基本模型计算机设计与实现.doc

1、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、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

2、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。 （2） 组成：全加器和函数发生器。 （3） 设计图：ALU的逻辑机

3、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

4、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

5、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

6、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：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

7、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

8、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

9、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

10、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至总线上。该地址不仅加至主存，同时也加至总线上的所有外围设备。然而，只有与出现在总线上的地址相对应的设备，才执行数据传送操作。单总线某一时刻只允许一对设备之间传送数据，这样使得信息的吞吐量、效率受到了极大的限制，多总线则解决了这样的问题，可以同时使高速、中速、低速的设

11、备在不同的总线上同时运行。 5、存储器技术综述主存储器的性能指标主要是存储容量、存取时间、存储周期和存储器宽带。存储容量：指一个存储器中可以容纳的存储单元总数。存储容量常用字数或字节数（B）来表示。存取时间：又称存储器访问时间，是指一次读操作命令发出到该操作完成，将数据读出到数据总线上所经历的时间。存储周期：指连续启动两次读操作所需间隔的最小时间，时间单位为ns。存储器宽带：单位时间里存储器所存取的信息量，通常以位/秒或字节/秒做度量单位。宽带是衡量数据传输速率的重要技术指标。（三） 总线1、总线分类（1）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。有了总线的

12、连接，使得计算机在各系统功能部件之间实现地址、数据和控制信息的交换，并在争用资源的基础上进行工作。一个单处理器系统的总线，可以分为以下三类： 内部总线:CPU内连接各寄存器及运算部件之间的总线。系统总线：CPU同计算机系统的其它高速功能部件，如存储器，通道等互相连接的总线。系统总线必须有统一的标准，以便按照这些标准设计各类适配卡。 I/O总线：中、低速I/O设备之间互相连接的总线。（2）按总线功能分类数据总线（Data Bus）：在CPU与RAM之间来回传送需要处理或是需要储存的数据。地址总线（Address Bus）：用来指定在RAM（Random Access Memory）之中储存的数据

13、的地址。控制总线（Control Bus）：将微处理器控制单元（Control Unit）的信号，传送到周边设备，一般常见的为 USB Bus和1394 Bus。（3）按总线的层次结构分类 CPU总线。它包括地址线（CAB）、数据线（CDB）和控制线（CCB），用来连接CPU和控制芯片。 存储总线。它包括地址线（MAB）、数据线（MDB）和控制线（MCB），用来连接存储控制器和DRAM。 系统总线。它也称为I/O通道总线，包括地址线（SAB）、数据线（SDB）和控制线（SCB），用来连接扩充插槽上的各扩充板卡。系统总线有多种标准，以适用于各种系统。外部总线。它用来连接外设控制芯片，如主机板上的

14、I/O控制器和键盘控制器，包括地址线（XAB）、数据线（XDB）和控制线（XCB）。 其中，CPU总线、存储总线、外部总线在系统板上，不同的系统采用不同的芯片组，这些总线不完全相同，也不存在互换性问题。（4） 按总线的通信方式分类 计算机的通信方式可分为并行通信和串行通信，相应的通信总线被称为并行总线和串行总线。并行总线。并行总线通信速度快，实时性好，但由于占用的口线多，不适合小型化产品。 串行总线。串行总线通信速率虽低，但在数据通信量不是很大的微处理器电路中，显得更加简易、方便、灵活。2、各种总线的工作原理 一个单机处理器系统中的总线，大致分为三类：一类是CPU内部链接各寄存器及运算部件之间

15、的总线，称为内部总线。另一类是CPU同计算机系统的其他高速功能部件，如存储器、通道等互相连接的总线，称为系统总线。第三类是中、低速I/O设备之间的总线，称为I/O总线。（1）按总线功能分类数据总线（Data Bus）：在CPU与RAM之间来回传送需要处理或是需要储存的数据。地址总线（Address Bus）：用来指定在RAM（Random Access Memory）之中储存的数据的地址。控制总线（Control Bus）：将微处理器控制单元（Control Unit）的信号，传送到周边设备，一般常见的为 USB Bus和1394 Bus。（2）按总线的层次结构分类 CPU总线:包括地址线（C

16、AB）、数据线（CDB）和控制线（CCB），用来连接CPU和控制芯片。 存储总线:包括地址线（MAB）、数据线（MDB）和控制线（MCB），用来连接存储控制器和DRAM。 系统总线:也称为I/O通道总线，包括地址线（SAB）、数据线（SDB）和控制线（SCB），用来连接扩充插槽上的各扩充板卡。系统总线有多种标准，以适用于各种系统。 外部总线:用来连接外设控制芯片，如主机板上的I/O控制器和键盘控制器，包括地址线（XAB）、数据线（XDB）和控制线（XCB）。 其中，CPU总线、存储总线、外部总线在系统板上，不同的系统采用不同的芯片组，这些总线不完全相同，也不存在互换性问题。（3）按总线的通信方

