计算机原理课程设计报告（何光耀）

课程设计(大任务)报告课程名称：计算机配置原则设计主题：模型计算机设计医院部门：信息技术学院类：2013级别2类收银员：什么光学习编号：5导师：沃利设计时间：2015.6.22至2015.6.26信息技术大学昆明大学课程设计(大作业)使命宣言姓氏：何光耀医院(部门):信息技术学院专业产业：电脑科技编号：5任务开始和结束日期：2015.6.22至2015.6.26课程设计主题：复杂模型计算机CPU内存高速缓存外围设备1外围设备2外围设备3外围设备nI/OI/OI/O外部存储上图为模型计算机(仅供参考)。设计以下内容：一、设计内容请画出你设计的电脑模型连接图，然后分别说明以下内容2，CPU(1)ALU功能、配置、设计(2)CPU如何执行命令，单独说明(3)如何设计CPU(4)命令系统3，内存(1)分类(2)配置(3)扩展(4)连接到CPU(5)内存技术摘要4，公共汽车(1)总线分类(2)各种总线的工作原理(3)如何将设计的CPU和设备连接起来5、外围设备(1)磁盘内存结构和原理(2)光盘(3)磁带(4)键盘(5)显示器(6)打印机(7)鼠标6、界面(1)界面概述(2)各种接口功能、工作方式、与主机的连接方式以及与外围设备的连接方式二、设计要求1、讨论(1)设计和绘制模型计算机的电路配置图。(2)单独设计的模型计算机各组件的结构；(3)讨论每个部件的功能。3、写课程设计报告。报告内容包括：(1)根据模型计算机的配置，章节、节、段分别讨论相应部件的工作原理(2)讨论，可以通过网络查阅资料，但每个人都需要独立完成自己的设计，不能抄袭。(3)总结说明对本课程设计的理解和建议的经验。工作计划和准备：1，16周星期一至星期二：审查相关资料，选择适当的实验结构图，设计构成结构的设计。2，17周星期三：构思结构图，制作课程设计报告。3，17周星期四至星期五：课程设计报告的改进。在此过程中，不理解的部分将与同事进行讨论，并审查相应的资料。地图教师签名年月日课程设计(大作业)评分学号：5人：何光耀指导教师：华睿课程设计主题：复杂模型计算机摘要：讲师的意见：成绩：填表时间：教师签名指南：课程设计(大任务)报告一、主题分析此课程设计主题要求您设计CPU、存储、总线、外围设备和计算机型号二、计算机结构设计三、第一章CPU1、ALU功能、配置、设计(1)功能算术逻辑单元(ALU)是所有中央处理器的核心组件，也是中央处理器(CPU)的执行单元，ALU主要完成二进制数据的定点算术运算(加/减乘、乘除、逻辑运算(和/或非定期)和移位操作)。某些CPU具有用于处理移位操作的置换单元，其中ALU通常包含两个输入和一个输出。默认情况下，在所有最新CPU体系结构中，二进制文件都显示为补充形式。(2)配置ALU用于在计算机指令集上执行算术和逻辑运算，在某些处理器上，ALU触点分为算术单元(AU)和逻辑单元(LU)两部分。有些处理器包含两个或多个AU。例如，一个用于定点操作，另一个用于浮点操作。通常，ALU对处理器控制器、内存和输入输出设备具有直接读取权限，输入输出通过总线完成。输入命令包括opcode、单个或多个操作数，有时也称为包含格式代码的机械命令。Opcode表示ALU机器要执行的作业，此作业要执行的作业数目。例如，您可以比较两个操作数或执行加法操作。格式代码可以与opcode结合使用，以指示是固定点指示还是浮点指示。输出包含存储寄存器中存储的结果和显示操作是否成功的设置。如果操作失败，“机械状态”一词将显示相应的状态标记。通常，输入操作数、操作数、汇总和变换结果的存储位置位于ALU中。在算术单位中，乘法和除法运算是通过一系列加法和减法得到的。机器代码有多种表示负数的方法。