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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：基本模型计算机设计与实现 院 系： 信息技术学院 班 级： 2012级1班 设 计 者： 饶 峻 学 号： 201211010118 指导教师： 王玉见 设计时间： 2014.6.232014.6.27 信息技术学院昆明学院课程设计（大作业）任务书姓 名：饶 峻 院（系）：信息技术学院专 业：计算机科学与技术 学 号：201211010118任务起止日期：2014.6.232014.6.27课程设计题目：基本模型计算机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
2、：一、设计内容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
3、的模型计算机各个部件的结构；（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、 分组，明确设计目标，搜集相关设计资料，熟悉基本模型机原理实验。 6.232、 整体结构框架设计，撰写初步设计文档，进一步搜集设计资料，熟悉复杂模型机实验。 6.243、 按分工要求进行具体内容设计，撰写具体设计文档，熟悉复杂模型机实验。 6.254、 具体设计内容进一步修改完善，继续撰写并
4、修改完善设计文档（大作业报告）。 6.265、 按设计要求提交最终设计成果及课程设计大作业报告，指导教师检查评阅。 6.27 指导教师签字 年 月 日 课程设计（大作业）成绩学号：201211010118 姓名：饶 峻 指导教师：王玉见课程设计题目：复杂模型计算机总结通过本次的实训,巩固了所学的知识,通过亲自动手设计,对所学知识有了不一样的认识,巩固了课堂知识,提高综合运用所学的理论知识和方法独立分析和解决问题的能力,达到学与致用的目的本次的课程设计我进一步熟悉了计算机组成原理的基本知识,同时也了解了模型计算机设计的基本方法,掌握了一些基本知识的基本运用,在模型计算机的设计中运用了很多知识,也
5、学会了很多.我收获颇多指导教师评语：成绩填表时间：指导教师签名：目 录 （一） CPU61、ALU的功能，组成，设计图62、CPU如何执行指令73、CPU设计84、指令系统9（二） 存储器91、存储器分类：92、存储器的组成103、存储器的扩展114、存储器与CPU的连接125、存储器技术综述121、总线分类132、各种总线的工作原理143、CPU与设备如何连接15(四) 外设151、磁盘存储器结构与原理152、光盘163、磁带164、键盘175、显示器176、打印机177、鼠标18（五） 接口181、接口概述182、各类接口功能，工作原理，怎样与主机连接，怎样与外设连接19三、设计要求19四
6、、总结21参考文献21课程设计（大作业）报告一、题目分析掌握计算机的工作原理，认识计算机的内部结构，各个部件之间的联系，以及他们是怎样相互通信，合理的处理各个信息的，然后构建模型计算机。基本模型计算机的课程设计，就是要在简单模型机的基础上，在掌握各功能部件的基础上，设计出一个完整的基本模型计算机。它要求我们要认真预习与试验相关的知识和内容，了解微程序控制器是如何控制模型计算机的运行，了解计算机的基本组成原理。二、计算机结构设计基本模型计算机的数据通路图（一） CPU1、ALU的功能，组成，设计图 （1） 功能：不仅具有多种算术运算和逻辑运算的功能，而且具有先行进位逻辑，从而实现现高速运算。 （
7、2） 组成：全加器和函数发生器。 （3） 设计图：ALU的逻辑机构原理图ALU74181的结构示意图2、CPU如何执行指令（1） 控制器：完成协调和指挥整个计算机系统的操作指令cache中取出一条指令，并指出下一条指令在指令cache中的位置。指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。比如一次数据cache的读/写操作，一个算术逻辑运算操作，或一个输入/输出操作。挥并控制CPU、数据cache和输入/输出设备之间数据流动的方向。（2） 运算器：接受控制器的命令而进行动作运算器包括： 算术逻辑单元ALU 通用寄存器：为ALU的运算提供工作区。 数据缓冲寄存器DR：暂时存放
