计算机组成原理课程设计概念模型计算机.docx
- 文档编号:26047150
- 上传时间:2023-06-17
- 格式:DOCX
- 页数:43
- 大小:2.69MB
计算机组成原理课程设计概念模型计算机.docx
《计算机组成原理课程设计概念模型计算机.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《计算机组成原理课程设计概念模型计算机.docx(43页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
计算机组成原理课程设计概念模型计算机
课程设计(大作业)报告
课程名称:
计算机组成原理
设计题目:
概念模型计算机设计
院系:
信息技术学院
班级:
设计者:
学号:
指导教师:
设计时间:
2016.6.13~2016.6.17
信息技术学院
昆明学院课程设计(大作业)任务书
姓名:
院(系):
信息技术学院
专业:
学号:
任务起止日期:
2016.6.13~2016.6.17
课程设计题目:
概念模型计算机设计
上图是一个概念模型计算机粗框图(仅供参考),请具体设计:
一、设计内容
1、画出你具体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、段分别讨论该图各部件的工作原理
(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.第一天,上午布置课程任务,进行小组划分;下午到图书馆、网上查阅资料。
2.第二天,分析设计题目,明确设计内容,组员讨论分配工作,并进行图纸的绘制。
3.第三天,根据电路图纸进行各个板块初步的设计,将计算机的各个组成部件划分出来。
4.第四天,将计算机个组成部件做进一步的细致设计,配置主流配件,考虑其合理性。
5.第五天,撰写课程设计报告,答辩并提交课程设计报告。
指导教师签字
年月日
课程设计(大作业)成绩
学号:
姓名:
指导教师:
课程设计题目:
概念模型计算机设计
总结:
学生签名:
指导教师评语:
成绩:
填表时间:
指导教师签名:
一.题目分析………………………………………1
1.1设计题目……………………………………………1
1.2设计目的……………………………………………1
1.3设计任务……………………………………………1
二.计算机总体结构设计………………………………2
2.1计算机总体硬件的选择……………………………2
2.2计算机总体结构设计图……………………………3
三.CPU………………………………………………3
3.1cpu的简介……………………………………………3
3.2算术逻辑单元ALU…………………………………5
3.3CPU指令执行………………………………………6
3.4指令系统……………………………………………7
四.存储器……………………………………………9
4.1存储器分类…………………………………………9
4.2存储器的组成………………………………………10
4.3存储器的扩展方式…………………………………12
4.4与cpu的连接………………………………………12
4.5存储器技术综述……………………………………13
五.总线………………………………………………15
5.1总线分类……………………………………………15
5.2各总线的工作原理…………………………………16
5.3CPU与设备的连接…………………………………17
六.外设………………………………………………18
6.1磁盘存储器结构与原理……………………………18
6.2光盘…………………………………………………20
6.3磁带…………………………………………………21
6.4键盘…………………………………………………22
6.5显示器………………………………………………22
6.6打印机………………………………………………23
6.7鼠标…………………………………………………24
七.接口………………………………………………25
7.1接口概述……………………………………………25
7.2各类接口功能、工作原理及连接方式……………25
八.心得与体会………………………………………27
参考文献………………………………………………28
课程设计(大作业)报告
一、题目分析
1.1设计题目
概念模型计算机设计
1.2设计目的
1、建立清晰完整的整机概念。
2、学习设计与调试计算机的基本方法与步骤。
3、学习并掌握计算机各硬件组成部件的运行与实现。
4、综合运用所学计算机原理知识,设计并实现较为完整的计算机。
1.3设计任务
(1)确定设计目标
参考实验指导书上复杂模型机设计的过程,运用其微指令格式,独立设计指令系统。
并用该指令系统中的指令编一完成简单运算的程序(有数据输入和输出的)。
并进行调试运行。
(2)确定指令系统
确定数据的表示格式、位数、指令的编码、类型、需要设计哪些指令及使用的寻址方式。
