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计算机原理的课程设计报告

计算机组成原理课程设计报告

姓名：

殷亮

班级：

BX1009

学号：

指导老师：

赵孟德

二〇一二年5月31日

第一章课程设计任务概述1

1.1课设目的1

1.2课设任务1

第二章题目解答2

2.1指令的执行流程2

2.1.1“异或”指令2

2.1.2读取指令2

2.1.3“OUT”指令3

2.2存储器4

2.3计算机运算器5

2.4硬件系统7

2.4.1输入设备7

2.4.2输出设备8

2.4.3存储器8

2.4.4运算器9

2.4.5控制器9

2.5运算器的组成及设计9

第三章个人总结10

参考文献11

第一章课程设计任务概述

1.1课设目的

通过一星期的实训，我们要完成五个题目的任务。

通过这段时间的掌握，主要学习计算机基本构造以及微观操作。

对指令的内部的执行与设计有一个初步的掌握。

对计算机组成原理有更为深刻的了解。

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；

（1）累加器内容完成“异或”运算

“异或”指令的指令格式

操作码DRSR

（2）把一个内存单元中的内容读到所选择的一个累加器中。

操作码DRSR

（3）以下五条机器指令为选做题目，给出指令执行流程（选做要求：

（组号mod5）+1=红色题目编号）：

IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），其指令格式如下：

助记符机器指令码说明

①IN00000000“INPUTDEVICE”中的开关状态R0

②ADDaddr00010000××××R0+[addr]R0

③STAaddr00100000××××R0[addr]

④OUTaddr00110000××××[addr]BUS

⑤JMPaddr01000000××××addrPC

注释：

本小组为第六组，选做题目为2

2某机器中，已知配有一个地址空间为（0000—1FFF）16的ROM区域，现在用几个SRAM芯片（8K×8位）形成一个16K×16位的RAM区域，起始地址为2000H。

假设SRAM芯片有CS和WE控制端，CPU地址总线A15——A0，数据总线为D15——D0，控制信号为R/W（读/写），MREQ（当存储器读或写时，该信号指示地址总线上的地址是有效的）。

要求：

（1）满足已知条件的存储器，画出地址码方案。

（2）画出ROM与RAM同CPU连接图。

3设计计算机运算器（包括逻辑框图与指令系统，以及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运算器的组成及设计实验。

验证74181的功能，并且按指定数据完成算术运算。

（两组16位数相加：

AAAAH+5556H）

第二章题目解答

2.1指令的执行流程

指令的执行流程过程可以分为四部分：

读取指令、分析指令、按指令规定的内容执行指令、检查有无中断请求。

2.1.1“异或”指令

1.“异或”指令的指令格式:

操作码DRSR

DR:

目标寄存器（累加器）SR：

源寄存器

2.该指令执行流程:

PC->AR->ABUS

DBUS->DR->IR

PC+1

译码

IR->AR

AR->SR

SR->ALU

ALU->AC

2.1.2读取指令

1.把一个内存单元中的内容读到所选择的一个累加器中。

操作码DRSR

DR:

目标寄存器（累加器）SR：

源寄存器

2.该指令执行流程:

AR->ABUS

DBUS->AC

PC->AR->ABUS

DBUS->DR->IR

PC+1

IR->AR

2.1.3“ADD”指令

1.“ADD”指令的指令格式:

助记符机器指令码说明

ADDaddr00010000××××R0+[addr]R0

2.该指令执行流程:

AR->ABUS

DBUS-＞DR

DR->ALU

ALU->AC

2.2存储器

某机器中，已知配有一个地址空间为（0000—1FFF）16的ROM区域，现在用几个SRAM芯片（8K×8位）形成一个16K×16位的RAM区域，起始地址为2000H。

要求：

（1）满足已知条件的存储器，画出地址码方案。

（2）画出ROM与RAM同CPU连接图。

由于ROM区域的地址空间为（0000—1FFF）16，所以可以选用2片8K*8位的EPROM作为ROM区。

由题8K*8位的SRAM芯片扩展为16K*16位的RAM区域，需要（16K*16）/（8K*8）=4块芯片，并且需要同时位扩展和字扩展，即同时需要并联和串联。

ROM和RAM都需要13根地址总线（A0-A12），16根数据总线（D0-D15）。

用MREQ作为2:

4译码器的使能控制端，该信号低电平（有效）时，译码器工作。

CPU的R/W信号与SRAM的WE端连接，当R/W=1时存储器执行读操作，当R/W=0时执行写操作。

①地址码方案如下：

A13A14

4译码器

MREQ

Y0Y1Y2Y3

（Y0控制ROM,Y1控制RAM1,Y2控制RAM2）

②ROM与RAM同CPU连接图：

译码器

MREQ

A14

A13

A12

丨

R/W

D0-D7

D8-D15

RAM2

（8K*8）

RAM1

（8K*8）

ROM

（8K*8）

...