(3)ALU设计图全加器f函数发生器FiCn I 1Cn IS0S1S2S3AiBi诗彝族2、CPU如何执行命令，单独说明(1)CPU的功能CPU对整个计算机系统的运行至关重要，它具有四种基本功能：A.命令控制：进程的顺序控制，称为命令控制。由于程序是命令序列，这些命令的相互顺序不能随机改变，必须严格按照程序中规定的顺序进行，因此，机器按顺序运行程序是CPU的首要任务。B.动作控制：命令功能通常作为多个操作信号的组合来实现，因此CPU管理从内存中取出的每个命令的操作信号，并将每个操作信号传递给相应的部件，控制该部件的操作按指示进行。C.时间控制部：通过对各种操作实施时间定时，成为时间控制。因为计算机中各种指令的操作信号都受到时间的严格计时。另一方面，一个方针的整个执行过程也是根据时间严格确定时间的。D.数据处理：所谓数据处理是执行数据的算术运算和逻辑运算。完成数据处理是CPU的基本任务。(2)CPU的主寄存器A.数据缓冲寄存器(DR):数据缓冲寄存器用于临时存储ALU的计算结果。B.指令寄存器(IR):指令寄存器用于存储当前正在执行的指令。C.程序计数器(PC):为了使程序持续运行，CPU需要一些方法来确定以下命令的地址：D.数据地址寄存器(AR):数据地址寄存器用于存储当前CPU访问的数据缓存内存(以下数字内存)单元的地址。E.公共寄存器(r0-R3) :公共寄存器可以保留源操作数或生成的操作数。F.状态单词寄存器(PSW):状态单词寄存器保存算术命令和逻辑命令运算或测试结果生成的各种条件代码。(3)CPU执行命令执行CPU命令通常按顺序逐个执行，并根据命令要求执行跳跃、条件选择或循环执行。执行指令的速度取决于CPU内部结构与CPU的时脉速度有何差异。每次执行命令时，计算机都可以分三个步骤进行。也就是说，执行命令。-分析命令-运行命令。获取命令的任务是根据程序计数器PC的值从程序内存中读取当前命令，然后发送到命令寄存器。分析命令步骤的任务是从命令寄存器中删除命令操作码，然后对其解码，以分析相应的命令特性。如果命令需要操作数，请查找操作数地址。计算机运行程序的过程是逐个命令地重复这些过程，直到出现可以循环执行命令的锁定命令。3、如何设计CPU最初，CPU由计算计量器和控制器两部分组成，此后CPU的内部配置变得越来越复杂，CPU的基本部分已转变为计算计量器、缓存和控制器三部分。现在，让我们一次查看一个CPU组件。A.控制器：由程序计数器、命令寄存器、命令解码器、定时生成器和操作控制器组成，完成发出命令的“决策机构”，即整个计算机系统的协调和命令操作。B.运算符：包括数据处理部件算术逻辑单元(ALU)、通用寄存器、数据缓冲寄存器DR和状态条件寄存器PSW。您可以执行任何算术和逻辑运算。C.Cache:高速缓存(Cache)是指访问速度比原始随机访问内存(RAM)快的RAM。一般来说，DRAM技术不像系统主内存那样使用，而且很贵，但是更快的SRAM技术具有缓存名称。高速缓冲区与主存储一起构成一级存储，主存储之间的信息调度和传输由硬件自动执行。CPU贴图：4、命令系统(1)命令系统的概念和性能一台计算机上所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。完整的命令系统必须满足以下四个要求：A.完整性：完整性意味着用汇编语言编写各种程序时，可以充分使用命令系统直接提供的命令，而无需用软件实现。B.有效性：有效性意味着可以使用用相应指令系统编写的程序有效地执行。效率主要表现在程序占据存储空间，执行速度快。C.规则：规范化包括命令系统的对称、均匀性、命令格式和数据格式的一致性。D.兼容性：兼容性意味着机种的基本软件可以通用，但只能是“向上兼容性”。也就是说，在半高机器上运行的软件可以在高端机器上运行。