计算机组成与体系结构培训课程设计方案

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1、 目录（一）课设任务概述21.1课设目的21.2 课设任务2（二）课设容32.1指令的执行流程32.2存储器62.3设计计算机运算器72.4计算机的硬件系统8（三）个人总结10（四）参考文献10（五）致11（一）课设任务概述1.1课设目的通过课设，掌握计算机系统软硬件维护的方法，并能利用所学知识，完成课设容。1.2 课设任务（1）参考给出的或者课本上的计算机的硬件（应有中断功能）组成，写出完成下面给定的指令格式的指令的执行流程；（2）某机器中，已知配有一个地址空间为0000H-3FFFH的ROM区域。现在再用一个RAM芯片（8K*8）形成40K*16位的RAM区域，起始地址为6000H。假设R

2、AM芯片有CS和WE信号控制端。CPU的地址总线为A15-A0，数据总线为D15-D0，控制信号为R/W（读/写），MREQ（访存），要求：（1）画出主存地址框图。（2）画出组成连接框图。（3）设计计算机运算器（包括逻辑框图与指令系统，以与各指令的微程序流程图）（4）了解计算机的硬件系统。就计算机的某些硬件组成部分，说明对其认识。（5）简单的类MIPS多周期流水线处理器的实现实验。（二）课设容2.1指令的执行流程2.1.1参考给出的或者课本上的计算机的硬件（应有中断功能）组成，写出完成下面给定的指令格式的指令的执行流程；（1）寄存器容完成“异或”运算“异或” 指令的指令格式DR:目标寄存器 S

3、R：源寄存器 操作码 DR SRPC-ARXRL DR，SRM-DRDR-IR译码DR-YSR-XXY-DR（2）把一个存单元中的容读到所选择的一个累加器中。操作码DR SR(3) OUT addr 0011 0000 addr BUSABUS-I/O译码启动PC-AR-ABUSDBUS-DR-IRPC+1-PCIR-DR-AR-ABUS2.2存储器某机器中，已知配有一个地址空间为0000H-3FFFH的ROM区域。现在再用一个RAM芯片(8K8)形成40K16位的RAM区域，起始地址为6000H,假定RAM芯片有和信号控制端。CPU的地址总线为A15-A0，数据总线为D15-D0，控制信号为

4、R/(读/写)， (访存)，要求：（1） 画出地址译码方案。（2） 将ROM与RAM同CPU连接。依题意，主存地址空间分布如右图所示，可选用2片 (16K8位)的EPROM作为ROM区；10片的8K8位RAM片组成40K16位的RAM区。(16K8位)的EPROM需14位片地址，而(8K8)RAM需13位片地址，故可用A15-A13三位高地址经译码产生片选信号,方案如下:2.3设计计算机运算器指令助记符位23222120191817161514131211109876543210指令码（十六进制）信号S3S2S1S0CnMX1X0OICLCPSCGOTLPOBGIP+1DRMLDWCRCRR读

5、WR写有效电平*011*000001000001取指微指令000000001000101101101010008B6AADDA0000000010000010110011100082BE110001111010100111001101C7A9CD000000001000101001101011008A6ASUBA,B0000000010000010110011100082BE0110111110101100110011016FACCD000000001000101001101011008A6A（1）ADD指令执行流程：（1）取指PC-AR 将PC容传给ARAR-M 找到对应存地址M-DR 进入

6、缓冲寄存器PC+I-PC PC容加I形成下条指令地址，I为指令长度DR-IR 传送入指令寄存器（2）执行A-Y 将A中的数据传送到寄存器Y中addr+Y-Z addr中数据与Y 中数据加载至ALU做加法，结果暂存于Z中Z-A 将暂存器Z的容传送到A中（2）SUB指令执行流程：（1）取指PC-AR 将PC容传给ARAR-M 找到对应存地址M-DR 进入缓冲寄存器PC+I-PC PC容加I形成下条指令地址，I为指令长度DR-IR 传送入指令寄存器（2）执行IR-AR 将指令寄存器中的容送入地址寄存器AR-M 找到对应存地址M-DR 进入缓冲寄存器DR-AR 将缓冲寄存器中的容送入地址寄存器AR-M

