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1、课程设计（大作业）报告课程名称： 计算机组成原理 设计题目： 模型计算机设计 院 系： 信息技术学院 班 级： 2013级2班 设 计 者： 何光耀 学 号： 201311010205 指导教师： 华 瑞 设计时间： 2015.6.222015.6.26 信息技术学院昆明学院课程设计（大作业）任务书姓 名：何光耀院（系）：信息技术学院专 业：计算机科学与技术学 号：201311010205任务起止日期：2015.6.222015.6.26课程设计题目：复杂模型计算机CPUMemoryCache外设1外设2外设3外设nI/OI/OI/O外存储器上图是一个模型计算机（仅供参考），请设计：一、设计内
2、容1、画出你设计的计算机模型连接图，然后分别描述下述内容2、CPU （1）ALU的功能，组成，设计图（2）CPU如何执行指令，分别叙述（3）CPU如何设计（4）指令系统3、存储器（1）分类（2）组成（3）扩展（4）与CPU的连接（5）存储器技术综述4、总线（1）总线分类（2）各种总线的工作原理（3）你设计的CPU与设备如何连接5、外设（1）磁盘存储器结构与原理（2）光盘（3）磁带（4）键盘（5）显示器（6）打印机（7）鼠标6、接口（1）接口概述（2）各类接口功能，工作原理，怎样与主机连接，怎样与外设连接二、设计要求1、讨论 （1）设计并画出模型计算机的电路组成结构图；（2）分别设计的模型计算机
3、各个部件的结构；（3）讨论各个部件的功能。3、撰写课程设计报告书。 报告书内容包含：（1）根据模型计算机的组成结构图，分章、节、段分别讨论该图个部件的工作原理（2）可以讨论，上网查资料，但每个人需独立完成自己的设计，不能抄袭（3）总结心得体会，说明对此次课程设计的理解和建议；工作计划及安排：1、第十六周周一周二：查阅相关的资料，选定合适的实验结构图来进行组成结构的设计。2、第十七周周三：构思组成原理图，然后撰写课程设计报告。3、第十七周周四周五：完善课程设计报告。在此过程中有不明白的地方与同组成员讨论并查阅相应资料。指导教师签字 年 月 日 课程设计（大作业）成绩学号：201311010205
4、 姓名：何光耀 指导教师：华 瑞课程设计题目：复杂模型计算机总结：指导教师评语：成绩：填表时间：指导教师签名：课程设计（大作业）报告一、题目分析在此次的课程设计题目中，需要我们设计一个计算机模型，并且还需要包括CPU、存储器、总线、外设和二、计算机结构设计三、第一章 CPU1、ALU的功能，组成，设计图（1）功能算术逻辑单元(ALU)是中央处理器(CPU)的执行单元，是所有中央处理器的核心组成部分，ALU主要完成对二进制数据的定点算术运算(加减乘除)、逻辑运算(与或非异或)以及移位操作。在某些CPU中还有专门用于处理移位操作的移位器，通常ALU由两个输入端和一个输出端。基本上，在所有现代CPU
5、体系结构中，二进制都以补码的形式来表示。（2）组成 ALU用以计算机指令集中的执行算术与逻辑操作，在某些处理器中，将ALU切分为两部分，即算术单元 (AU)与逻辑单元(LU)。某些处理器包含一个以上的AU，如，一个用来进行定点操作，另一个进行浮点操作。通常而言，ALU具有对处理器控制器、内存及输入输出设备的直接读入读出权限，输入输出是通过总线进行的。输入指令包含一个指令字，有时被称为机器指令字，其中包括操作码，单个或多个操作数，有时还会有格式码；操作码指示ALU机要执行什么操作，在此操作中要执行多少个操作数。比如，两个操作数可以进行比较，也可以进行加法操作，格式码可以和操作码结合，告知这是一个
6、定点还是浮点指令；输出包括存放在存储寄存器中的结果及显示操作是否成功的设置。如操作失败，则在机器状态字中会有相应的状态显示。通常，输入操作数、操作数、累加和以及转换结果的存储位置都在ALU中。在算术单元中，乘除操作是通过一系列的加减运算得到的。在机器码中有多种方式用以表示负数。（3）ALU设计图全加器F函数发生器FiCn+i+1Cn+iS0S1S2S3AiBiXiYi2、CPU如何执行指令，分别叙述(1)CPU的功能CPU对整个计算机系统的运行是极其重要的，它具有如下四方面的基本功能：a.指令控制:程序的顺序控制，称为指令控制。由于程序是一个指令序列，这些指令的相互顺序不能任意颠倒，必须严格按
7、程序规定的顺序进行，因此，保证机器按顺序执行程序是CPU的首要任务。b.操作控制: 一条指令的功能往往是有若干个操作信号的组合来实现的，因此，CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。c.时间控制: 对各种操作实施时间上的定时，成为时间控制。因为在计算机中，各种指令的操作信号均受到时间的严格定时。另一方面，一条指令的整个执行过程也受到时间的严格定时。d.数据加工:所谓数据加工，就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。完成数据的加工处理，是CPU的根本任务。（2）CPU中的主要寄存器a.数据缓冲寄存器（DR）：数据缓冲寄存器