2.3计算机运算器

设计计算机运算器（包括逻辑框图与指令系统，以及各指令的微程序流程图）。

指令系统是指计算机系统所有指令的集合，微程序是指实现一条机器指令功能的微指令序列，微指令是指实现一定操作功能的一组微命令，微命令对应着相应的微操作。

这次课程设计我们参考老师给出的微指令格式设计了ADD和STA两条微指令。

①ADD:

Ai->R0

A->R1;

Ai+A->Ai;

将Ai和A从存储器中读出，进行加运算后将值赋给Ai，存到内存当中。

所以在ADD微指令中需要用到进位Cn、来自内存/输出到内存M、输出GI、P+1、读内存RC和写内存WC。

②STA:

R0->[addr];

将累加器或寄存器中的内容存到内存。

所以在STA微指令中需要用到来自内存/输出到内存M、输出GI、P+1、写内存WC和读寄存器RR。

下面是各微指令的微程序流程图以及ADD和STA的微指令：

对微指令格式当中各个缩写所代表含义的注释：

Cn：

进位

M：

输出到内存/来自内存

15-12：

对X1操作

11-8：

对X0操作

GI：

输出

P+1：

PC+1

DR：

数据缓冲寄存器

MLD：

指定目标寄存器

WC：

写存储器

RC：

读存储器

RR：

读寄存器

WR：

写寄存器

指令助记符

位

指令码

（十六进制）

信号

P+1

MLD

读

写

有效电平

取指微指令

008B6A

ADDAAi

0082BE

CFA9CC

008B6A

STAAi

0082BE

E50CCA

008B6A

2.4硬件系统

计算机硬件系统，是计算机硬件设备的总称，由输入设备、输出设备、存储器、运算器和控制器组成。

是计算机的主要硬件结构。

2.4.1输入设备

将数据、程序、文字符号、图象、声音等信息输送到计算机中。

常用的输入设备有，键盘、鼠标、数字化仪器、光笔、光电阅读器和图象扫描器以及各种传感器等。

键盘是最常用也是最主要的输入设备，通过键盘，可以将英文字母、数字、标点符号等输入到计算机中，从而向计算机发出命令、输入数据等。

“鼠标”的标准称呼应该是“鼠标器”，全称：

“橡胶球传动之光栅轮带发光二极管及光敏三极管之晶元脉冲信号转换器”或“红外线散射之光斑照射粒子带发光半导体及光电感应器之光源脉冲信号传感器”，它用来控制显示器所显示的指针光标（pointer）。

触摸屏（touchscreen）是一种覆盖了一层塑料的特殊显示屏，在塑料层后是互相交叉不可见的红外线光束。

用户通过手指触摸显示屏来选择菜单项。

触摸屏的特点是容易使用。

数字转换器（digitizer）是一种用来描绘或拷贝图画或照片的设备。

把需要拷贝的内容放置在数字化图形输入板上，然后通过一个连接计算机的特殊输入笔描绘这些内容。

随着输入笔在拷贝内容上的移动，计算机记录它在数字化图形输入板上的位置，当描绘完整个需要拷贝的内容后，图像能在显示器上显示或在打印机上打印或者存储在计算机系统上以便日后使用。

