计算机组成与结构课程设计[正文]

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1、安安 徽徽 工工 程程 科科 技技 学学 院院 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 - 1 - 引引 言言 当今时代已经是计算机的时代，我们通常所讲的计算机，其全称是电子式数字计 算机，它是一种能存储程序，能自动连续的对各种数字化信息进行算术，逻辑运算的 快速工具。在这一定义中包含两个重要的基本概念：信息数字化和存储程序工作方式。 计算机系统是由硬件与软件组成的综合体，人们通常采用层次结构观点去描述系 统的组成与功能，分层次的分析与设计计算机系统。而计算机是一种能够存储程序， 能够自动连续的执行程序，对各种数字化信息进行算术运算或逻辑运算的快速工具。 首先，计算机是能够运算的设备，运算可以分为

2、两大类：算术运算和逻辑运算。算术 运算的对象是数值型数据，以四则运算为基础，许多复杂的数学问题可通过相应算法 最终分解为若干四则运算。逻辑运算用来解决逻辑型问题，如信息检索，判断分析和 决策等。所以我们常将计算机的工作泛称为对信息进行运算处理。而计算机中的信息 是用数字代码来表示各类信息，所以称为数字计算机。计算机对这些数字化的信息进 行运算处理的方式是采用一种存储程序工作方式，即先编写程序，再由计算机将这些 程序存储起来，然后通过连续，快速地执行程序实现各种运算处理。为了存储程序与 数据，需要存储器；为了进行运算处理，需要运算器，需要运算器；为了输入程序和 数据，以及输入程序和数据，以及输出

3、运算结果，需要有输入设备和输出设备；控制 器则对计算机的工作精心控制管理。 冯诺依曼在 1954 年就首先提出了这些技术要点。着是计算机发展史上的一个里 程碑。至今为止，决大多数的计算机仍然属于冯诺依曼机。它的要点包括：（1）采 用二进制代码表示数据和指令。 （2）采用存储程序工作方式，即事先编制程序，实现 存储程序，自动，连续的执行程序。 （3）由存储器，运算器，控制器，输入设备，输 出设备等 5 大部分组成计算机硬件系统。 计算机的工作最总体现为执行程序。而计算机采用存储程序工作方式，这是冯诺 依曼体制中最核心的思想。它有三点含义，体现了计算机求解问题的过程：（1）实现 编制程序。为了用计

4、算机求解问题，需要实现编制程序。在程序中规定计算机需要做 哪些事情，按什么步骤去做。程序中还包括需要运算处理的原始数据，或者规定计算 机在什么时候从输入设备获得数据。 （2）实现存储程序。编好的程序由输入设备送入 计算机，存放在存储器中。编写的程序是用字符书写的，通过键盘将字符变成二进制 代码，然后输入计算机。二进制编码中的每一位，取 0 或 1 中的一个值，可以保存在 存储器中（3）自动，连续的执行程序。由于程序已经实现存储在存储器中，启动计算 机并运行程序后，计算机就可以依照一定的顺序从存储器逐条读取指令，按照指令的 要求执行操作，直到运行的程序执行完毕。 当然，当今社会，计算机的信息化发

5、展一日千里。自 20 世纪 80 年代以来，计算 机的迅速发展，特别是近几年，计算机向高度集成化、网络化和多媒体化发展的速度 一日千里，社会信息化不断向纵向发展，各行各业的信息化进程不断加速，计算机应 用技术与其他专业的教学、科研工作结合更加紧密，各科学与以计算机技术为核心的 信息技术的融合，促进了计算机学科的发展。但是计算机的基本原理始终是技术开发 所需要的地基，因此对我们计算机专业的学生也提出了更高的要求，不但要求掌握理 论知识，更要有计算机应用能力和实践。 安安 徽徽 工工 程程 科科 技技 学学 院院 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 - 2 - 第第 1 章章 概述概述 1.1 设

