计算机组成与体系结构培训课程设计方案样本.doc

目录
（一）课设任务概述 2
1.1课设目标 2
1.2 课设任务 2
（二）课设内容 3
2.1指令实施步骤 3
2.2存放器 6
2.3设计计算机运算器 7
2.4计算机硬件系统 8
（三）个人总结 10
（四）参考文件 10
（五）致谢 11

（一）课设任务概述
1.1课设目标
经过课设，掌握计算机系统软硬件维护方法，并能利用所学知识，完成课设内容。
1.2 课设任务
（1）参考给出或书本上计算机硬件（应有中止功效）组成，写出完成下面给定指令格式指令实施步骤；
（2）某机器中，已知配有一个地址空间为0000H-3FFFHROM区域。现在再用一个RAM芯片（8K*8）形成40K*16位RAM区域，起始地址为6000H。假设RAM芯片有CS和WE信号控制端。CPU地址总线为A15-A0，数据总线为D15 -D0，控制信号为R/W（读/写），MREQ（访存），要求：
（1）画出主存地址框图。
（2）画出组成连接框图。
（3）设计计算机运算器（包含逻辑框图和指令系统，和各指令微程序步骤图）
（4）了解计算机硬件系统。就计算机一些硬件组成部分，说明对其认识。
（5）简单类MIPS多周期流水线处理器实现试验。
（二）课设内容
2.1指令实施步骤
2.1.1参考给出或书本上计算机硬件（应有中止功效）组成，写出完成下面给定指令格式指令实施步骤；
（1）寄存器内容完成“异或”运算
“异或” 指令指令格式DR:目标寄存器 SR：源寄存器
操作码 DR SR
PC->AR
XRL DR，SR
M->DR
DR->IR
译码
DR->Y
SR->X
X⊕Y->DR

（2）把一个内存单元中内容读到所选择一个累加器中。
操作码DR SR

(3) ④OUT addr 0011 0000 ×××× [addr] àBUS
ABUS->I/O
译码
开启
PC->AR->ABUS
DBUS->DR->IR
PC+1->PC
IR->DR->AR->ABUS

2.2存放器
某机器中，已知配有一个地址空间为0000H-3FFFHROM区域。现在再用一个RAM芯片(8K×8)形成40K×16位RAM区域，起始地址为6000H,假定RAM芯片有和信号控制端。CPU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和RAM同CPU连接。
依题意，主存地址空间分布如右图所表示，可选择2片 (16K×8位)EPROM作为ROM区；10片8K×8位RAM片组成40K×16位RAM区。(16K×8位)EPROM需14位片内地址，而(8K×8)RAM需13位片内地址，故可用A15-A13三位高地址经译码产生片选信号,方案以下:

2.3设计计算机运算器
指令助记符
位
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
指令码
（十六进制）
信号
S3
S2
S1
S0
Cn
M
X1
X0
OI
CL
CP
S
CG

OT
LP
OB
GI
P+1
DR
MLD
WC
RC
RR
读
WR
写
有效电平
*
*
*
*
*
*
*
*
0
1
1
*
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
1
取指微指令
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
0
1
0
008B6A

ADDA
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
0
0082BE

1
1
0
0
0
1
1
1
1
0
1
0
1
0
0
1
1
1
0
0
1
1
0
1
C7A9CD

0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
0
1
0
1
1
008A6A

SUB
A,B
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
1
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0082BE

0
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1
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1
6FACCD

0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
0
1
0
1
1
008A6A

（1）ADD指令实施步骤：
（1）取指
PC->AR 将PC内容传给AR
AR->M 找到对应内存地址
M->DR 进入缓冲寄存器
PC+I->PC PC内容加I形成下条指令地址，I为指令长度
DR->IR 传送入指令寄存器
（2）实施
A->Y 将A中数据传送到寄存器Y中
addr+Y->Z addr中数据和Y 中数据加载至ALU做加法，结果暂存于Z中
Z->A 将暂存器Z内容传送到A中
（2）SUB指令实施步骤：
（1）取指
PC->AR 将PC内容传给AR
AR->M 找到对应内存地址
M->DR 进入缓冲寄存器
PC+I->PC PC内容加I形成下条指令地址，I为指令长度
DR->IR 传送入指令寄存器
（2）实施
IR->AR 将指令寄存器中内容送入地址寄存器
AR->M 找到对应内存地址
M->DR 进入缓冲寄存器
DR->AR 将缓冲寄存器中内容送入地址寄存器
AR->M 找到对应内存地址
M->DR 进入缓冲寄存器
R0->Y 将R0内容送入暂存器Y中
Y-DR->Z 暂存器Y值减去缓冲寄存器值后存入Z暂存器
Z->R0 将Z中内容送入R0中

