【计算机组成原理实验】实验一 运算部件实验_加法器及计算机性能指标
实验指导书原文：
1.3、实验步骤
1、先连接USB线，也是电源。（切记：不能带电插拔USB，否则会损坏实验设备）
2、打开QuartusàtoolsàprogrammeràAddFile，将adder8.sof（在C盘的“计算机组织与结构源码”文件夹里面，不清楚问老师）下载到FPGA中。
3、在实验台上通过模式开关选择REGSEL=0、M[2:0]=“上(1)、上(1)、上(1)”、FDSEL=0。
4、除了模式选择开关外，请把其它所有开关初始状态全部置为0。
1.4、观察实验现象并记录相应数据
本实验实现8位数相加I+II=sum（CarryOut）。
输入输出的规则对应如下：
- 输入的8位操作数I7~I0对应开关SD15~SD8；
- 输入的8位操作数II7~II0对应开关SD7~SD0；
- 最低位进位Cin对应开关SA0；
- 和sum7~sum0对用灯A7~A0，最高位进位CarryOut对应等A8。
如（00000000）+（11111111）=（11111111），CarryOut=0。
- 波动开关SD15~SD8输入8位操作数I（I7~I0）00000000，SD7~SD0输入8位操作数II（II7~II0）11111111，SA0输入Cin（）；
- 观察和sum（灯A7~A0），CarryOut（灯A8）。同理实验表1. 3中的数据，并把sum和CarryOut记录到表1.3对应的表格里（此处是第1张表，二进制记录，记录机器算的结果），并手工计算（要求熟练掌握原码、反码、补码算法，负数的表示和计算方法），校验机器计算的结果是否正确？
表1.3 8位加法器实验（注意操作数全都是补码）
对上面表格的数据进行分析，分两种情况（请熟练手工计算）：
- 一是如果把上面数据看成是有符号数，结果是多少？请在表格里面把输入操作数和结果以十进制（方便计算，直观感受）表示出来（另画一张类似的表格，此处是第2张表，十进制记录，记录手工计算结果）；注意计算机里面负数的表示方法及补码运算方法。
- 二是如果把上面数据看成无符号数，结果又是多少？请在表格里面把输入操作数和结果以十进制表示出来（另外一张类似的表格另画一张类似的表格，此处是第3张表，十进制记录，记录手工计算结果）。
注意分析：特别是有符号数运算的时候，怎样看待CarryOut的结果，CarryOut=1就是真溢出？怎样判断真假溢出？请分析并记录，然后写在报告里面。
1.5、计算机性能指标
1、查阅资料，掌握计算机性能指标有哪些？
2、根据计算机性能指标选择性价比高的计算机。
分别为要求价格在3000、5000、8000左右的客户选择购买性价比高的计算机。
3、平常购买计算机除了上面提到的性能指标外，我们通常还会考虑哪些因素？
1.7、思考题
1、根据8位数据位加法器原理，考虑16、32、64位数据位的加法是怎样完成的？
实操注意
我们学校的硬件长这样：
区域1对应的就是实验步骤1.3，选择REGSEL=0、M[2:0]=“上(1)、上(1)、上(1)”、FDSEL=0都在这里进行。
区域2对应的就是实验步骤1.4，8位二进制数相加的结果，左边8个事一个数，右边8个是另一个数。我标的2这个数的正上方（框内）就是SA0，结果就是加1，模拟的是全加器的进位提示（但是笔者没学懂全加器也不知道是啥意思）。
区域3对应的就是显示结果。最上一排是最终结果，同实验报告书
左边只需要看A8，如果亮了表示进位；右边的8个数就是相加得出的结果。
其他区域尚未探索，我目前也不知道是什么。
实验报告
实验结果
表 1
| 操作数I | 操作数II | Cin | Sum | CarryOut |
| 1011 1111 | 0100 1111 | 0 | 0000 1110 | 1 |
| 1010 1010 | 1010 1010 | 1 | 0101 0101 | 1 |
| 1111 0000 | 0000 1111 | 0 | 1111 1111 | 0 |
| 1111 1111 | 1111 1111 | 1 | 1111 1111 | 1 |
根据计算得出：
表 2
| 操作数I | 操作数II | Cin | Sum | CarryOut | 是否溢出 |
| 1011 1111(-65) | 0100 1111(79) | 0 | 0000 1110(14) | 1 | 无 |
| 1010 1010(-86) | 1010 1010(-86) | 1 | 0101 0101(85) | 1 | 有 |
| 1111 0000(-16) | 0000 1111(15) | 0 | 1111 1111(-1) | 0 | 无 |
| 1111 1111(-1) | 1111 1111(-1) | 1 | 1111 1111(-1) | 1 | 无 |
根据计算得出：
表 3
| 操作数I | 操作数II | Cin | Sum | CarryOut | 是否溢出 |
| 1011 1111(191) | 0100 1111(79) | 0 | 0000 1110(14) | 1 | 有 |
| 1010 1010(170) | 1010 1010(170) | 1 | 0101 0101(85) | 1 | 有 |
| 1111 0000(240) | 0000 1111(15) | 0 | 1111 1111(255) | 0 | 无 |
| 1111 1111(255) | 1111 1111(255) | 1 | 1111 1111(255) | 1 | 有 |
思考题
分析：特别是有符号数运算的时候，怎样看待CarryOut的结果，CarryOut=1就是真溢出？怎样判断真假溢出？请分析并记录，然后写在报告里面。
答：在有符号数加法中，CarryOut=1并不代表一定发生了溢出。
因为CarryOut仅仅表示最高位（符号位）产生了进位或借位，而有符号数溢出的本质是结果符号异常，具体来说，有符号加法真假溢出的判断标准是，如果两个操作数符号相同（都为正，或都为负），但结果符号与它们不同，那么发生了真正的溢出；如果两个操作数符号不同，不管结果怎样，都不会发生有符号溢出。
因此判断溢出要看符号位的变化，而不是单纯看CarryOut。
思考题：根据8位数据位加法器原理，考虑16、32、64位数据位的加法是怎样完成的？
答：8位加法器原理推广到更高位（16位、32位、64位）加法的方法：
高位加法器是由低位加法器级联组成的。
具体方法是：低位的CarryOut作为高一位加法器的CarryIn输入，逐级传递，形成进位链。
每一级加法器只负责自己的8位、16位或32位数据块，Carry信号负责在各块之间传递。
比如：
16位加法 = 两个8位加法器级联（低8位+高8位，Carry连接）
32位加法 = 四个8位加法器级联
64位加法 = 八个8位加法器级联
为了提高速度，现代处理器中还会用快速进位技术，提前预测进位，从而并行运算，减少加法延迟。
简要流程：
低位部分加法，得到Sum低位和CarryOut。
高位部分加法，把低位CarryOut作为高位的CarryIn。
依此类推，最终得到全位宽Sum和最高位的CarryOut。