17、式分类 计算机的通信方式可分为并行通信和串行通信，相应的通信总线被称为并行总线和串行总线。 并行总线:并行总线通信速度快，实时性好，但由于占用的口线多，不适合小型化产品。 串行总线:串行总线通信速率虽低，但在数据通信量不是很大的微处理器电路中，显得更加简易、方便、灵活。（4）系统总线分类 PC上的系统总线又可分为ISA, PCI等多种标准。ISA（industry standard architecture）。它是IBM公司为286/AT电脑制定的总线工业标准，也称为AT标准。PCI（peripheral component interconnect）。它是SIG（Special Intere

18、st Group）集团推出的总线结构。自1992年起，已有Intel, HP, IBM, Apple, DEC, Compaq, NEC等著名的厂商加盟。3、CPU与设备如何连接CPU和cache之间采用高速的CPU总线相连，也可以直接同主存相连，然后再通过系统总线与I/O接口相连，最后再连到外部设备上。主存在系统总线上，通过桥、CPU总线、系统总线和高速总线彼此相连，桥的实质是一种具有缓冲、转换、控制功能的逻辑电路。(四) 外设1、磁盘存储器结构与原理 结构：主要由磁记录介质，磁盘控制器，磁盘驱动器三大部分构成磁盘控制器：包括控制逻辑与时序，数据并-串变换电路和串-并变换电路。磁盘驱动器：包

19、括写入电路与读出电路、读写转换开关、读写磁头与磁头定位伺服系统。 原理：在磁表面存储器中，利用一种称为“磁头”的装置来形成和判别磁层中的不同磁化状态。写入时，利用磁头使载磁体具有不同的磁化状态，而在读出时又利用磁头来判别这些不同的磁化状态。磁头实际上是由软磁材料做铁芯绕有读写线圈的电磁铁。写入时：用磁头是载体具有不同的磁化状态。当写线圈中通过一定方向的脉冲电流时，铁芯内产生一定方向的磁通，在铁芯空隙处集中很强的磁场，使磁载体被磁化成相应极性的磁化位或磁化元。如果通以相反的电流时，则得到相反极性的磁化位或磁化元。如：与电流方向相同写入“1”，那么，写线圈里通以相反的电流时则写为“0”。读出时：用

20、磁头来判别不同的磁化状态。当磁头经过载磁体的磁化元时，磁化元的磁力通过磁头形成闭合回路。不同极性的磁化元在铁芯里方向不同。当磁头对载磁体作相对运动时，读线圈中感应出相应的电动势。不同的磁化状态，产生的感应电动势的方向不同。可将由存储元的不同剩磁状态表示的二进制代码转换为电信号输出。2、光盘CD-ROM光盘：只读型光盘，容量为680MB。WORM光盘：一种只能写一次且不可擦除而可以进行多次读的光盘。CD-R光盘实质是WORM的一种，区别在于CD-R允许多次分段写数据。CD-RW光盘:可重复写光盘，用于反复读写数据。DVD-ROM光盘：最初DVD的全称是数字化视频光盘，后来逐渐演变成数字化通用光盘

21、的简称。磁光盘（MO）存储设备是采用磁场技术和激光技术相结合的产物。磁光盘和磁盘一样，由磁道和扇区组成。磁光盘是重写型光盘，可以进行随机写入、擦除或重写信息。3、磁带磁带机的记录原理，与磁盘机基本相同，只是它的载磁体是一种袋装塑料叫做磁带，写入时，可通过磁头把信息代码记录在磁带上，当记录有代码的磁带在磁头下移动时，就可在磁头线圈上感应出电动势及读出信息代码，目前磁带技术类型有:1/4英寸磁带（QIC）、数码音频磁带（DAT）、8mm磁带、数码线性磁带（DLT）。4、键盘键盘是字符和数字的输入装置，无论字符输入还是图形输入，键盘是一种最基本的常用输入设备，每一个按键在计算机中都有它的惟一代码。

22、当按下某个键时，键盘接口将该键的二进制代码送入计算机主机中，并将按键字符显示在显示器上。当快速大量输入字符，主机来不及处理时，先将这些字符的代码送往内存的键盘缓冲区，然后再从该缓冲区中取出进行分析处理。5、显示器以可见光的形式传递和处理信息的设备叫显示设备，按显示设备所用的显示器件分类，有阴极射线管（CRT）显示器、液晶显示器（LCD）、等离子显示器等，按所显示的信息内容分类，有字符/图形显示器、图像显示器等。以CRT荧光屏对角线的长度分类，有14英寸、16英寸、19英寸等多种。6、打印机打印机（Printer）是计算机最基本的输出设备之一，又称为硬拷贝设备。打印机按印字方式可分为击打式和非击