7、 找到对应存地址M-DR 进入缓冲寄存器R0-Y 将R0的容送入暂存器Y中Y-DR-Z 暂存器Y的值减去缓冲寄存器的值后存入Z暂存器Z-R0 将Z中的容送入R0中2.4计算机的硬件系统了解计算机的硬件系统。就计算机的某些硬件组成部分，说明对其认识。构成计算机的硬件系统通常有“五大件”组成：输入设备、输出设备、存储器、运算器和控制器。计算机的输入输出（I/O）设备是计算机从外部世界接收信息并反馈结果的手段，统称为I/O设备或外围设备。各种人机交互操作，程序和数据输入，计算结果或中间结果的输出，被控对象的检测和控制等，都必须通过外围设备才能实现。（1） 输入设备输入设备用于原始数据和程序的输入，能

8、将人们熟悉的信息形式变换成计算机能接受的并识别的人二进制信息形式。理想的计算机输入设备应该是“会看”和“会听”的，即能把人们用文字或语言所表达的问题直接送到计算机部进行处理。目前常用的输入设备是键盘，鼠标器，扫描仪等，以与用文字识别，图像识别，语音识别的设备。（2） 输出设备输出设备将计算机输出的处理结果信息，转换成人类或其他设备能够接受和识别的信息形式（如字符，文字，图形，图像和声音）。理想的输出设备应该是“会写”和“会讲”的。“会写”已经做到，如目前广为使用的激光打印机，绘图仪，CRT/LCD显示器等，这些设备不仅能输出文字信号，而且还能画出图形。至于“会讲”即输出语言设备，目前已有初级的

9、语音合成产品问世。（3） 控制器控制器是计算机的管理机构和指挥中心，它按照预先确定的操作步骤，协调控制计算机各部件有条不紊地自动工作。控制器工作的实质就是解释程序，它每次从存储器读取一条指令，经过分析译码，产生一系列操纵计算机其他部分工作的控制信号（操作命令），发想各个部件，控制各部件动作，是整个机器连续，有条不紊地运行。高级计算机中的控制器可以改变某些指令的顺序，以改善性能。对所有CPU而言，一个共同的关键部件是程序计数器，它是一个特殊的寄存器，记录着将要读取的下一条指令的存储器中的位置。（4） 运算器运算器是一个用于信息加工的部件，用于对数据进行算术运算和逻辑运算。运算器通常是由算术逻辑单

10、元（Arithmetic Logic Unit,ALU)和一系列寄存器组成，其中ALU是具体完成算术与逻辑的运算单元，是运算器的核心，由加法器和其他逻辑单元组成。寄存器用于存放参与运算的操作数。累加器是一个特殊的寄存器，除了存放操作数之外，还用于存放中间结果和最后结果。特定的ALU所支持的算术运算，可能仅局限于加法和减法，也可能包括乘法，除法，甚至三角函数的平方根。有些ALU只支持整数，而其它ALU则可以使用浮点来表示有限精度的实数。但是，能够执行最简单运算的任何计算机，都可以通过编程，把复杂的运算分解成它可以执行的简单步骤。所以，任何计算机都可以通过编程拉执行任何的算术运算，如果其ALU不能

11、从硬件上直接支持，则运算则从软件方式实现，但花费较多的时间。逻辑运算包括与（AND），或（OR），异或（XOR）等布尔运算，对于创建复杂的条件语句和处理布尔逻辑而言都是有用的。 ALU还可以比较数值，并根据比较结果（如是否相等，大于或小于）来返回一个布尔值：真（TURE）和假（FALSE）。（5） 存储器存储器的主要功能是存放数据和程序。程序是计算机的操作依据。数据时计算机的操作对象，不管是程序还是数据，在存储器中都是用二进制数的形式来表示的，统称为信息。向存储器存入或从存储器中读出信息，都称为存储器的访问。计算机存储器是由可以存放和读取数值的一系列单元组成的，每个存储器都有一个编号，称为“地

