计算机组成 课程设计报告.docx

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计算机组成课程设计报告

计算机组成原理课程设计报告

姓名：

班级：

学号：

指导老师：

2016年6月31日

目录

第一章背景知识与课设任务概述1

1.1课设目的1

1.2课设任务1

1.211

1.221

1.232

1.242

1.252

第二章课设内容3

2.1指令的执行流程3

2.1.13

2.1.24

2.1.35

2.2存储器6

2.2.16

2.3运算器7

2.3.17

2.4硬件系统组成12

2.4.112

2.5运算器的组成及设计16

第三章个人总结20

第四章参考文献21

第一章背景知识与课设任务概述

1.1课设目的

通过课程设计，掌握计算机硬件的基本工作原理，并能利用所学知识，完成课设内容。

理解计算机基本构造以及微观操作。

对指令在计算机内部的执行过程进行深入了解，掌握存储器中的地址变换等。

1.2课设任务

1.21

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

OUTaddr00110000××××[addr]BUS

1.22

（三）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。

1.23

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）

1.24

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。

1.25

运算器的组成及设计模型机综合实验。

第二章课设内容

2.1指令的执行流程

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

2.1.1

累加器内容完成“异或”运算

“异或”指令的指令格式

操作码DRSR

设双总线结构机器的数据通路如下图

IR：

指令寄存器PC：

程序计数器（指向下一条指令）M：

主存

AR：

地址寄存器DR:

数据缓冲寄存器

G：

控制门电路ALU：

算数逻辑单元

这条指令实现将目标寄存器R0-R3的内容取出送入ALU，进行异或运算并将结果输出的功能

1、取指周期：

T1：

PC—>AR；将PC（程序计数器）的内容传给AR（地址寄存器）

T2：

M—>DR；由AR（地址寄存器）规定的存储单元的内容（当前指令）传送到DR（目标寄存器）

PC<—PC+1；PC（程序计数器）内容加1形成下条指令地址。

T3:

DR—>IR；DR（目标寄存器）的内容传送到IR（指令寄存器）

2、执行周期：

T1：

R0—>XR1—>Y；将R0、R1中的操作数赋值给X、Y

T2：

X⊕Y—>R0；将X、Y做异或运算之后存入R0

T3:

ALUOUT；从ALU中将R0输出

指令周期流程图如下：

2.1.2

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

1、取值周期：

T1：

PC—>AR；将PC（程序计数器）的内容传给AR（地址寄存器）

T2：

M—>DR；由AR（地址寄存器）规定的存储单元的内容（当前指令）传送到DR（目标寄存器）

PC<—PC+1；PC（程序计数器）内容加1形成下条指令地址。

T3:

DR—>IR；DR（目标寄存器）的内容传送到IR（指令寄存器）

2、执行周期：

T1：

M<—AR；将AR的内容通过地址总线传给M

DR<—M；将M内存单元的内容通过数据总线传给DR（缓冲寄存器）

AC<—DR；将DR中的数据传送到AC（累加器）中

指令周期流程图如下：

2.1.3

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

OUTaddr00110000××××[addr]BUS

2.2存储器

2.2.1

（三）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。

（1）

（2）

2.3运算器

2.3.1

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的所有指令的集合，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指令，微指令对应着相应的微操作。

这次课设的微指令是ADD和STA两条微指令

1ADD:

Ai->RO;

A->R1;

Ai+A->Ai.

将AI和A从内存中读出，进行加运算后将值赋给Ai，存到内存中。

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、输出到GI、P+1、读内存RC和写内存WC。

2STA:

RO->[addr]；

在内存中读取一个地址到地址寄存器然后带回一个数据到内存中。

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、读内存器RC和读寄存器RR.

在CPTH做软件中的人源程序窗口输入下列程序

逻辑框图：

指令助记符

（去微指令操作）

指令功能

微周期

T0

微操作

PC->地址总线->EM->数据总线->IR

控制信号

EMDR,PCOE,IREM

LDA,#*

#*->（A）

T1:

EM->数据总线->A

EMRD,PCOE,EMEN,AEN

T0:

取微指令

EMRD,PCOE,IREM

ADDA,#*

（A）+#*->（A）

T2

EM->数据总线->W

EMRD,PCOE,EMEN,WEN

T1

ALU->数据总线->A

EMRD,PCOE,IREM,X2X1X0,AEN,S2S1S0

T0

取微指令

EMRD,PCOE,EMEN,WEN

SUBA,#*

（A）-#*->（A）

T2

EM->数据总线->W

EMRD,PCOE,EMEN,WEN

T1

ALU->数据总线->A

EMRD,PCOE,IREM,X2X1X0,AEN,S2S1S0

T0

取微指令

EMRD,PCOE,EMEN,WEN

AMDA,#*

（A）.#*->（A）

T2

EM->数据总线->W

EMRD,PCOE,EMEN,WEN

T1

ALU->数据总线->A

FEN,X2X1X0,AEN,S2S1S0

T0

取微指令

EMRD,PCOE,EMEN,WEN

ORA,#*

（A）+#*（A）

T2

EM->数据总线->W

EMRD,PCOE,EMEN,WEN

T1

ALU->数据总线->A

FEN,X2X1X0,AEN,S2S1S0

T0

取微指令

EMRD,PCOE,EMEN,WEN

指令系统：

微程序流程图

图2.3.1程序跟踪结果

Cn:

进位15-12：

:

对X1的操作11-8：

对X0的操作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

2.4硬件系统组成

2.4.1

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内部进行处理。

目前常用的输入设备是键盘，鼠标器，扫描仪等，以及用文字识别，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元（ArithmeticLogicUnit,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