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1、引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
2、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
3、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。
4、（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
5、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。第1章概述1.1设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
6、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故较详细的了解。FD-CES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-CESM有以下主要特点：一、采用总线结构FD-CES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MBCPU内存、外设和控
7、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-CE助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MEM总线缓冲模块BUS微程序才5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
8、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-CE豉验仪，可大大减少实验者的接线工作量，
9、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I7I6I5I4I3I2I110d7-do00000XRia7-a0MOVRi#dataData-Ri0001X
10、0Ria7-a0MOVA,Ri(I7,I6,I5(Ri)-A0010Xa10a9a8a7-a0LDAaddr(data)-A0011Xa10a9a8a7-a0STA,addr(A)-addr0100X0a9a8a7-a0JMPaddrAddr-PC0101X0a9a8a7-a0JA0addr若(A)0=1贝Uaddr-PC否贝UPC+10110X0a9a8a7-a0JKBaddr若KB=1贝Uaddr-PC,否贝UPC+10101X0a9a8a7-a0JPBaddr若PB=1贝Uaddr-PC,否贝UPC+11000X0a9a8a7-a0INCRi(Ri)-Ri（ 6） 能执行将键盘输入的奇数
11、i(i=1-255)回打出来并存入100H号开始的内存单元中(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2章实验计算机的设计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10
12、0H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MOVRi#dataMOVA,RiLDAaddrSTA,addrJMPaddrJA0addrJKBaddrJPBaddrINCRiData-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)-Ri2.1.5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
13、，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勺操作控制信号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RM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CA3
14、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。.2.2 整机逻辑框图设计：图2-1整机逻辑框图设计2.3 指令系统设计：2.
15、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MOVRi#dataMOVA,RiLDAaddrSTA,addrJMPaddrJA0addrJKBaddrJPBaddrINCRi输入输出类指令输入输出类指令输入输出类指令输入输出类指令程序跳转控制类指令程序跳转控制类指令程序跳转控制类指令程序跳转控制类指令输入输出指令2.3.2 指令操作数寻址方式及编码：根据FD-CESI供的硬件条件，单累加器多寄存器结构的实验计算机指令的操作数寻址方式以及编码状态可以如下表所示2-3指令操作数寻址方式及编码表指令助记符MOVRi#dataMOVA,RiLDAa