12、址”。向存储器中存数活存存储器中取数，都要按给定的地址寻找所选择的寻址单元，存储在存储器的信息可以表示任何东西，文字，数值甚至计算机指令都可以同样容易地存放到存储器中去。存储器是计算机中存储信息的部件，按照存储器在计算机中的作用，可以分为主存储器，寄存器，闪速存储器，高速缓冲存储器，辅助存储器等几种类型，他们均可以完成数据存取工作，但性能与其在计算机中的作用差别很大。 主存储器计算机主存储器（Main Memory，简称主存）通常采用半导体存储器，有两种主要类型：随机存储器（Random Access Memory，RAM）和只读存储器（ReadOnly Memory，ROM）。RAM可以按C

13、PU的命令进行读写，而ROM则事先加载了固化的数据和软件，CPU只能读取。一般情况下，当计算机电源关闭时，RAM的容被消除，而ROM则会保留其数据。ROM通常用来存储计算机的初始指令。在PC机中，通常包含一个固化在ROM中，称为BIOS的专用程序，当计算机开机或复位时，可以把计算机操作系统从硬盘加载到RAM中。在通常没有硬盘的嵌入式计算机中，执行任务所需的全部软件都可以存储在ROM中。 存储在ROM中的软件经常被称为固件（Firmware），因此他从外观上看更像硬件。 （6）寄存器 CPU部包含一组称为寄存器（Register）的特殊单元，其读写速度比贮存区域快得多。不同类型的CPU有二到一百

14、多个寄存器寄存器通常被认为使用最频繁饿数据项，以避免每次需要数据时都要访问主存。由于主存比ALU和控制器来得慢，减少主存访问需求可以大大加快计算机的速度。 闪速存储器闪速存储器（Flash Memory ,简称闪存）可以像ROM一样在关机时保留数据，但也可以像RAM一样可以被重写，从而模糊了ROM和RAM之间的界限。但是，闪存通常比常规的RAM和ROM慢得多，所以局限于不需要高速的应用场合。 高速缓冲存储器（cache）在现代计算机中，存在一个或多个比寄存器慢但比主存快的高速缓冲存储器（简称高速缓存）cache，它位于CPU和主存储器之间，规模较小但速度快，能够很好地解决CPU和主存之间的匹配

15、问题。通常，计算机能够自动地把需要频繁访问的数据移入cache，而无需任何人干预，当需要读写数据时，CPU首先访问cache，只有当cache中不包含所需数据时，才开始访问主存。 辅助存储器半导体存储器的存储容量毕竟有限，因此，计算机又配备了存储容量更大的磁盘存储器和光盘存储器，称为外存储器（简称外存）或辅助存储器（简称辅存），相对而言，半导体存储器称为存储器（简称存）。辅助存储器主要用于存放当前不在运行的程序和未用到的数据，其特点是存储容量大，成本低，并可以脱机保存信息。常用的辅助存储器有软盘存储器，硬盘存储器，光盘存储器等。（三）个人总结本周课程设计的主要容是进一步认识和了解计算机的硬件（

16、应有中断功能）组成，写出完成下面给定的指令格式的指令的执行流程和对主存器的扩展的考察、设计计算机运算器（包括逻辑框图与指令系统，以与各指令的微程序流程图）以与计算机的硬件系统，就计算机的某些硬件组成部分，说明对其认识。通过这次计算机组成原理与系统结构的课程设计，加深了我对计算机执行指令的理解。另一方面，让我对诺依曼的计算机存储结构有了更好的认识和了解，使自己更加深刻的复习和掌握了本学期所学习的知识。在实验过程中有很多不会的地方，最终通过自己的不断探索，以与老师和同学的帮助才完成了实验。（四）参考文献1 泽宇计算机组成与系统结构，2009：3001-5000（五）致这次实验，首先要感孟德老师，每次都能很好的解答我们的问题以与帮助我们克服各种学习中所遇到的困难；其次，要感我们组的每一位组员，在他们的帮助下，我们共同研究，更好的完成课程设计。10 / 10