6、计实验计算机的目的： 计算机组成与结构这门课，研究的是计算机的原理和结构。然而原理可以是理论， 但结构的认识则必须通过实践。只有加强实践，才能真正的了解计算机的结构。为了 更好的了解计算机结构，掌握制作简单模型机的方法，学会利用简单实验计算机来进 行数据的基本操作，因此设计这次实验计算机的设计。 本次课程设计是要研制一台性能比较简单的计算机，能实现简单的指令功能，在 设计计算机的过程中以此来加深对计算机组成与结构的理解，增强自己的动手能力。 1.2 实验计算机的工作原理： 本次实验计算机的设计主要是以 FD-CES 为基础设备来进行设计，因此，有必要 对 FD-CES 做较详细的了解。 FD-

7、CES 是一台多功能的计算机实验设备，可进行数字逻辑电路实验、计算机部件 实验、计算机整机实验和其他数字系统实验。FD-CES 具有以下主要特点： 一、采用总线结构 FD-CES 采用总线结构，是实验仪具有结构简单清晰、扩展方便、灵活易变等诸多 优点。 该实验仪内共有四组总线：外部数据总线 ODB、外部地址总线 OAB、内部数据总 线 IDB、内部地址总线 MB。CPU、内存、外设和控制台等部件之间通过外部总线传输 信息，而 CPU 内部则通过内部总线传输信息， 二、提供计算机基本功能模块 FD-CES 为实验者提供了运算器模块 ALU、寄存器堆模块 REG、指令部件模块 I- PC、内存模块

8、 MEM、总线缓冲模块 BUS、微程序控制模块 MPG、启停和时序模块 P- P，以及控制台（兼 I/O 设备）的控制模块等。 这些基本功能模块的输出都通过三态器件连接总线，实验者可按需增加某些功能 模块，也可逻辑“删除”不用的模块。各模块的电源线、地线、地址总线和数据总线 等已分别连通，不必再连。模块内各集成电路间的数据通路也已连好。个器件的控制 信号及必要的输出信号已被引出到实验板上，供实验者按自己的设计方案连接使用这 些信号，从而使各模块协调地工作。 三、提供智能化控制台 控制台由 Intel 的 8 位单片微机 8032 控制，使控制台具有较强的功能，为调试和 使用实验计算机提供如下便

9、利： 实验计算机停机时，实验者可通过控制台将程序键入内存，将微程序键入控存； 可把内存或控存指定单元内容读出显示；可把内存或控存内容保存到外存 EEPROM， 或将外存 EEPROM 内容读入内存或控存等。 实验计算机运行时，可由控制台控制实验计算机从指定单元开始连续运行；并可 人工干预使其停止运行；也可控制实验计算机逐步逐拍地运行，并自动测量和显示每 一拍地址总线和数据总线或微指令内容。 四、实验接线量少，实验效率高 具有上述特性的 FD-CES 实验仪，可大大减少实验者的接线工作量，因而也减少 了出错的可能性，以利于实验的顺利进行。而且，更重要的是能使实验者在有限的时 安安 徽徽 工工 程

10、程 科科 技技 学学 院院 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 - 3 - 间内将精力集中在实验的关键部分。 1.3 本次实验的主要内容： 研制一台性能如下的实验计算机。 （1）具有键盘和打印机两种外部设备。 （2）外设和内存统一操作指令，程序查询法使用外设。 （3）运算器采用单累加器多通用寄存器结构。 （4）操作数寻址方式有： 直接地址寻址 立即数寻址 寄存器直接寻址 寄存器间接寻址 （5）指令系统至少含有以下指令： 表 1-1 指令系统表 指令编码 第一字节 第二字节 指令助记符指令功能 I7 I6 I5 I4 I3 I2 I1 10 d7-do 000 00X Ria7-a0MOV Ri

11、 #dataData-Ri 000 1X0 Ria7-a0MOV A,Ri(I7,I6,I5 (Ri)-A 001 0X a10 a9 a8a7-a0LD A addr(data)-A 001 1X a10 a9 a8a7-a0ST A, addr(A)-addr 010 0X0 a9 a8a7-a0JMP addrAddr-PC 010 1X0 a9 a8a7-a0JA0 addr若（A）0=1 则 addr-PC 否则 PC+1 011 0X0 a9 a8a7-a0JKB addr若 KB=1 则 addr-PC,否则 PC+1 010 1X0 a9 a8a7-a0JPB addr若 PB

