计算机组成与体系结构培训课程设计方案7130.docx

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1、目录（一）课课设任务务概述221.1课课设目的的21.2 课设任任务2（二）课课设内容容32.1指指令的执执行流程程32.2存存储器662.3设设计计算算机运算算器72.4计计算机的的硬件系系统8（三）个个人总结结10（四）参参考文献献10（五）致致谢111（一）课课设任务务概述1.1课课设目的的通过课设设，掌握握计算机机系统软软硬件维维护的方方法，并并能利用用所学知知识，完完成课设设内容。1.2 课设任任务（1）参参考给出出的或者者课本上上的计算算机的硬硬件（应应有中断断功能）组组成，写写出完成成下面给给定的指指令格式式的指令令的执行行流程；（2）某某机器中中，已知知配有一一个地址址空间为为

2、00000H-3FFFFH的的ROMM区域。现在再再用一个个RAMM芯片（88K*88）形成成40KK*166位的RRAM区区域，起起始地址址为60000HH。假设设RAMM芯片有有CS和和WE信信号控制制端。CCPU的的地址总总线为AA15-A0，数数据总线线为D115-D0，控控制信号号为R/W（读读/写），MMREQQ（访存存），要要求：（1）画画出主存存地址框框图。（2）画画出组成成连接框框图。（3）设设计计算算机运算算器（包包括逻辑辑框图与与指令系系统，以以及各指指令的微微程序流流程图）（4）了了解计算算机的硬硬件系统统。就计计算机的的某些硬硬件组成成部分，说说明对其其认识。（5）简

3、简单的类类MIPPS多周周期流水水线处理理器的实实现实验验。（二）课课设内容容2.1指指令的执行流流程2.1.1参考考给出的的或者课课本上的的计算机机的硬件件（应有有中断功功能）组组成，写写出完成成下面给给定的指指令格式式的指令令的执行行流程；（1）寄寄存器内内容完成成“异或”运算“异或” 指令令的指令令格式DDR:目目标寄存存器 SR：源寄存存器操作码 DR SSRPC-ARXRL DR，SRM-DRDR-IR译码DR-YSR-XXY-DR（2）把把一个内内存单元元中的内内容读到到所选择择的一个个累加器器中。操作码DDR SRR(3) OUTT adddr 00111 00000 adddr

4、 BUUSABUS-I/O译码启动PC-AR-ABUSDBUS-DR-IRPC+1-PCIR-DR-AR-ABUS2.2存存储器某机器中中，已知知配有一一个地址址空间为为00000H-3FFFFH的的ROMM区域。现在再再用一个个RAMM芯片(8K8)形形成400K116位的的RAMM区域，起起始地址址为60000HH,假定定RAMM芯片有有和信号控控制端。CPUU的地址址总线为为A155-A0，数据据总线为为D155-D0，控制制信号为为R/(读/写)， (访存存)，要要求：（1） 画出地地址译码码方案。（2） 将ROOM与RRAM同同CPUU连接。依题意，主主存地址址空间分分布如右右图所示

5、示，可选选用2片片(166K88位)的的EPRROM作作为ROOM区；10片片的8KK8位位RAMM片组成成40KK166位的RRAM区区。(116K8位)的EPPROMM需144位片内内地址，而而(8KK8)RAMM需133位片内内地址，故故可用AA15-A133三位高高地址经经译码产产生片选选信号,方案如如下:2.3设设计计算算机运算算器指令助记记符位23222120191817161514131211109876543210指令码（十六进进制）信号S3S2S1S0CnMX1X0OICLCPSCGOTLPOBGIP+1DRMLDWCRCRR读WR写有效电平平*011*00000100000

6、1取指微指指令000000001000101101101010008BB6AADDAA00000000100000101100111000822BE110001111010100111001101C7A99CD000000001000101001101011008AA6ASUBA,B00000000100000101100111000822BE0110111110101100110011016FACCCD000000001000101001101011008AA6A（1）AADD指指令执行行流程：（1）取取指PC-AR 将PCC内容传传给ARRAR-M 找到对对应内存存地址M-DDR 进入缓缓

