ls244,是一个三态门，主要控制总线的数据传输。本电路中是由两个74ls244合并而成，由两个四位的三态门合并成一个八位的三态门。输入信号G使能端，低电平有效。

 

3:74LS273是一个寄存器，负责锁存数值A和数值B。CLK在时钟沿到来时有效

 

4:74LS374是一个寄存器，负责从总线中获得数值A和数值B的数据。再通过总线传输给74LS273。

 

5：K8产生任意数据存入GR1中，X2，G为低电平；X6，X3为高电平；X10，OC为低电平，拨动CLK就能得到K8产生的数据存入CR1。X12为高电平。X9，OC为高电平，X11为高电平。理论结果：U5，U15，U13，U17，U25为零；U19，U1值结果一样，为K8产生的值。实际结果与理论结果一致。顺利存入到GR1中。

6：K8产生任意数据存入到GR2中，X2，X9控制端为低电平，X9时钟沿触发产生结果存入到GR2中。理论结果：U5，U6结果和U11，U12结果一致。

 

7：完成GR1加上GR2结果存入到GR1中，首先由K8依次产生数据A和数据B，数据A存入到GR1中，再通过总线传输到X8中获得结果A的值，数据B同理存入到X4中。之后，再由ALU计算出结果来，通过总线传输到GR1中。例如：2+11=13，即2+B=D【00000010+00001011=1101】12+7=19【00001100+00000111=00010011】，即C+7=13H

8：GR1-GR2->GR2；255-63=192；11111111-00111111=11000000；FF-3F=C0；

9：GR1与上GR2，结果存到GR2中。同理使ALU中M=1，S3 S2 S1 S0为1011；

10：GR1或上GR2，结果存到GR2中。使ALU中M=1，S3 S2 S1 S0为1110；

11：GR1异或GR2结果存到GR1。使ALU中M=1，S3 S2 S1 S0为0110；

12：GR1取非存到GR2中，使ALU中M=1,S3 S2 S1 S0为0000；

13：GR2取非存到GR1中，使ALU中M=1，S3 S2 S1 S0为0000；

 

 

 

总结：

本实验电路模拟了CPU的工作方式，总线中，始终只有一个信号在传输，保证数据的准确性。74LS244芯片使三态门总线驱动，控制总线传输的开关。74LS273使一个寄存器，用于数值的锁存，CLR为控制端，CLK为时钟使能端，时钟沿到来时方有效。74LS374由八个D触发器组成，CLK使时钟使能端，时钟沿到来时，方有效，OC为使能端。通过这次学习了解了电子设计的基础知识，对常用芯片加深了认识。