计算机组成原理 课程设计.doc

计算机组成原理课程设计报告姓 名： 班 级： 学 号： 指导老师： 二一一年 12月21 日目 录目 录2第一章 课设任务概述31.1课设目的31.2课设任务3第二章 课设内容42.1指令的执行流程42.21题一42.22题二42.23题三52.2存储器52.21题四52.3运算器62.31题五62.4硬件系统组成82.41题六8第三章 个人总结11第四章 参考文献12第一章 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 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JMP addr 0100 0000 addrPC1.22 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：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。1.23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简单的类MIPS多周期流水线处理器的实现实验。（807机房）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2.21题一 累加器内容完成“异或”运算“异或” 指令的指令格式操作码 DR SRDR:目标寄存器 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。1、取指周期：T1：ARPC ；将PC的内容传给ART2：DRM ；由AR规定的存储单元的内容（当前指令）传送到DR PCPC+I ；PC内容加I形成下条指令地址，I为指令长度T3: IRDR ；DR的内容传送到IR2、执行周期：T1：YSR ；将SR中的数据传送到暂存器Y中T2：ZAC+Y ；AC（累加器）中数据与Y 中数据加载至ALU做加法，结果暂存于Z中T3: ACZ ；将暂存器Z的内容传送到AC中2.22题二 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 SR1、取值周期：T1：ARPC ；将PC的内容传给ART2：DRM ；由AR规定的存储单元的内容（当前指令）传送到DR PCPC+I ；PC内容加I形成下条指令地址，I为指令长度T3: IRDR ；DR的内容传送到IR2、执行周期：T1：MAR ；将AR的内容通过地址总线传给M DRM ；将M内存单元的内容通过数据总线传给DR（缓冲寄存器）ACDR ；将DR中的数据传送到AC（累加器）中2.23题三 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JMP addr 0100 0000 addrPC这是无条件跳转指令，实现将程序执行地址从当前跳转指令所在位置转移到存储器地址为addr处。1、取指周期：T1：ARPC ；将PC的内容传给ART2：DRM ；由AR规定的存储单元的内容（当前指令）传送到DR PCPC+I ；PC内容加I形成下条指令地址，I为指令长度T3: IRDR ；DR的内容传送到IR2、执行周期：T1：PCIR（地址字段） ；将指令中的存储器地址addr传送到PC，IR（地址字段）=addr2.2存储器2.21题四 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。ROM：只读存储器 RAM：随机存取存储器依题意，主存地址空间分布如右图所示，可选用2片8K8位的EPROM作为ROM区；4片的8K8位SRAM片组成16K16位的RAM区。ROM需13位片内地址，RAM也需13位片内地址0000H1FFFH8K16位2000HROMFFFFH16K16位RAM Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 B A A14 A13MREQ与门CSNCY3Y7每条线控制8K*8的RAM2.3运算器2.31题五 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000000001000101101101010008B6ADEC Ai0000000010000010110011100082BE110001111010100111001101C7A9CD000000001000101001101011008A6ANOT Ai0000000010000010110011000082BE110001111010100111001101C7A9CD000000001000101001101011008A6ADEC Ai(Ai-1)AiT1(Ai)IDBTMPALU(ALU-1)AT2(A)BUFFERIDBAiNOT Ai(NOT Ai)AiT1(Ai)IDBTMPALU(not ALU)AT2(A)BUFFERIDBAi启动(PC)1ABOABM(M)ODBIDBIR1(PC)+1PC(MD)MPC接数译码(Ai)IDBTMPALU(ALU-1)A(A)BUFFERIDBAi(not ALU)A(Ai)IDBTMPALU(A)BUFFERIDBAiDECNOT2.4硬件系统组成2.41题六 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（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，但性能及其在计算机中的作用差别很大。（1）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CPU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的内容被消除，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。（2）寄存器CPU内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。（3）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。（4）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。（5）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，半导体存储器称为内存储器（简称内存）。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。第三章 个人总结两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学