8、用来暂时存放ALU的运算结果。b.指令寄存器（IR）： 指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。c.程序计数器（PC）：为了保证程序能够连续地执行下去，CPU必须具有某些手段来确定下一条指令的地址。d.数据地址寄存器（AR）: 数据地址寄存器用来保存当前CPU所访问的数据cache存储器中（简称数存）单元的地址。e.通用寄存器（R0R3）: 通用寄存器可存放源操作数，也可存放结果操作数。f.状态字寄存器（PSW）: 状态字寄存器保存由算术指令和逻辑指令运算或测试结果建立的各种条件代码。 （3）CPU执行指令CPU执行指令一般是按照顺序一条条的执行，它也会根据指令要求跳转，条件选择，或是循环运
9、行。它执行指令的速度要看CPU内部结构如何还跟CPU的主频高低。计算机每执行一条指令都可分为三个阶段进行，即取指令-分析指令-执行指令。取指令的任务是：根据程序计数器PC中的值从程序存储器读出现行指令，送到指令寄存器。分析指令阶段的任务是：将指令寄存器中的指令操作码取出后进行译码，分析其指令性质。如指令要求操作数，则寻找操作数地址。计算机执行程序的过程实际上就是逐条指令地重复上述操作过程，直至遇到停机指令可循环等待指令。3、CPU如何设计早期的CPU由运算器和控制器两大部分组成，后因CPU的内部组成越来越复杂，所以CPU的基本部分变成了运算器、cache、控制器三大部分。现在来逐一了解CPU的
10、组成：a.控制器: 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。b.运算器:由算术逻辑单元（ALU）、通用寄存器、数据缓冲寄存器DR和状态条件寄存器PSW组成，它是数据加工处理部件。其功能为：执行所有的算术运算和逻辑运算。c.cache:高速缓冲存储器（Cache）其原始意义是指存取速度比一般随机存取记忆体（RAM）来得快的一种RAM，一般而言它不像系统主记忆体那样使用DRAM技术，而使用昂贵但较快速的SRAM技术，也有快取记忆体的名称。高速缓冲存储器和主存储器一起构成一级的存储器，它和主存储器之间信息的调
11、度和传送是由硬件自动进行的。CPU结构图：4、指令系统 (1)指令系统的概念与其性能一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。一个完善的指令系统应该满足如下四方面的要求：a. 完备性: 完备性是指用汇编语言编写各种程序时，指令系统直接提供的指令足够使用，而不必用软件来实现。b.有效性:有效性是指利用该指令系统所编写的程序能够高效率的运行。高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。c.规整性: 规整性包括指令系统的对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。d.兼容性: 兼容性是指各机种上基本软件可以通用，但是只能做到“向上兼容”，即低档机上运行的软件可以在高档机上运行。（
12、2）指令格式一条指令的结构可用如下形式来表示：操作码字段OP地址码字段A其中操作码字段表征指令的操作特性与功能，而地址码字段通常指定参与操作的操作数的地址。四、第二章 存储器1、存储器的分类存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。根据存储材料的性能及使用方法不同，存储器有各种不同的分类方法：(1)存储介质: 目前使用的存储介质主要是半导体器件和磁性材料，用半导体器件组成的存储器称为半导体存储器；用磁性材料做成的存储器称为磁表面存储器。(2)存取方式: 若存储器中任何存储单元的内容都能被随机存取，且存取时间和存储单元的物理位置无关，这种存储器称为随机存储器；若存储器只能按某种顺序来取
13、存取，也就是说存取时间和存储单元的物理位置有关，这种存储器称为顺序存储器。(3)存储内容可变性: 若半导体存储器存储的内容是固定不变的，即只能读出而不能写入，则称这样的存储器为只读存储器；若是既能读出又能写入的半导体存储器则称为随机读写存储器。(4)信息易失性: 断电后信息消失的存储器称为易失性存储器；断电后仍能保存信息的存储器称为非易失性存储器。(5)系统中的作用: 根据存储器在计算机系统中所起的作用，可分为内部存储器、外部存储器；又可分为主存储器、高速缓存存储器、辅助存储器、控制存储器。2、存储器的组成存储器是由高速缓冲存储器（cache）、主存储器和外存储器的多级存储器体系结构来构成的，
14、其分级结构图如下： 3、存储器的扩展为了使存储器的容量能够变得足够的大，因此就采用了以下几种方法来扩展存储器的容量：(1)字长位数扩展: 若给定的芯片字长位数较短，不满足设计要求的存储器字长，那么就应该多使用几片芯片来扩展字长位数。(2)字存储容量扩展: 若给定的芯片存储容量较小，不满足设计要求的总存储容量，那么就应该多使用几片芯片来扩展字数。(3)存储器模块条: 存储器模块条常称为内存条，通过它下部的插脚插到系统板的专用插槽中，可以使存储器的总容量得到扩充。4、与CPU的连接示意图：五、第三章 总线1、总线的分类总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。它大致可分为三类：（1）内部总线： CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线。（2）系统总线： CPU同计算机系统的其他高速功能部件等互相连接的总线。（3）I/O总线：