12、=1 则 addr-PC,否则 PC+1 100 0X0 a9 a8a7-a0INC Ri（Ri）-Ri （6）能执行将键盘输入的奇数 i(i=1-255) 回打出来并存入 100H 号开始的内存单 安安 徽徽 工工 程程 科科 技技 学学 院院 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 - 4 - 元中（程序自编） 。 （ 提示 1：由于本指令系统中有根据外设状态转移的指令，故不必再设置“I/O 询问 口” 。提示 2；用四选一电路设计程序计数器 PC 的接收转移地址控制信号 L） 第第 2 章章 实验计算机的设计实验计算机的设计 2.1 设计总要求 2.1.1 实验计算机的外设需求： 该实验计算

13、机具有键盘和打印机两种外部设备。外设和内存统一操作指令，程序查 发 使用外设。 2.1.2 实验计算机运算器结构： 运算器采用单累加器多通用寄存器结构 2.1.3 实验计算机功能和用途：可对键盘输入的两个 2 位十进制数进行四则运算，由打 印机输出结果；能执行键盘输入的奇数 i (i=1-255)回打出来并存入 100H 号开始的内存 单元中 2.1.4 实验计算机指令系统规模： 共有九条指令。指令功能如下分别为： 表 2-1 计算机指令系统规模表 MOV Ri #data MOV A,RiLD A addrST A, addr JMP addrJA0 addrJKB addrJPB addr

14、INC Ri Data-Ri(I7,I6,I5 (Ri)-A (data)-A(A)-addrAddr-PC 若（A） 0=1 则 addr-PC 否则 PC+1 若 KB=1 则 addr- PC,否则 PC+1 若 PB=1 则 addr- PC,否则 PC+1 （Ri）- Ri 2.1.5微操作控制信号的实现方法: 综合实验计算机指令系统各指令执行流程中设计到的微操作信号，统计总共需要 多少个微操作控制信号，每个信号的有效性，决定这些信号中那些由软件（微指令） 直接产生，那些需用硬件（TTL）实现。 （1）对于电平有效的微操作控制信号，可由微指令码直接实现。即 ALU 的操作控制 信号

15、Cn,M,S3,S2S1,S0 可由某六位指令码直接控制。运算器模块中暂存器 TMP 的操 作控制信号 CT 和 OT 也都是电平有效，故也可用两位微码直接控制。 （2）对于脉冲型微操作控制信号，通常需加门电路实现。内存的读控制信号 RC 采用 负脉冲，以保证内存读出的数据的可靠性。写内存控制信号 WC，写寄存器堆控制信 号 WR 也都可负脉冲有效，实现方法与 RC 类似。 （3）对需要多个操作控制信号的器件。如累加器 A（74198）的操作至少需要 X0，X1 和 CA 3 个控制信号，其中 X0，X1 电平有效，CA 是电平正跳变有效。把 CA 固定接 ，X0，X1 分别由微码 Mi,Mj

16、 控制。指令寄存器 IR1（74377）的接数有 GI 和 CI 两 个控制信号。当 GI 为“0”且 CI 电平正跳时 IR1 接数。把 CI 固定接 ，而 GI 由某位 微码控制产生。对数据总线传送器件 74245，它的操作需 B2，B3 两个电平型控制信号。 把 B3 固定接 RF 使运行时允许 74LS245 传送。 （4）对只需要一个电平跳变有效的操作信号的器件。如运算器模块中的进位触发器 CY（74LS74） ，它的接数条件仅是 CP 当 CP 电平正跳时 CY 接收其 D 端数据。 安安 徽徽 工工 程程 科科 技技 学学 院院 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 - 5 - . 2.2 整机逻辑框图设计： 图 2-1 整机逻辑框图设计 安安 徽徽 工工 程程 科科 技技 学学 院院 课课 程程 设设 计计 用用 纸纸 - 6 - 2.3 指令系统设计： 2.3.1 指令类型 在本实验计算机的设计要求中，指令系统至少要包含九条指令。这 9 条指令（参 见表 2-1）的类型分别为： 表 2-2 指令类型表 MOV Ri #dat