7、冲寄存存器PC+II-PPC PCC内容加加I形成成下条指指令地址址，I为为指令长长度DR-IR 传送送入指令令寄存器器（2）执执行A-YY 将将A中的的数据传传送到寄寄存器YY中addrr+Y-Z adddr中中数据与与Y 中中数据加加载至AALU做做加法，结结果暂存存于Z中中Z-AA 将暂暂存器ZZ的内容容传送到到A中（2）SSUB指指令执行行流程：（1）取取指PC-AR 将PCC内容传传给ARRAR-M 找到对对应内存存地址M-DDR 进入缓缓冲寄存存器PC+II-PPC PCC内容加加I形成成下条指指令地址址，I为为指令长长度DR-IR 传送送入指令令寄存器器（2）执执行IR-AR 将

8、指指令寄存存器中的的内容送送入地址址寄存器器AR-M 找到对对应内存存地址M-DDR 进入缓缓冲寄存存器DR-AR 将缓冲冲寄存器器中的内内容送入入地址寄寄存器AR-M 找到对对应内存存地址M-DDR 进入缓缓冲寄存存器R0-Y 将RR0的内内容送入入暂存器器Y中Y-DRR-ZZ 暂暂存器YY的值减减去缓冲冲寄存器器的值后后存入ZZ暂存器器Z-RR0 将ZZ中的内内容送入入R0中中2.4计计算机的的硬件系系统了解计算算机的硬硬件系统统。就计计算机的的某些硬硬件组成成部分，说说明对其其认识。构成计计算机的的硬件系系统通常常有“五五大件”组组成：输输入设备备、输出出设备、存储器器、运算算器和控控制

9、器。计算机的的输入输输出（II/O）设设备是计计算机从从外部世世界接收收信息并并反馈结结果的手手段，统统称为II/O设设备或外外围设备备。各种种人机交交互操作作，程序序和数据据输入，计计算结果果或中间间结果的的输出，被被控对象象的检测测和控制制等，都都必须通通过外围围设备才才能实现现。（1） 输入设备备输入设备备用于原原始数据据和程序序的输入入，能将将人们熟熟悉的信信息形式式变换成成计算机机能接受受的并识识别的人人二进制制信息形形式。理想的计计算机输输入设备备应该是是“会看”和“会听”的，即即能把人人们用文文字或语语言所表表达的问问题直接接送到计计算机内内部进行行处理。目前常常用的输输入设备备

10、是键盘盘，鼠标标器，扫扫描仪等等，以及及用文字字识别，图图像识别别，语音音识别的的设备。（2） 输出设备备输出设备备将计算算机输出出的处理理结果信信息，转转换成人人类或其其他设备备能够接接受和识识别的信信息形式式（如字字符，文文字，图图形，图图像和声声音）。理想的输输出设备备应该是是“会写”和“会讲”的。“会写”已经做做到，如如目前广广为使用用的激光光打印机机，绘图图仪，CCRT/LCDD显示器器等，这这些设备备不仅能能输出文文字信号号，而且且还能画画出图形形。至于于“会讲”即输出出语言设设备，目目前已有有初级的的语音合合成产品品问世。（3） 控制器控制器是是计算机机的管理理机构和和指挥中中心

11、，它它按照预预先确定定的操作作步骤，协协调控制制计算机机各部件件有条不不紊地自自动工作作。控制器工工作的实实质就是是解释程程序，它它每次从从存储器器读取一一条指令令，经过过分析译译码，产产生一系系列操纵纵计算机机其他部部分工作作的控制制信号（操操作命令令），发发想各个个部件，控控制各部部件动作作，是整整个机器器连续，有有条不紊紊地运行行。高级级计算机机中的控控制器可可以改变变某些指指令的顺顺序，以以改善性性能。对所有CCPU而而言，一一个共同同的关键键部件是是程序计计数器，它它是一个个特殊的的寄存器器，记录录着将要要读取的的下一条条指令的的存储器器中的位位置。（4） 运算器运算器是是一个用用于