除此之外的输入设备，还有游戏杆、光笔、数码相机、数字摄像机、图像扫描仪、传真机、条形码阅读器、语音输入设备等。

2.4.2输出设备

输出设备的作用是将计算机的运算结果或者中间结果打印或显示出来。

常用的输出设备有：

显示器、打印机、绘图仪等。

显示器是通过“显示接口”及总线与主机连接，待显示的信息是从显示缓冲存储器送入显示器接口的，经显示器接口的转换，形成控制电子束位置和强弱的信号。

受控的电子束就会在荧光屏上描绘出能够区分出颜色不同、明暗层次的画面。

打印机（Printer）是计算机最基本的输出设备之一，它将计算机的处理结果打印在纸上。

绘图仪（plotter）能按照人们要求自动绘制图形的设备。

它可将计算机的输出信息以图形的形式输出。

主要可绘制各种管理图表和统计图、大地测量图、建筑设计图、电路布线图、各种机械图与计算机辅助设计图等。

2.4.3存储器

存储器将输入设备接收到的信息以二进制的数据形式存到存储器中。

存储器有两种，分别叫做内存储器和外存储器

微型计算机的内存储器是由半导体器件构成的。

从使用功能上分，有随机存储器（RandomAccessMemory，简称RAM），又称读写存储器；只读存储器（ReadOnlyMemory，简称为ROM）。

外存储器的种类很多，又称辅助存储器。

外存通常是磁性介质或光盘，像硬盘，软盘，磁带，CD等，能长期保存信息，并且不依赖于电来保存信息，但是由机械部件带动，速度与CPU相比就显得慢的多。

2.4.4运算器

运算器是完成各种算术运算和逻辑运算的装置，能进行加、减、乘、除等数学运算，也能作比较、判断、查找、逻辑运算等。

由算术逻辑单元（ALU）、指令寄存器、指令译码器、时序产生器、操作控制器组成。

2.4.5控制器

控制器是计算机的指挥中心,负责决定执行程序的顺序,给出执行指令时机器各部件需要的操作控制命令.

由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。

2.5运算器的组成及设计

1.实验原理

实验原理图如图2所示。

其中181的进位进入一个74锁存器，其写入是由T4和AR信号控制，T4是脉冲信号，实验时将T4连至“STATEUNIT”的微动开关KK2上。

AR是电平控制信号（低电平有效），可用于实现带进位控制实验，而T4脉冲是将本次运算的警卫结果锁存到进位锁存器中。

2.实验步骤

（1）将74181控制端线连接：

J6（k10）-J5（L10）,J6（k11）-J5（L11）,J6（k12）-J5（L12）

J22（k13）-J21（L13）,J22（k14）-J21（L14）,J22（k15）-J21（L15）

（2）将74181组间串行进位线连接，具体方法：

J24（SI0）-J27（S/P）,J25（SI0）-J31（S/P）,J29（SI0）-J26（S/P）

（3）将单脉冲1线连接：

J45（PUL1）-J33（Φ1/Φ1）

（4）将K11置1（使74181最低位没有进位输入）

（5）将K23-K16,K7-K0开关置成AAAAH（1010,1010,1010,1010）

（6）置函数开关K15-K10=S3S2S1S0CnM为101011（74181传送状态），结果显示灯L23-L16,L7-L0为1010，1010，1010，1010）

（7）按单脉冲S1按钮一次，将16位数AAAAh打入两片74377中保存

（8）再将K23-K16,K7-K0开关置成5556H（0101,0101,0101,0110）

（9）再置函数开关K15-K10=S3S2S1S0CnM为100110（74181加法状态）

（10）16位数相加结果为：

0000H,相加结果显示灯为：

L23-L16,L7-L0为0000，0000，0000，0000，同时74181组间串行进位灯：

LD=1LC=1LB=1LA=1

（11）如这时，K11开关置0，74181最低位有进位输入：

L23-L16,L7-L0为0000，0000，0000，0001，16位数相加结果为：

0001H

图2进位控制实验原理图

第三章个人总结

本次课程设计是计算机组成原理，虽然只有短短的一个星期，但在这一个星期里我学到了很多。

首先，我对计算机组成原理有了进一步的掌握。

基本掌握了执行过程、存储器、运算器、硬件系统、微程序、微指令等知识点。

研究了指令寄存器、地址寄存器、数据缓冲寄存器等计算机各个部件的功能。

但在完成这些题目的同时，我也发现了自己的很多问题。

比如很多的专业术语都没有听说过，只好在同学的帮助和网络的帮助下，勉勉强强完成了任务，我也知道了自己的很多不足，在往后的时间中还要继续研究。

第二，我知道了团队力量的重要性，有的题目单靠我自己的力量是很难完成的，但是经过大家的合作，相比一个人来说完成的容易了点。

我觉得开设的这门课程十分符合我们网络工程学生的需要，既能锻炼我们的团队合作，又能让我们对计算机组成原理有了更多的了解。

参考文献

[1]裘雪红，李伯成，车向泉，刘凯．计算机组成与体系结构．北京：

高等教育出版社，2009.

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