23、打式两类。击打式打印机是利用机械动作，将字体通过色带打印在纸上。根据印出字体的方式又可分为活字式打印机和点阵式打印机。活字式打印机是把每一个字刻在打字机构上，可以是球形、菊花瓣形、鼓轮形等各种形状。点阵式打印机（dotmatrixprinter）是利用打印钢针按字符的点阵打印出字符。每一个字符可由m行n列的点阵组成。一般字符由78点阵组成，汉字由2424点阵组成。点阵式打印机常用打印头的针数来命名，如9针打印机、24针打印机等。非击打式打印机是用各种物理或化学的方法印刷字符的，如静电感应，电灼、热敏效应，激光扫描和喷墨等。其中激光打印机（LaserPrinter）和喷墨式打印机（InkjetP

24、rinter）是目前最流行的两种打印机，它们都是以点阵的形式组成字符和各种图形。激光打印机接收来自CPU的信息，然后进行激光扫描，将要输出的信息在磁鼓上形成静电潜像，并转换成磁信号，使碳粉吸附到纸上，加热定影后输出。喷墨式打印机是将墨水通过精制的喷头喷到纸面上形成字符和图形的。7、鼠标鼠标器是一种手持屏幕坐标定位部件，常用的鼠标器有两种，一种是机械式的，另一种是光电式的。机械式鼠标器的底座上装有一个可以滚动的金属球，当鼠标器在桌面上移动时，金属球与桌面摩擦，发生转动。金属球与四个方向的电位器接触，可测量出上下左右四个方向的位移量，用以控制屏幕上光标的移动。光标和鼠标器的移动方向是一致的，而且移

25、动的距离成比例。光电式鼠标器的底部装有两个平行放置的小光源。这种鼠标器在反射板上移动，光源发出的光经反射板反射后，由鼠标器接收，并转换为电移动信号送入计算机，使屏幕的光标随之移动。其他方面与机械式鼠标器一样。鼠标器上有两个键的，也有三个键的。最左边的键是拾取键，最右边的键为消除键，中间的键是菜单的选择键。由于鼠标器所配的软件系统不同，对上述三个键的定义有所不同。一般情况下，鼠标器左键可在屏幕上确定某一位置，该位置在字符输入状态下是当前输入字符的显示点；在图形状态下是绘图的参考点。在菜单选择中，左键（拾取键）可选择菜单项，也可以选择绘图工具和命令。当作出选择后系统会自动执行所选择的命令。鼠标器能

26、够移动光标，选择各种操作和命令，并可方便地对图形进行编辑和修改，但却不能输入字符和数字。（五） 接口1、接口概述接口（interface）是微处理器与外界进行信息交换的中转站，微机接口技术是采用硬件与软件相结合的方法，研究微处理器如何与外部世界进行最佳耦合与匹配，以在微处理器与外界之间实现高效、可靠的信息交换的一门技术。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（1）接口功能： CPU接口：通过系统总线对存储器的内容进行读写，同样通过总线，实现将CPU内数据写入外设，或由外设读入CPU。微型计算机都采用总线结构。总线就是用来传送信息的一组通信线。 I/O接口：连接CPU与外围设

27、备的“桥梁”。（2）接口工作原理：微型计算机通过系统总线将各部件连接到一起，实现了微型计算机内部各部件间的信息交换。一般情况下，CPU提供的信号需经过总线形成电路形成系统总线。系统总线按照传递信息的功能来分，分为地址总线、数据总线和控制总线。（3）与主机的连接：总线提供了微处理器(CPU)与存储器、输入输出接口部件的连接线。可以认为，一台微型计算机就是以CPU为核心，其它部件全“挂接”在与CPU相连接的系统总线上。这种总线结构形式，为组成微型计算机提供了方便。人们可以根据自己的需要，将规模不一的内存和接口接到系统总线上，很容易形成各种规模的微型计算机。 与外设连接：通过I/O接口连接，I/O接

28、口在在动态连接的两个部件之间起着“转换器的”作用。三、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；如下所示：2、分别设计的模型计算机各个部件的结构； 微程序流程图：（2） 讨论各个部件的功能。 存储器读操作（MRD）；拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零 后，指令译码输入为“00”时，可进行连续读操作。存储器写操作（MWE）；拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入为“10”时，可进行连续,写操作。启动程序（RUN）：拨动清零开关CLR对地址、指令寄存器清零后，指令译码输入为“11”时，转入到“01”号“取址”微指令，启动程序运行。四、总结通过本次的课程设计

29、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,也学会了很多.我收获颇多通过本次的实训,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,虽然设计过程中出了一些小问题,但通过借鉴和参考同学们的设计而解决,总体来说,本次实训还是算圆满完成参考文献1.计算机组成原理 （第五版 立体化教材）白中英主编2.陈华光.计算机组成原理M.北京：机械工业出版社，20043.计算机组成与结构实验实训教程 北京大学出版社4.大学计算机基础 高等教育出版社17