12、信息息加工的的部件，用用于对数数据进行行算术运运算和逻逻辑运算算。运算器通通常是由由算术逻逻辑单元元（Arrithhmettic Loggic Uniit,AALU)和一系系列寄存存器组成成，其中中ALUU是具体体完成算算术与逻逻辑的运运算单元元，是运运算器的的核心，由由加法器器和其他他逻辑单单元组成成。寄存存器用于于存放参参与运算算的操作作数。累累加器是是一个特特殊的寄寄存器，除除了存放放操作数数之外，还还用于存存放中间间结果和和最后结结果。特定的AALU所所支持的的算术运运算，可可能仅局局限于加加法和减减法，也也可能包包括乘法法，除法法，甚至至三角函函数的平平方根。有些AALU只只支持整整

13、数，而而其它AALU则则可以使使用浮点点来表示示有限精精度的实实数。但但是，能能够执行行最简单单运算的的任何计计算机，都都可以通通过编程程，把复复杂的运运算分解解成它可可以执行行的简单单步骤。所以，任任何计算算机都可可以通过过编程拉拉执行任任何的算算术运算算，如果果其ALLU不能能从硬件件上直接接支持，则则运算则则从软件件方式实实现，但但花费较较多的时时间。逻辑运算算包括与与（ANND），或或（ORR），异异或（XXOR）等等布尔运运算，对对于创建建复杂的的条件语语句和处处理布尔尔逻辑而而言都是是有用的的。 ALLU还可可以比较较数值，并并根据比比较结果果（如是是否相等等，大于于或小于于）来返

14、返回一个个布尔值值：真（TTUREE）和假假（FAALSEE）。（5） 存储器存储器的的主要功功能是存存放数据据和程序序。程序序是计算算机的操操作依据据。数据据时计算算机的操操作对象象，不管管是程序序还是数数据，在在存储器器中都是是用二进进制数的的形式来来表示的的，统称称为信息息。向存存储器存存入或从从存储器器中读出出信息，都都称为存存储器的的访问。计算机存存储器是是由可以以存放和和读取数数值的一一系列单单元组成成的，每每个存储储器都有有一个编编号，称称为“地址”。向存存储器中中存数活活存存储储器中取取数，都都要按给给定的地地址寻找找所选择择的寻址址单元，存存储在存存储器的的信息可可以表示示任

15、何东东西，文文字，数数值甚至至计算机机指令都都可以同同样容易易地存放放到存储储器中去去。存储器是是计算机机中存储储信息的的部件，按按照存储储器在计计算机中中的作用用，可以以分为主主存储器器，寄存存器，闪闪速存储储器，高高速缓冲冲存储器器，辅助助存储器器等几种种类型，他他们均可可以完成成数据存存取工作作，但性性能及其其在计算算机中的的作用差差别很大大。 主存储器器计算机主主存储器器（Maain Memmoryy，简称称主存）通通常采用用半导体体存储器器，有两两种主要要类型：随机存存储器（RRanddom Acccesss Meemorry，RRAM）和和只读存存储器（RReaddOnlly MM

16、emoory，RROM）。RAMM可以按按CPUU的命令令进行读读写，而而ROMM则事先先加载了了固化的的数据和和软件，CCPU只只能读取取。一般般情况下下，当计计算机电电源关闭闭时，RRAM的的内容被被消除，而而ROMM则会保保留其数数据。ROM通通常用来来存储计计算机的的初始指指令。在在PC机机中，通通常包含含一个固固化在RROM中中，称为为BIOOS的专专用程序序，当计计算机开开机或复复位时，可可以把计计算机操操作系统统从硬盘盘加载到到RAMM中。在在通常没没有硬盘盘的嵌入入式计算算机中，执执行任务务所需的的全部软软件都可可以存储储在ROOM中。 存储在RROM中中的软件件经常被被称为固

