计算机原理课程设计--模型计算机设计.docx

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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：信息技术学院课程设计(大作业)任务书课程设计题目：复杂模型计算机上图是一个模型计算机(仅供参考)，请设计：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

2、(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

3、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、外设二、计算机结构设计D35INS四，二.不而 MW口unm_iiLDttl(T3),1DOR2(T3)厦1M21AR-KSLDIAR皿成U)S(T4) IOIB_ vC.-S.SBus D加台LDAR2(T2)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

4、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

5、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FiAAiBi2、CPU如何执行指令，分别叙述(l)CPU的功能CPU对整个计算机系统的运行

6、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

7、，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（ROR3）:通用寄存器可存放源操作数，也可存放结果操作数。E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

8、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

9、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D

10、RAM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

11、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。(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0P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

12、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

13、、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，其分级结构图如下：；cpu.1-磁盘、坨以、U盘访问速度越来越内容量越来越大. 价格越来越便寄存器CacheCache内存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

14、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：中、低速I/O设备之间互相连接的总线。2、总线的工作原理如果说主板(Mother Board)是一座城市，那么总线就像是城市里的公共汽车(bus),能按照固定行车路线，传输来回不停运作的比特(bit)0这些线路在同一时间内

15、都仅能负责传输一个比特。因此，必须同时采用多条线路才能传送更多数据，而总线可同时传输的数据数就称为宽度(width),以比特为单位，总线宽度愈大，传输性能就愈佳。总线的带宽（即单位时间内可以传输的总数据数）为：总线带宽=频率X宽度（Bytes/sec）。当总线空闲（其他器件都以高阻态形式连接在总线上）且一个器件要与目的器件通信时，发起通信的器件驱动总线，发出地址和数据。其他以高阻态形式连接在总线上的器件如果收到（或能够收到）与自己相符的地址信息后，即接收总线上的数据。发送器件完成通信，将总线让出（输出变为高阻态）。3、你设计的CPU与设备如何连接通过I/O总线连接。六、第四章外设（1）磁盘存储

16、器结构与原理在计算机系统中，磁盘存储器常用于存放操作系统、程序和数据,是主存储器的扩充。发展趋势是提高存储容量，提高数据传输率，减少存取时间，并力求轻、薄、短、小。磁盘存储器通常由磁盘、磁盘驱动器（或称磁盘机）和磁盘控制器构成。磁盘存储器磁盘存储器利用磁记录技术在旋转的圆盘介质上进行数据存储的辅助存储器。这是一种应用广泛的直接存取存储器。其容量较主存储器大千百倍，在各种规模的计算机系统中，常用作存放操作系统、程序和数据，是对主存储器的扩充。磁盘存储器存入的数据可长期保存，与其他辅助存储器比较，磁盘存储器具有较大的存储容量和较快的数据传输速率。磁盘以恒定转速旋转。悬挂在头臂上具有浮动面的头块（浮

17、动磁头），靠加载弹簧的力量压向盘面，盘片表面带动的气流将头块浮起。头块与盘片间保持稳定的微小间隙。经滤尘器过滤的空气不断送入盘腔，保持盘片和头块处于高度净化的环境内，以防头块与盘面划伤。根据控制器送来的磁道地址(即圆柱面地址)和寻道命令，定位电路驱动直线电机将头臂移至目标磁道上。读写与选头电路根据控制器送来的磁头地址接通应选的磁头，将控制器送来的数据以串行方式逐位记录在目标磁道上；或反之，从选定的磁道读出数据并送往控制器。头臂装在梳形架小车上，在寻道时所有头臂一同移动。所有数据面上相同直径的同心圆磁道总称圆柱面，即头臂定位一次所能存取的全部磁道。每个磁道都按固定的格式记录。在每一记录段的尾部附

18、记有该段的纠错码，对连续少数几位的永久缺陷所造成的错误靠纠错码纠正，对有多位永久缺陷的磁道须用备分磁道代替。写读操作是以记录段为单位进行的。记录段的长度有固定段长和可变段长两种。(2)光盘即高密度光盘是近代发展起来不同于完全磁性载体的光学存储介质(例如：磁光盘也是光盘)，用聚焦的氢离子激光束处理记录介质的方法存储和再生信息，又称激光光盘。(3)磁带一种用于记录声音、图像、数字或其他信号的载有磁层的带状材料，是产量最大和用途最广的一种磁记录材料。(4)键盘用于操作设备运行的一种指令和数据输入装置，也指经过系统安排操作一台机器或设备的一组功能键(如打字机、电脑键盘)。(5)显示器也被称为监视器。显

19、示器是属于电脑的I/O设备，即输入输出设备。它是一种将一定的电子文件通过特定的传输设备显示到屏幕上再反射到人眼的显示工具。(6)打印机是计算机的输出设备之一，用于将计算机处理结果打印在相关介质上。打印机的种类很多，按打印元件对纸是否有击打动作，分击打式打印机与非击打式打印机。按打印字符结构，分全形字打印机和点阵字符打印机。按一行字在纸上形成的方式，分串式打印机与行式打印机。按所采用的技术，分柱形、球形、喷墨式、热敏式、激光式、静电式、磁式、发光二极管式等打印机。(7)鼠标计算机的一种输入设备，分有线和无线两种，也是计算机显示系统纵横坐标定位的指示器，因形似老鼠而得名“鼠标”(港台作滑鼠)。七、