2.4计算机硬件系统
了解计算机硬件系统。就计算机一些硬件组成部分，说明对其认识。组成计算机硬件系统通常有“五大件”组成：输入设备、输出设备、存放器、运算器和控制器。
计算机输入输出（I/O）设备是计算机从外部世界接收信息并反馈结果手段，统称为I/O设备或外围设备。多种人机交互操作，程序和数据输入，计算结果或中间结果输出，被控对象检测和控制等，全部必需经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输入，能将大家熟悉信息形式变换成计算机能接收并识别人二进制信息形式。
理想计算机输入设备应该是“会看”和“会听”，即能把大家用文字或语言所表示问题直接送到计算机内部进行处理。现在常见输入设备是键盘，鼠标器，扫描仪等，和用文字识别，图像识别，语音识别设备。
（2） 输出设备
输出设备将计算机输出处理结果信息，转换成人类或其它设备能够接收和识别信息形式（如字符，文字，图形，图像和声音）。
理想输出设备应该是“会写”和“会讲”。“会写”已经做到，如现在广为使用激光打印机，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，现在已经有初级语音合成产品问世。
（3） 控制器
控制器是计算机管理机构和指挥中心，它根据预先确定操作步骤，协调控制计算机各部件有条不紊地自动工作。
控制器工作实质就是解释程序，它每次从存放器读取一条指令，经过分析译码，产生一系列操纵计算机其它部分工作控制信号（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。高级计算机中控制器能够改变一些指令次序，以改善性能。
对全部CPU而言，一个共同关键部件是程序计数器，它是一个特殊寄存器，统计着将要读取下一条指令存放器中位置。
（4） 运算器
运算器是一个用于信息加工部件，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是具体完成算术和逻辑运算单元，是运算器关键，由加法器和其它逻辑单元组成。寄存器用于存放参与运算操作数。累加器是一个特殊寄存器，除了存放操作数之外，还用于存放中间结果和最终结果。
特定ALU所支持算术运算，可能仅局限于加法和减法，也可能包含乘法，除法，甚至三角函数平方根。有些ALU只支持整数，而其它ALU则能够使用浮点来表示有限精度实数。不过，能够实施最简单运算任何计算机，全部能够经过编程，把复杂运算分解成它能够实施简单步骤。所以，任何计算机全部能够经过编程拉实施任何算术运算，假如其ALU不能从硬件上直接支持，则运算则从软件方法实现，但花费较多时间。
逻辑运算包含和（AND），或（OR），异或（XOR）等布尔运算，对于创建复杂条件语句和处理布尔逻辑而言全部是有用。
ALU还能够比较数值，并依据比较结果（如是否相等，大于或小于）来返回一个布尔值：真（TURE）和假（FALSE）。
（5） 存放器
存放器关键功效是存放数据和程序。程序是计算机操作依据。数据时计算机操作对象，不管是程序还是数据，在存放器中全部是用二进制数形式来表示，统称为信息。向存放器存入或从存放器中读出信息，全部称为存放器访问。
计算机存放器是由能够存放和读取数值一系列单元组成，每个存放器全部有一个编号，称为“地址”。向存放器中存数活存存放器中取数，全部要按给定地址寻求所选择寻址单元，存放在存放器信息能够表示任何东西，文字，数值甚至计算机指令全部能够一样轻易地存放到存放器中去。
存放器是计算机中存放信息部件，根据存放器在计算机中作用，能够分为主存放器，寄存器，闪速存放器，高速缓冲存放器，辅助存放器等多个类型，她们均能够完成数据存取工作，但性能及其在计算机中作用差异很大。
①　 主存放器
计算机主存放器（Main Memory，简称主存）通常采取半导体存放器，有两种关键类型：随机存放器（Random Access Memory，RAM）和只读存放器（Read—Only Memory，ROM）。RAM能够按CPU命令进行读写，而ROM则事先加载了固化数据和软件，CPU只能读取。通常情况下，当计算机电源关闭时，RAM内容被消除，而ROM则会保留其数据。
ROM通常见来存放计算机初始指令。在PC机中，通常包含一个固化在ROM中，称为BIOS专用程序，当计算机开机或复位时，能够把计算机操作系统从硬盘加载到RAM中。在通常没有硬盘嵌入式计算机中，实施任务所需全部软件全部能够存放在ROM中。
②　 存放在ROM中软件常常被称为固件（Firmware），所以她从外观上看更像硬件。 （6）寄存器
CPU内部包含一组称为寄存器（Register）特殊单元，其读写速度比贮存区域快得多。不一样类型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全部要访问主存。因为主存比ALU和控制器来得慢，降低主存访问需求能够大大加紧计算机速度。
③　 闪速存放器
闪速存放器（Flash Memory ,简称闪存）能够像ROM一样在关机时保留数据，但也能够像RAM一样能够被重写，从而模糊了ROM和RAM之间界限。
不过，闪存通常比常规RAM和ROM慢得多，所以局限于不需要高速应用场所。
④　 高速缓冲存放器（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高速缓冲存放器（简称高速缓存）——cache，它在CPU和主存放器之间，规模较小但速度快，能够很好地处理CPU和主存之间匹配问题。
通常，计算机能够自动地把需要频繁访问数据移入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　 辅助存放器
半导体存放器存放容量毕竟有限，所以，计算机又配置了存放容量更大磁盘存放器和光盘存放器，称为外存放器（简称外存）或辅助存放器（简称辅存），相对而言，半导体存放器称为内存放器（简称内存）。
辅助存放器关键用于存放目前不在运行程序和未用到数据，其特点是存放容量大，成本低，并能够脱机保留信息。常见辅助存放器有软盘存放器，硬盘存放器，光盘存放器等。

（三）个人总结
本周课程设计关键内容是深入认识和了解计算机硬件（应有中止功效）组成，写出完成下面给定指令格式指令实施步骤和对主存器扩展考察、设计计算机运算器（包含逻辑框图和指令系统，和各指令微程序步骤图）和计算机硬件系统，就计算机一些硬件组成部分，说明对其认识。经过这次计算机组成原理和系统结构课程设计，加深了我对计算机实施指令了解。其次，让我对冯诺依曼计算机存放结构有了愈加好认识和了解，使自己愈加深刻复习和掌握了本学期所学习知识。在试验过程中有很多不会地方，最终经过自己不停探索，和老师和同学帮助才完成了试验。
（四）参考文件
[1] 陈泽宇．计算机组成和系统结构，：3001-5000
（五）致谢
这次试验，首先要感谢赵孟德老师，每次全部能很好解答我们问题和帮助我们克服多种学习中所碰到困难；其次，要感谢我们组每一位组员，在她们帮助下，我们共同研究，愈加好完成课程设计。