8、ALU的运算结果或输入的数据字。 状态字寄存器PSW：保存由算术指令或逻辑指令运算或测试结果建立的各种条件代码。运算器的主要功能： 执行所有的算术运算。 执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试。3、CPU设计CPU主要由算术逻辑单元ALU，数据暂存寄存器DR1、DR2，数据寄存器R0R2，程序计数器PC，地址寄存器AR，程序/数据存储器MEMORAY，指令寄存器IR，微控制器UC，输入单元INPUT和输出单元OUTPUT所组成。图中包括运算器、控制器、程序存储器、数据存储器和微程序存储器等，实测时，它们都可以在单片FPGA中实现。 4、指令系统 指令系统是表征一台计算机性能的 重要因素。指令格式指
9、指令字用二进制代码表示的结构形式，通常由操作码字段和地址码字段组成。形成指令地址的方式，称为指令寻址方式。有有序寻址和跳跃寻址两种，有指令计数器来跟踪。不同的计算机有不同的指令系统，一个较完善的指令系统应当包含数据传递类指令、算术运算类指令、逻辑运算类指令、程序控制类指令、I/O类指令、字符串类指令、系统控制类指令。(1)、数据传送类指令：主要包括取数指令、存数指令、传送指令、成组传送指令、字节交换指令、堆栈操作指令等。主要用来实现主存和寄存器之间，或者寄存器和寄存器之间的数据交换。(2)、算术运算指令：包括二进制定点加、减、乘、除指令，求反、求补指令，算术移位指令，算术比较指令，十进制加、减
10、运算指令。主要用于定点或浮点的算术运算。(3)、逻辑运算指令：包括逻辑加、逻辑乘、按位加、逻辑移位等指令，主要用于无符号数的位操作、代码的转换、判断及运算。(4)、程序控制指令：也称转移指令。通常情况下，计算机在执行程序时，按指令计数器的现行地址顺序取指令。特殊情况，执行到某条指令时，出现几种不同结果，这时，计算机必须执行一条转移指令，据情况和不同的结果进行转移，从而改变原来的执行顺序。(5)、输入输出指令：主要用来启动外围设备，检查测试外围设备的工作状态，并实现外部设备和CPU之间，或外围设备与外围设备之间的信息传送。(6)、字符串处理指令：在文字编辑中对大量字符串进行处理。(7)、特权指令
11、：即具有特殊权限的指令。主要用于系统资源的分配和管理，包括改变系统的分配方式，检测用户的访问权限，修改虚拟存储器管理的段表、页表，完成任务的创建和切换等。（二） 存储器1、存储器分类：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）按存储介质：半导体存储器：用半导体器件组成的存储器。磁表面存储器：用磁性材料做成的存储器。（2）按存取方式：随机存储器：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。顺序存储器：只能按某种顺序来存取，存取时间和存储单元的物理位置有关。（3）按存储内容可变性：只读存储器(ROM)：存储的内容是固定不变的，只能读出而不能写入的
12、半导体存储器。随机读写存储器(RAM)：既能读出又能写入的半导体存储器。（4）按信息 易失性：非永久记忆的存储器：断电后信息即消失的存储器。永久记忆性存储器：断电后仍能保存信息的存储器。（5）按系统中的作用：可分为内部存储器，外部存储器，又可分为主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、控制存储器等等。为了解决对存储器要求容量大，速度快，成本低三者之间的矛盾，通常采用多级存储器体系结构，即使用高速缓冲存储器、主存储器和外存储器。2、存储器的组成目前，构成存储器的存储介质主要采用半导体器件和磁性材料。一个双稳态半导体电路或一个CMOS晶体管或磁性材料的存储元，均可以存储一位二进制代码。这个二进制代码
13、位是存储器中最小的存储单位，称为存储位元。由若干个存储位元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器。SRAM的组成结构图如下：DRAM存储器的组成结构图如下：3、存储器的扩展（1）字长位数扩展 给定的芯片字长位数较短时，不满足设计要求的存储器字长，此时需要用多片给定芯片扩展字长位数，即将各芯片的数据线分别接到数据总线的各位，而各芯片的地址线、读/写信号线和片选信号线对应地并联在一起。（2）字存储容量扩展 给定的芯片存储容量较少时，不满足设计要求的总存储量，此时需要用多片给定芯片扩展字数，可利用芯片地址串联的方式实现。（3）字和位扩展 字和位扩展是字扩展和位扩展的组合。（4）储器模块条 存储器通常以插槽用模块条形式供应市场。这种模块条常成称为内存条，它们是在一个条形状的小印制电路板上，用一定数量的存储器芯片，组成一个存储容量固定的存储模块。然后通过它下部的插脚插到系统板的专用插槽中，从而使存储器的总容量得到扩充。4、存储器与CPU的连接 存储器与CPU是通过总系来连接的，总线又分为单总线和多总线，在单总线系统中，当CPU取一条指令时，首先把程序计数器的地址同控制信息一起送
