本实验为哈尔滨工业大学计算机组成原理实验，实验内容均为个人完成，目的是分享交流，如有抄袭将追究责任，笔者能力有限，若因此影响读者的分数，本人深表抱歉。

 一、 实验目的

1. 了解运算器的组成结构
2. 基于数据通路图，观察并分析运算器的工作原理
3. 基于信号时序图，观测并分析运算器的工作原理

二、 实验预习

1.学习使用 TDX-CMX 实验台，然后回答下列问题。

实验台上“时序与操作台单元”中 KK1 功能是选择时序单元的工作状态，KK2 功能是选择时序单元的节拍信号，ST 功能是产生一个节拍信号；方波信号 300Hz、30Hz 和 3Hz 位于实验台的时序与操作台单元单元，ALU 位于实验台的 ALU&REG单元，数据输入位于实验台的 IN单元单元(我看指导书上写的ALU的输入是IN单元 但是不理解为啥输入AB寄存器要通过CON上的SD17等)，数据总线和地址总线位于实验台的系统总线单元。

•  注：CON单元那几个控制部件，是选择什么操作的(算数运算、移位运算、逻辑运算、LDA表示把存的数存入A寄存器中、LDB表示把数存入寄存器B中)
• CON右边是A和B的输入，从左到右依次是高位到低位
• 输入之前，一定要多按几下节拍器，这样才会通过时序逻辑将数据传输过去。
• FZ零标志位，FC进位标志位，要注意这两个的信息。

2.参看实验台运算器实现原理，填写括号处的部件名称或信号名称。

3.ALU 完成哪些基本的逻辑运算、算术运算和移位运算。

•  逻辑运算：

1. 取ＡＢ其中之一
2. ＡＢ按位或
3. ＡＢ按位与
4. Ａ取非

• 算术运算：

1. 加法运算、
2. 带进位的加法运算、
3. 减法运算、
4. 减一运算、
5. 加一运算。

• 移位运算：

1. Ａ不带进位循环右移Ｂ位
2. Ａ逻辑右移一位
3. A带进位循环右移一位
4. A逻辑左移一位
5. A带进位循环左移一位

 功能如图所示，要了解各种运算的硬件实现。

4.画出 4×4 阵列乘法器原理图，分析延迟与哪些因素有关？

影响因素:与乘数位数有关  与门电路延迟有关

分析:阵列乘法器的工作过程类似于人的手算乘法，FA(全加器）的斜线方向是进位输出，竖线方向是输入和输出，图中最后一行构成了一个串行加法器。由于FA一级是无需考虑进位的，他的进位被暂时保留下来不往前传递，因此同一级中任意一位FA加法器的进位输出和输出几乎是同时形成的，和“串行移位“相比可大大减少同级间的进位传递延迟，所以送往最后一行的串行加法输入与 门电路的级数有关 即与乘积位数有关，也与门电路的延迟有关。

5.简述 Quartus 环境下载 sof 文件到 FPGA 的操作流程。

从桌面上双击打开Quarts,导入文件点击file,openproject找到文件所在的路径安装路径/FPGA/Multiply/Multiply,导入后点击open programma;添加硬件，选择USB,点击左上角start,等待烧录成功。

（1）从桌面打开软件
（2）导入文件
（3）选择打开文件
（4）导入后双击program device
（5）点击Hardware setup添加硬件
（6）选择USB
（7）点击start烧录
（8）查看左上角烧录成功

三、 实验步骤及原始数据记录

本次实验包括基本运算器实验和阵列乘法器实验两部分。

外部PC机实现

1. 本机运行

• 把时序与操作台单元的“MODE”用短路块短接，使系统工作在四节拍模式，JP1（在 ALU&REG 单元）用短路块将 1、2 短接，按图 1 所示连接实验电路，并检查无误。图中将用户需要连接的信号用圆圈标明（其它实验相同）。

                                                         图 1 实验一接线图

• 将时序与操作台单元的开关 KK2 置为‘单拍’档，开关 KK1、KK3 置为‘运行’档。确认连线正确。
• 打开电源，如果听到有‘嘀’报警声，说明有总线竞争，应立即关闭电源，重新检查接线，直到错误排除。然后按动 CON 单元的 CLR 按钮，将运算器的 A、B 和 FC、FZ 清零。

                         连线如图所示，注意相同面的正反相同，否则会读数麻烦。

                                                        如图所示位ST位置 

 记录：

暂存器 A 的数据（二进制）：01 100 101

按动 2 次 ST 按钮后 ALU 中 A7~A0 中数据（二进制）：01 100 101

• 用输入开关向暂存器 B 置数

按动 2 次时序单元的 ST 按钮，产生 T1、T2 节拍后，拨动 CON 单元的 SD17…SD10 数据开关，形成二进制数 10100111（或其它数值）。置 LDA=0， LDB=1，按动 2 次ST 按钮产生 T3、T4 节拍，则将二进制数 10100111 置入暂存器 B 中，暂存器 B 的值通过 ALU 单元的 B7…B0 八位 LED 灯显示。

记录：

暂存器 B 输入数据（二进制）：10 100 111

按动 2 次 ST 按钮后 ALU 中 B7~B0 中数据（二进制）：10 100 111

改变运算器的功能设置，观察运算器的输出

      按动 2 次时序单元的 ST 按钮，产生 T1、T2 节拍后，置 ALU_B=0、 LDA=0、LDB=0， 然后按表 3 设置 S3、S2、S1、S0 和 Cn 的数值，并观察数据总线 LED 显示灯显示的结果。