20、第五章接口1)接口概述电脑等信息机器硬件组件间的接口叫硬件接口。电脑等信息机器软件组件间的接口叫软件接口。(2)各类接口功能，工作原理，怎样与主机连接，怎样与外设连接并行I/O标准接口 SCSISCSI是小型计算机系统接口的简称，其设计思想来源于IBM大型机系统的I/O通道结构，目的是使CPU摆脱对各种设备的繁杂控制。它是一个高速智能接口，可以混接各种磁盘、光盘、磁带机、打印机、扫描仪、条码阅读器以及通信设备。它首先应用于Macintosh和Sun 平台上，后来发展到工作站、网络服务器和pentium系统中，并成为 ANSI （美国国家标准局）标准。串行I/O标准接口 IEEE 1394八、模

21、型计算机通路框图及其部分功能分析微拄制命令图2-1模型机通路框图1时序发生器它由2片GAL22V10组成，产生节拍脉冲Tl、T2、T3,节拍电位W1、 W2、W3,以及中断请求信号ITNQ。主时钟MF采用石英晶体振荡器产生的1MHz时钟信号。Tl、T2、T3的脉宽为1微妙。一个机器周期组 Tl、 T2、 T3o2 .算术逻辑单元ALU算术逻辑单元由2片74181加1片7474、1片74244、1片74245、1片7430组成，进行算术逻辑运算。74181是一个4位的算术逻辑器件，2个74181级联构成一个8位的算术逻辑单元。在TEC-8模型计算机中，算术逻辑单元ALU对A端口的8位数和B端口的

22、8位数进行加、减、与、或和数据传送5种运算，产生8位数据结果、进位标志 C和结果为0标志Zo当信号SBUS为1时，将运算的数据结果送数据总线DBUSo3 .双端口寄存器组双端口寄存器组由1片可编程器件EPM7064组成，向ALU提供两个运算操作数A和B,保存运算结果。EPM7064里面包含4个8位寄存器 RO、RI、R2、R3,4选1选择器A,4选1选择器B,2-4译码器。在图L2中，用虚线围起来的部分全部放在一个EPM7064中。4个寄存器通过4选1选择器向ALU的A端口提供A操作数，通过4选1选择器B向ALU的B端口提供B操作数，2-4译码器产生信号LRO、LR1、 LR2和LR3,选择保

23、存运算数据结果的寄存器。4 .数据开关SD7-SD08位数据开关SD7-SD0是双位开关，拨到朝上位谿时表示,1,拨到朝下位谿时表示,0,。用于编制程序并把程序放入存储器,设谿寄存器R3R0的值。通过拨动数据开关SD7SD0得到的程序或者数据通过SWD送往数据总线DBUSo SWD是1片74244。5 .双端口 RAM双端口 RAM由1片IDT7132及少许附加电路组成，存放程序和数据。双端口 RAM是一种2个端口可同时进行读、写的存储器，2个端口各有独立的存储器地址、数据总线和读、写控制信号。在TEC-8中，双端口存储器的左端口是个真正的读、写端口，用于程序的初始装入操作，从存储器中取数到数

24、据总线DBUS,将数据总线DBUS上的数写入存储器；右端口设谿成只读方式，从右端口读出的指令INS7-INS0被送往指令寄存器IRo6 .程序计数器PC、地址寄存器AR和中断地址寄存器IAR程序计数器PC由2片 GAL22V10和1片74244组成向双端口 RAM的左端口提供存储器地址 PC7PC0,程序计数器PC具有PC复位功能，从数据总线DBUS上装入初始PC功能，PC加1功能，PC和转移偏量相加功能。地址寄存器 AR由1片GAL22V10组成，向双端口 RAM的左端口提供存储器地址 AR7AR0。它具有从数据总线DBUS上装入初始AR功能和AR加1功能。中断地址寄存器IAR是1片7437

25、4,它保存中断时的程序地址PC。7.指令寄存器IR指令寄存器是1片74273,用于保存从双端口 RAM中读出的指令。它的输出IR7IR4送往硬连线控制器、微程序控制器，IR3IR0送往2选1选择器。8、微程序控制器微程序控制器产生TEC-8模型计算机所需的各种控制信号。它由5片HN58c65、1片74174、3片7432和3片7406组成。5片HN58c65组成控制存储器，存放微程序代码;1片74174是微地址寄存器。3片7432和3片7408组成微地址转移逻辑。9.硬连线控制器硬连线控制器由1片可编程器件EPM7128组成，产生TEC-8模型计算机所需的各种控制信号。10.控制信号切换电路控

26、制信号切换器由7片74244和1个转换开关组成。拨动一次转换开关，就能够实现一次控制信号的切换。当转换开关拨到朝上位谿时，TEC-8模型计算机使用硬连线控制器产生的控制信号；当转换开关拨到朝下位谿时,TEC-8模型计算机使用微程序控制器产生的控制信号。11.2选1选择器2选1选择器由1片74244组成，用于在指令中的操作数IR3IRO 和控制信号SEL3-SEL0之间进行选择，产生目的寄存器编码RD1、RDO,产生源寄存器编码RSI、RSOo 八：总结参考文献1白中英戴志涛，计算机组成原理北京科学出版社2013.32计算机组成原理（第二版）李文兵编著清华大学出版社出版3计算机组成原理实验指导书与习题集（王成，周继群，蔡月茹著）清华大学出版社出版4计算机组成原理学习指导训练（旷海兰，刘彦，蒋翰洋等编著）中国水利水电出版社出版5TH-union教学计算机系统实验指导书王诚刘卫东宋佳兴编著