选定CPU中所使用的主要器件,根据ALU的组成和功能,设计出ALU的设计图,并简述其功能和所用器件;设计cpu的指令系统,根据指令系统、选用的器件和设计指标,设计指令流的数据通路,简述cpu指令的执行过程,并画出指令格式和指令数据通路图。
(3)总体结构与数据通路
设计并画出模型计算机的电路总体组成结构图,总体结构设计包含确定各部件设置以及它们之间的数据通路结构。
在此基础上,就可以拟出各种信息传送路径,以及实现这些传送所需要的微命令。
(4)设计指令执行流程
数据通路确定后,就可以设计指令系统中每条指令的执行流程。
根据指令的复杂程度,每条指令所需要的机器周期数。
对于微程序控制的计算机,根据总线结构,需考虑哪些微操作可以安排在同一个微指令中,哪些微操作不能安排在同一条微指令中。
根据后续微地址的形成方法,确定每条微程序地址及分支转移地址。
根据微指令格式,将微程序流程中的所有微指令代码化,转化成相应的二进制代码,写入到控制存储器中的相应单元中。
(5)计算机各部件系统设计
分别设计的模型计算机各个部件的结构,包括cpu、存储器、总线、外设、接口等,综合考虑计算机的速率、性能价格比、可靠性等要求,设计合理的数据通路结构,采用何种方案的内总线及外总线。
数据通路不同,执行指令所需要的操作就不同,计算机的结构也就不一样。
(6)组装、调试
在总调试前,先按功能模块进行组装和分调,因为只有各功能模块工作正常后,才能保证整机的运行正确。
当所有功能模块都调试正常后,进入总调试。
连接所有模块,用单步微指令方式执行机器指令的微程序流程图,当全部微程序流程图检查完后,若运行结果正确,则在内存中装入一段机器指令,进行其他的运行方式等功能调试及执行指令的正确性验证。
(7)实际运行
讨论各个部件的功能,使各个部件连接起来,考虑硬件与硬件间的兼容性问题、实行的可能性、计算系统的可靠性、指令系统的可适用性等,根据主流计算的搭载配置,实现整机的系统运行。
二、计算机总体结构设计
2.1计算机总体硬件的选择
根据现在主流计算机的配置,现在的高速缓冲寄存器已经集成在整块CPU内部,根据这个设计思想,我们已经将cache移到了CPU内部。
现在计算机cpu技术领先的厂商有英特尔公司、AMD公司,现在市场上流行的CPU主要是这两种,这里我们采用英特尔的cpu,英特尔出色的cpu有赛扬系列,奔腾系列,酷睿i3、i5、i7系列,至强系列等。
出于成本和性能的考虑我们决定采用“英特尔酷睿i3-6500”作为本设计使用的cpu。
此外,增加了可能的适用外设,如鼠标、键盘、光驱、显示器,音响,打印机,摄像头等设备,以便能够进行正常使用。
CPU内部的指令数据通过cache再通过CPU总线传输到主存,通过I/O接口实现外设与主机间的连接,进一步使cpu对主机上的设备进行统一管理。
2.2计算机总体结构设计图
如下图为计算机的总体结构设计图。
概念结构图
机箱结构图
三、CPU
3.1cpu的简介
中央处理器(CPU,CentralProcessingUnit)是一块超大规模的集成电路,是一台计算机的运算核心(Core)和控制核心(ControlUnit)。
它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。
中央处理器主要包括运算器(算术逻辑运算单元,ALU,ArithmeticLogicUnit)和高速缓冲存储器(Cache)及实现它们之间联系的数据(Data)、控制及状态的总线(Bus)。
它与内部存储器(Memory)和输入/输出(I/O)设备合称为电子计算机三大核心部件。
物理结构
CPU包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件等。
逻辑部件
英文Logiccomponents;运算逻辑部件。
可以执行定点或浮点算术运算操作、移位操作以及逻辑操作,也可执行地址运算和转换。
寄存器
寄存器部件,包括寄存器、专用寄存器和控制寄存器。
通用寄存器又可分定点数和浮点数两类,它们用来保存指令执行过程中临时存放的寄存器操作数和中间(或最终)的操作结果。
通用寄存器是中央处理器的重要部件之一。
控制部件
英文Controlunit;控制部件,主要是负责对指令译码,并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。
其结构有两种:
一种是以微存储为核心的微程序控制方式;一种是以逻辑硬布线结构为主的控制方式。
微存储中保持微码,每一个微码对应于一个最基本的微操作,又称微指令;各条指令是由不同序列的微码组成,这种微码序列构成微程序。
中央处理器在对指令译码以后,即发出一定时序的控制信号,按给定序列的顺序以微周期为节拍执行由这些微码确定的若干个微操作,即可完成某条指令的执行。
简单指令是由(3~5)个微操作组成,复杂指令则要由几十个微操作甚至几百个微操作组成。
CPU内部结构图
3.2算术逻辑单元ALU