     如置 S3、S2、S1、S0 为 1001，运算器作加法运算；置 S3、S2、S1、S0 为 0010，运算器作逻辑与运算。按动 2 次 ST 按钮产生 T3、T4 节拍，观察 FC、FZ 标志位变化。

•       当S3S2S1S0 = 1001，运算器做 加法运算，

     寄存器A内容01 100 101，寄存器B内容10 100 111

                              FC = 1          FZ =   0

•       当S3S2S1S0 = 0010，运算器做 逻辑与运算，

      寄存器A内容01 100 101，寄存器B内容10 100 111

                              FC = 1          FZ =   0

连接运行

环境的建立及操作的简单介绍

下图演示所需下载的软件，找到安装包并点击进行安装

 安装完以后,此电脑右键->属性->设备管理器(有些电脑打开设备管理器的方式不同，具体问题具体分析)->找到端口 就能看到是否连接USB接口

 安装TDX-CMX

 安装完以后打开发现 下位机已复位代表环境搭建成功

 点击右上角来介绍一下我们的门电路

 分为主存和微存，可以修改数据的值

 修改完之后点击，刷新指令数据区域，数据就完成了更新

 通过下拉可以实现不同的实验查看，对于本实验来说，选择运算器实验

 上图表示可以选择不同的时序方式控制查看程序，单拍运行、单周期运行、单机器指令运行、连续运行，当然也可以打开示波器，通过配合我们扩展单元的逻辑层

 点击运行就可以

 时序观测窗口可以选择我们想要观察的信号

 点击确定 就可以进行时序观测了

如果还有不明白的 就在实验的帮助菜单中 实验帮助 选择指导书 继续查询

操作

    如果实验箱和 PC 联机操作，则可通过软件中的数据通路图来观测实验结果，也可通过软件中的信号时序图来观测实验结果。

• 观测数据通路图

    打开 TDX-CMX 软件，选择联机软件的“【实验】—【运算器实验】”，打开运算器实验的数据通路图，如图 2 所示。

    操作方法同本机运行，每按动一次 ST 按钮，数据通路图会有数据的流动，反映当前运算器所做的操作，或在软件中选择“【调试】—【单节拍】”，其作用相当于将时序单元的状态开关 KK2 置为‘单拍’档后按动了一次 ST 按钮，数据通路图也会反映当前运算器所做的操作。

     重复上述操作，并完成表 3。然后改变 A、B 的值，验证 FC、FZ 的锁存功能。点击联机软件的 “【回放】—【保存…】” 按钮，可保存数据通路图的实验过程。

                                                                 表 2 记录运算结果

观测时序逻辑

     弹出时序观测窗，操作方法同本机运行，记录操作过程的时序图，时序图左侧标明信号的名称

四 阵列乘法器验证实验

实验步骤

烧录见上方实验预习

                                                                 上图为安装路径

• 根据上述阵列乘法器的原理，使用 Quartus 软件编辑相应的电路原理图并进行编译，其在 FPGA 芯片中对应的引脚如图 4 所示，框外文字表示连线标号，框内文字表示该引脚的含义（本实验例程见‘安装路径\\FPGA \\Multiply\\Multiply.qpf’工程）。

• 关闭实验系统电源，按图 5 连接实验电路，图中将用户需要连接的信号用圆圈标明。

思考题

1.本实验完成了 8 位加法器的设计，如何在实验台上实现 16 位加法运算？

可将十六位加法的低八位和高八位分为两组依次进行计算，首先进行低八位的加法计算，得到结果的低八位和一位进位，然后进行高八位加法运算，如果低八位的进位是0则得到十六位加法的高八位，如果低八位的进位是一则再将结果加一得到十六位加法的高八位。

2.试比较教材中无符号原码一位乘（4 位）与实验中阵列乘法器的时间延迟。

教材中的无符号原码一位乘(4位)需要进行四次加法和四次移位，每次都会有延迟。而阵列乘法器只有在四次进位时产生延迟。原码一位乘需要四次加运算四次右移运算设每次加法的延迟是2.5ty右移运算的延迟是txT1=10ty+4tx阵列乘法器前三行每行的延迟都是一位加法器的延迟2ty,最后一行的延迟是6ty，T2=3*2ty+3*2ty=12ty,因为右移运算的延迟显著大于一位加法运算，所以T1>T2。

3.思考题:将 A=01H 和 B=02H 进行逻辑与运算，观察运算器零标志 FZ 的时序，是否和进位标志

五.实验总结

本实验通过对底层硬件的操控和实践，了解了运算器的底层工作逻辑，并通过数据通路图和信号时序图，观察并分析运算器的工作原理 ，加强了对陌生软件的操作能力，同时，通过芯片的连接和管脚的辨别将理论付诸实际，增强了动手能力，同时将上课的理论知识转化为电路实现。通过对阵列乘法器的验证和实现，了解了对运算器进行优化的思路、方向，观察了乘法的结果，本次实验收获巨大。

六.操作注意事项

1. 实验箱上电后，等待设备就绪，端口会自动连接，如果初始化失败，按实验箱上的“复位”按钮。
2. 设备就绪后，进行登录。按学号、密码登录成功后，如果没有实验计划，请按“复位”，设置好端口后，重新登录。
3. 编辑实验报告单时，避免从word直接复制粘贴带有格式的文本，可以把答案保存在记事本txt上，进行复制粘贴，或者在报告编辑区手动输入。
4. 关于实验报告单中需要上传图片的题目，请准备低像素的图片，如果上传不成功，先完成其他内容，下次进行编辑。
5. 优先完成实验内容，如时序图上传、运算表格的编辑。实验报告可以后续从登录界面左上角功能中“查看历史实验报告”中进行编辑。