17、固件（FFirmmwarre），因因此他从从外观上上看更像像硬件。（6）寄寄存器 CPPU内部部包含一一组称为为寄存器器（Reegissterr）的特特殊单元元，其读读写速度度比贮存存区域快快得多。不同类类型的CCPU有有二到一一百多个个寄存器器寄存器通通常被认认为使用用最频繁繁饿数据据项，以以避免每每次需要要数据时时都要访访问主存存。由于于主存比比ALUU和控制制器来得得慢，减减少主存存访问需需求可以以大大加加快计算算机的速速度。 闪速存储储器闪速存储储器（FFlassh MMemoory ,简称称闪存）可可以像RROM一一样在关关机时保保留数据据，但也也可以像像RAMM一样可可以被重重写，

18、从从而模糊糊了ROOM和RRAM之之间的界界限。但是，闪闪存通常常比常规规的RAAM和RROM慢慢得多，所所以局限限于不需需要高速速的应用用场合。 高速缓冲冲存储器器（caachee）在现代计计算机中中，存在在一个或或多个比比寄存器器慢但比比主存快快的高速速缓冲存存储器（简简称高速速缓存）cache，它位于CPU和主存储器之间，规模较小但速度快，能够很好地解决CPU和主存之间的匹配问题。通常，计计算机能能够自动动地把需需要频繁繁访问的的数据移移入caachee，而无无需任何何人干预预，当需需要读写写数据时时，CPPU首先先访问ccachhe，只只有当ccachhe中不不包含所所需数据据时，才才

19、开始访访问主存存。 辅助存储储器半导体存存储器的的存储容容量毕竟竟有限，因因此，计计算机又又配备了了存储容容量更大大的磁盘盘存储器器和光盘盘存储器器，称为为外存储储器（简简称外存存）或辅辅助存储储器（简简称辅存存），相相对而言言，半导导体存储储器称为为内存储储器（简简称内存存）。辅助存储储器主要要用于存存放当前前不在运运行的程程序和未未用到的的数据，其其特点是是存储容容量大，成成本低，并并可以脱脱机保存存信息。常用的的辅助存存储器有有软盘存存储器，硬硬盘存储储器，光光盘存储储器等。（三）个个人总结结本周课程程设计的的主要内内容是进进一步认认识和了了解计算算机的硬硬件（应应有中断断功能）组组成，

20、写写出完成成下面给给定的指指令格式式的指令令的执行行流程和和对主存存器的扩扩展的考考察、设设计计算算机运算算器（包包括逻辑辑框图与与指令系系统，以以及各指指令的微微程序流流程图）以及计计算机的的硬件系系统，就就计算机机的某些些硬件组组成部分分，说明明对其认认识。通通过这次次计算机机组成原原理与系系统结构构的课程程设计，加加深了我我对计算算机执行行指令的的理解。另一方方面，让让我对冯冯诺依曼曼的计算算机存储储结构有有了更好好的认识识和了解解，使自自己更加加深刻的的复习和和掌握了了本学期所所学习的的知识。在实验验过程中中有很多多不会的的地方，最最终通过过自己的的不断探探索，以以及老师师和同学学的帮助助才完成成了实验验。（四）参参考文献献1 陈泽宇宇计算机机组成与与系统结结构，20009：30001-50000（五）致致谢这次实验验，首先先要感谢谢赵孟德德老师，每每次都能能很好的的解答我我们的问问题以及及帮助我我们克服服各种学学习中所所遇到的的困难；其次，要要感谢我我们组的的每一位位组员，在在他们的的帮助下下，我们们共同研研究，更更好的完完成课程程设计。