算术逻辑单元(Arithmetic&logicalUnit)是中央处理器(CPU)的执行单元,是所有中央处理器的核心组成部分,由"AndGate"(与门)和"OrGate"(或门)构成的算术逻辑单元,主要功能是进行二位元的算术运算,如加减乘(不包括整数除法)。
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。
(1)算术逻辑单元ALU的功能及组成
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。
(个人计算机中,浮点操作有时由被称为数字协处理器的浮点单元完成)。
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。
格式码可与操作码结合,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。
在逻辑单元中,每次执行16个可能的逻辑运算中的一个。
ALU的设计是处理器设计中的关键部分,仍在不断研究如何提高指令的处理速度。
(2)算术逻辑单元ALU结构图
3.2.3CPU模型机设计图
模型机设计图
各部件功能为:
1.LDPC微程序控制器输出的PC加1信号。
2.LOAD微程序控制器的输出信号。
LOAD=0时,PC程序计数器处于并行置数状态;LOAD=1时,PC处于计数状态。
3.ALU-BUS微程序控制器的输出信号,控制运算器的运算结果是否送到总线BUS,低电平有效。
4.PC-BUS微程序控制器的输出信号,控制程序计数器的内容是否送到总线BUS,低电平有效。
5.R0-BUS微程序控制器的输出信号,控制寄存器R0的内容是否送到总线BUS,低电平有效。
6.SW-BUS微程序控制器的输出信号,控制8位数据开关SW7-SW0的开关量是否送到总线,低电平有效。
7.LDR0微程序控制器的输出信号,控制把总线上的数据打入寄存器R0。
8.LDDR1微程序控制器的输出信号,控制把总线上的数据打入运算暂存器DR1。
9.LDDR2微程序控制器的输出信号,控制把总线上的数据打入运算暂存器DR2。
10.LDIR微程序控制器的输出信号,控制把总线上的数据(指令)输入到指令寄存器IR中。
3.3CPU指令执行
CPU指令:
能被计算机理解并执行的基本操作命令
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。
指令执行流程图
指令和数据都是用二进制编码形式存储,运行和运算的程序在计算机中的执行原理:
启动任务时,执行任务的程序和数据从外存传送到内存CPU从内存中取出程序(指令序列)放入CPU控制器中的指令寄存器,把内存中的数据取出放入CPU的寄存器中控制器中的译码器解释指令,产生操作控制信号④操作控制器命令运算器工作⑤运算器从寄存器中取出数据进行运算,并把结果传回寄存器,运算中的中间结果也都存放在寄存器中⑥操作控制器命令寄存器把运算后的数据传回内存⑦任务完成后,操作控制器命令内存将数据传回外存永久保存。
(注:
整个过程中有I/O系统参与,程序计数器功能不明)
3.4指令系统
(1)所要设计的微程序控制器是由七条指令来完成的,即:
load,sta,add,sub,and1,nop,jmp。
实现功能分别如下:
load指令是公操作,实现取数据的功能;sta指令实现存操作;add指令实现加法操作;sub指令实现减法操作;and指令实现与操作;nop指令实现空操作;jmp指令实现无条件跳转操作。
其中add,sub,and1,属于双操作数指令,其指令格式如下图:
操作码
寄存器号
寻址方式
寄存器号
寻址方式
其中jmp属于转移指令,其指令格式如下图:
操作码
寄存器号
寻址方式
N
Z
V
C
转移条件
机器指令码设计:
助记符
实现功能
机器指令代码
IN0(R0)
A->R0
00100000
IN1(R1)
B->R1
00110000
ADD(R0,R1)
A+B->R0
00000000
MUL(R0,R1)
AvB->R0
01010000
AND(R0,R1)
AB->R0
01100000
OUT(R0)
A->OUT
01110000
HLT
NOP
10000000
运行微程序
(2)指令格式:
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
S3
S2
S1
S0
M
Cn
Load
CE
WE
LDR0
LDDR1
LDDR2
选择运算器运算模式
打入
PC
RAM
片选
RAM
写入
打入
R0
打入
R1
打入
R2
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
LDIR
LDPC
LDAR
AL→
BUS
PC→
BUS
R0→
BUS
SW→
BUS
P
(1)
UA4
UA3
UA2
UA1
UA0
打入IR
PC+1
打入
AR
运算器结果送总线
PC内容送总线
R0内容送总线
开关内容送总线
判别字
下一微指令地址
(3)代码表:
