计算机组成原理课程设计报告1.doc

计算机组成原理课程设计报告姓 名： 班 级： 学 号： 指导老师： 赵孟德 二一一年 5 月 31 日目 录第一章 实训任务概述11.1实训目的11.2 实训任务1第二章 题目结果32.1 指令的执行流程32.11“异或”指令32.12 读取指令32.2 储存器32.3 运算器42.4 硬件系统42.5 运算器的组成及设计6第三章 图表格式73.1 “异或”指令73.2 读取指令73.3 “out”指令83.4 储存器83.5 设计计算机运算器93.6 运算器的组成及设计11第四章 个人总结124.1 主要结论124.2 对实训的认识12参考文献14致 谢15上海电机学院 计算机系统维护实训报告第一章 实训任务概述1.1实训目的通过本周的实训，使我们对计算机组成与体系结构这门课有一个更深入的了解。主要要了解计算机的硬件组成、微操作以及储存器中的地址变换等。将我们在课堂上所学的理论知识应用于实践。1.2 实训任务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 dr sr（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 dr sr(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 mod 5)+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in 0000 0000 “input device”中的开关状态r0add addr 0001 0000 r0+addr r0sta addr 0010 0000 r0 addrout addr 0011 0000 addr busjmp addr 0100 0000 addrpc2、以下三道为选做题目（选做要求：(组号 mod 3)+1=红色题目编号）某机器中，已知配有一个地址空间为(00001fff)16的rom区域，现在用几个sram芯片（8k8位）形成一个16k16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a15a0 ，数据总线为d15d0 ，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。要求用128k16位的sram芯片设计512k16位的存储器，sram芯片有两个控制端：当 cs 有效时该片选中。当w/r=1时执行读操作，当w/r=0时执行写操作。用64k16位的eprom芯片组成128k16位的只读存储器。试问：。 数据寄存器多少位？ 地址寄存器多少位？ 共需多少片eprom?画出此存储器组成框图。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。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15页第二章 题目结果2.1 指令的执行流程2.11“异或”指令“异或” 指令的指令格式操作码 dr sr（dr:数据寄存器 sr：源寄存器）这条指令实现将目标寄存器dr的内容与原寄存器sr的内容相加并将结果存入目标寄存器dr的功能。2.12 读取指令操作码 dr sr2.13 “out”指令 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 mod 5)+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out addr 0011 0000 addr bus2.2 储存器某机器中，已知配有一个地址空间为(00001fff)16的rom区域，现在用几个sram芯片（8k8位）形成一个16k16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a15a0 ，数据总线为d15d0 ，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。（1）由于rom区域的地址空间为(00001fff)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。地址码方案如下： a13 a142:4译码器 mreq y0 y1 y2 y3 ( y0控制rom, y1控制ram1,y2控制ram2)2.3 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。add: ai-r0 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。sta: r0-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回到内存中。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。2.4 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。答：构成计算机的一般有“5大部分”，分别为：运算器、控制器、储存器、输入设备和输出设备。(1)运算器运算器用来实现算术运算和逻辑运算。主要由：算术逻辑单元（alu）、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成。算术逻辑运算单元（alu）的基本功能为加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、求补等操作。计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。运算器处理的数据来自存储器；处理后的结果数据通常送回存储器，或暂时寄存在运算器中。与control unit共同组成了cpu的核心部分。（2）控制器控制器根据指令的功能产生相应的控制信号，控制其它部分的工作以便实现指令的功能。主要由程序计数器、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。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。（3）储存器存储器用来存放数据和程序。主要功能是存储程序和各种数据，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。存储器是具有“记忆”功能的设备，它采用具有两种稳定状态的物理器件来存储信息。这些器件也称为记忆元件。在计算机中采用只有两个数码“0”和“1”的二进制来表示数据。记忆元件的两种稳定状态分别表示为“0”和“1”。日常使用的十进制数必须转换成等值的二进制数才能存入存储器中。