(2)命令格式一个命令的结构可以用以下形式表示：操作码字段op地址代码字段a其中，opcode字段表征指令的操作特性和功能，而地址代码字段通常指定参与操作的操作数的地址。四、第二章内存1、内存分类内存是计算机系统中存储程序和数据的内存设备。存储可以使用多种分类方法，具体取决于存储材质的性质和使用方法：(1)存储介质：当前使用的存储介质主要是半导体器件和磁性材料，由半导体器件组成的存储器称为半导体存储器。磁性材料制造的内存称为磁性表面内存。(2)访问方法：当存储器中所有存储单元的内容可以随机访问而不考虑访问时间和存储单元的物理位置时，这种存储器称为随机存储器。如果存储只能按特定顺序访问(访问时间与存储单元的物理位置相关)，则这称为顺序存储。(3)在内容可变性存储：半导体存储中存储固定内容的情况下，即，在可读和不可写的情况下，所述存储称为只读存储器。可读写的半导体内存称为随机读写内存。(4)信息易失性：停电后信息消失的存储器称为非易失性存储器。关闭电源后可以存储信息的存储称为非易失性内存。(5)系统内的角色：可以根据存储器在计算机系统中的作用分为内部存储器、外部存储器。主要存储、缓存存储、辅助存储和控制存储。2、内存配置存储包括缓存(cache)、主存储和外部存储的多层存储体系结构，分层结构图如下所示：3、扩展存储要充分扩展存储容量，可以使用以下几种方法：(1)延长寿命：如果指定的芯片寿命短，并且内存序数不符合设计要求，则需要再使用几个芯片延长寿命。(2)扩大单词存储容量：如果指定的芯片存储容量较小，并且不是满足设计要求的总存储容量，则还需要使用几个芯片来扩展单词数量。(3)内存模块：内存模块条通常称为内存，通过将底部针插入系统主板上的专用插槽，可以扩展总存储容量。4、到CPU的连接示意图：五、第三章公共汽车1、总线分类总线是构成计算机系统的互连机构，是多个系统功能部件之间数据传输的公共通路。主要可以分为三类。(1)内部总线：CPU在内部连接每个寄存器和计算部件之间的总线。(2)系统总线：连接在一起的总线，例如CPU和计算机系统的其他高速功能部件。(3)I/O总线：中低速I/O设备之间相互连接的总线。2、总线工作原理如果主板是城市，则总线就像城市的总线(bus)，它沿着固定的行车路径传输来回的比特(bit)。这些线一次只能传输一个比特。因此，要传输更多数据，必须同时使用多个线路，总线可以同时传输的数据数量称为宽度，总线宽度(以位为单位)越大，传输性能就越高。总线的带宽(即在单位时间内可以传输的数据总量)包括：总线带宽=频率x宽度(Bytes/sec)。总线空闲(所有其他设备均以高电阻状态连接到总线)，并且在一个设备与目标设备通信时开始通信的设备驱动总线，用于发送地址和数据。以高电阻形式连接到总线的其他设备在接收(或接收)与自身匹配的地址信息时，将接收总线上的数据。发送设备完成通信，导出总线(输出变为高电阻状态)。3、如何将您设计的CPU和设备连接起来通过I/o总线连接。六。第四章外围设备(1)磁盘内存结构和原理在计算机系统中，磁盘存储经常用于存储操作系统、程序和数据，它是主存储的扩展。存储容量增加，数据传输速度加快，访问时间减少，追求轻便、薄、短、小的目标。磁盘存储通常包括磁盘、磁盘驱动器(或磁盘机)和磁盘控制器。磁盘存储磁盘存储是使用磁记录技术将数据存储在旋转的磁盘介质上的辅助存储。这是广泛使用的直接访问内存。容量是主存储的一千倍以上，经常用于在任何规模的计算机系统中存储操作系统、程序和数据，是主存储的扩展。与其他存储容量更大、数据传输速度更快的辅助存储相比，存储在磁盘存储上的数据可以长期存储。磁盘以恒定速度旋转。挂在磁头臂(浮动磁头)上的磁头用加载弹簧的力按住磁盘面，由磁盘表面驱动的气流将磁头向上提升。磁头块和磁盘之间