当前微地址
s3
S2
S1
s0
m
cn
load
ce
We
LDR0
LDR1
LDR2
LDIR
LDPC
LDAR
nALU-BUS
7
6
P
(1)
uA4
uA3
uA2
uA1
uA0
23
22
21
2
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
0
0
1
0
0
1
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
1
0
1
1
0
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
1
2
1
1
0
1
1
1
1
4
1
1
0
1
0
1
1
6
1
1
1
7
1
0
四、存储器
4.1存储器分类
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。
按存储方式
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。
按读写功能
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存储器。
按信息保存性
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。
按用途
根据存储器在计算机系统中所起的作用,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。
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。
用途特点
高速缓冲存储器Cache高速存取指令和数据存取速度快,但存储容量小
主存储器内存存放计算机运行期间的大量程序和数据存取速度较快,存储容量不大外存储器外存存放系统程序和大型数据文件及数据库存储容量大,位成本低。
4.2存储器的组成
构成存储器的存储介质,存储元,它可存储一个二进制代码。
由若干个存储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。
一个存储器包含许多存储单元,每个存储单元可存放一个字节(按字节编址)。
每个存储单元的位置都有一个编号,即地址,一般用十六进制表示。
一个存储器中所有存储单元可存放数据的总和称为它的存储容量。
假设一个存储器的地址码由20位二进制数(即5位十六进制数)组成,则可表示2的20次方,即1M个存储单元地址。
每个存储单元存放一个字节,则该存储器的存储容量为1MB
(1)RAM是构成内存的主要部分,其内容可以根据需要随时按地址读出或写入,以某种电触发器的状态存储,断电后信息无法保存,用于暂存数据,又可分为DRAM和SRAM两种。
RAM一般使用动态半导体存储器件(DRAM)。
因为CPU工作的速度比RAM的读写速度快,所以CPU读写RAM时需要花费时间等待,这样就使CPU的工作速度下降。
人们为了提高CPU读写程序和数据的速度,在RAM和CPU之间增加了高速缓存(Cache)部件。
Cache的内容是随机存储器(RAM)中部分存储单元内容的副本。
(2)ROM是只读存储器,出厂时其内容由厂家用掩膜技术写好,只可读出,但无法改写。
信息已固化在存储器中,一般用于存放系统程序BIOS和用于微程序控制。
(3)PROM是可编程ROM,只能进行一次写入操作(与ROM相同),但是可以在出厂后,由用户使用特殊电子设备进行写入。
(4)EPROM是可擦除的PROM,可以读出,也可以写入。
但是在一次写操作之前必须用紫外线照射,以擦除所有信息,然后再用EPROM编程器写入,可以写多次。
(5)EEPROM是电可擦除PROM,与EPROM相似,可以读出也可写入,而且在写操作之前,不需要把以前内容先擦去,能够直接对寻址的字节或块进行修改。
(6)闪速存储器(FlashMemory),其特性介于EPROM与EEPROM之间。
闪速存储器也可使用电信号进行快速删除操作,速度远快于EEPROM。
但不能进行字节级别的删除操作,其集成度高于EEPROM。
4.3存储器的扩展方式
(1)总线扩展,通过锁存器对P0口扩展,这一扩展方法只分时占用P0口,而不会影响P0口与其他扩展电路的连接作用。
(2)串口扩展,通过串口的工作方式完成I/O口的扩展,多通过移位寄存器164/165实现,缺点明显,占用了串口,采用移位方式,速度较慢。
(3)通过片内I/O口扩展,也就是不通过P0口而通过其他片内I/O口扩展,例如8255等。
4.4与cpu的连接
主存与CPU之间的硬连接:
主存与CPU的硬连接有三组连线:
地址总线(AB)、数据总线(DB)和控制总线(CB)。
把主存看作一个黑盒子,存储器地址寄存器(MAR)和存储器数据寄存器(MDR)是
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 计算机 组成 原理 课程设计 概念 模型