计算机中处理的各种字符，例如英文字母、运算符号等，也要转换成二进制代码才能存储和操作。（4）输入设备用于把原始数据和处理这些数据的程序输入到计算机中。是计算机与用户或其他设备通信的桥梁。输入设备是用户和计算机系统之间进行信息交换的主要装置之一。键盘，鼠标，摄像头，扫描仪，光笔，手写输入板，游戏杆，语音输入装置等都属于输入设备。输入设备（inputdevice）是人或外部与计算机进行交互的一种装置，用于把原始数据和处理这些数的程序输入到计算机中。计算机能够接收各种各样的数据，既可以是数值型的数据，也可以是各种非数值型的数据，如图形、图像、声音等都可以通过不同类型的输入设备输入到计算机中，进行存储、处理和输出。（5）输出设备用于数据的输出。是计算机的终端设备，用于接收计算机数据的输出显示、打印、声音、控制外围设备操作等。也是把各种计算结果数据或信息以数字、字符、图像、声音等形式表示出来。常见的有显示器、打印机、绘图仪、影像输出系统、语音输出系统、磁记录设备等。2.5 运算器的组成及设计实验步骤：（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(1/1)（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=s3 s2 s1 s0 cn m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=s3 s2 s1 s0 cn m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=1 lc=1 lb=1 la=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第三章 图表格式3.1 “异或”指令pc-ar-abusdbus-dr-irpc+1 译码ir-arar-srsr-alualu-ac3.2 读取指令pc-ar-abusdbus-dr-irpc+1pc-ar-abusdbus-dr-irpc+1译码ir-arir-arir-arir-arar-abusdbus-ac3.3 “out”指令pc-ar-abusdbus-dr-irpc+1 译码ir-arar-abusdbus-drdr-bus3.4 储存器 rom与ram同cpu连接图y4mreqa13a14cpua12a0wed7-d0d15-d8译码cs（rom）8k*8cs(ram)8k*8cs(ram)8k*8y33.5 设计计算机运算器下面是各微指令的微程序流程图以及add和sta的微指令：pc-arpc+1ram-busbus-ar译码pc-uarp+1ram-busbus-uarram-busbus-udr2r0-udr1(udr1)+(udr2)=r0pc-uarp+1ram-busbus-uarr0-busbus-ramaddsta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+1dr：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23222120191817161514131211109876543210指令码（十六进制）信号s3s2s1s0cnmx1x0oiclcpscgotlpobgip+1drmldwcrcrr读wr写有效电平*011*000001000001取指微指令000000001000101101101010008b6aadd a ai0000000010000010110011100082ce110011111010110001001001cfac49000000001000101101101011008b6asta ai0000000010000010110011100082ce111001010000110001110000e50c70000000001000101101101010008b6a3.6 运算器的组成及设计其中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“state unit”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。第四章 个人总结4.1 主要结论本文主要目的在一开始已经明确说明，分为四部分：（1）对指令执行流程的了解。在处理一条指令的过程中，由cpu完成的操作序列构成一个指令周期，所有的指令周期至少包括两个子周期：取指令子周期和执行指令子周期。（2）对储存器的了解。储存器是用来存放数据和程序的。（3）对运算器的了解。运算器是用来实现算术运算和逻辑运算的；由算术逻辑单元（alu），累加寄存器，数据缓冲寄存器和状态条件寄存器组成。是计算机的数据加工处理部件。（4）对计算机硬件系统组成的了解。也就是对计算机的“5大部件”的认识运算器、控制器、储存器、输入设备和输出设备。我们在实训一开始就一直在翻书，在看老师平时上课的ppt，在问老师问题，基本上我们做的每一小题都在问老师问题，老师也都耐心的对我们进行适当的指导，但这些都体现了我们对于这门课程理论知识的掌握不够，我们并没有把平时在课堂上所学的知识灵活的运用于实践中。在真正碰到问题时还是不知道该如何解决，例如：第五题，设计计算机运算器。虽然对于运算器我们已经有所了解，但是真的让我们设计时，我们就有点无从下手了，经过老师的一番讲解，我们多多少少有了些许眉目，虽然设计的过程还是很艰难，碰到了许多小难题，也仍然有许多小地方不理解，但是在老师的讲解的基础上，我们小组内自己再讨论一下，做出这题还是不难的。这次课程设计的每一题，对于我们来说都是一个提高，都弥补了我们平时对于知识点的掌握的不足。经过这几题的训练，我们对于这几个知识点有了更全面的了解！4.2 对实训的认识以前我们也有过实训，但基本上都是关于编程的，而这次是第一次对计算机有一个深入了解的实训。在这为期一周的实训里，我们了解了许多对于计算机硬件系统的新认识。以前只知道cpu是中央处理器，使计算机中的核心部件。但是现在我知道了cpu的只要功能是执行储存在主存中的指令序列，具体是：确定指令执行顺序。取得指令。执行指令。cpu的基本或原子操作就是微操作。例如：将程序计数器pc的内容传送到地址寄存器，用符号标记为arpc；符号“”代表通过cpu内部总线传递消息，arpc代表微操作。还有就是对计算机的5大部件有了一个更深入的认识，尤其是储存器和运算器。在做题目的基础下，对这两大部件的操作情况也有所了解。本次实训的收获不单单是对所学的知识有了更多的了解，更重要的是我学到了很多，尤其是小组间的团队合作。其实在本次实训一开始，我对老师布置的任务并不是很明确，也没有任何思路，但是在小组成员的帮助下，重新熟悉了一下书本，才对任务书中的题目有了大致的了解，至少我知道了每道题目的