合肥学院
课程论文
题目
系部计算机科学与技术
专业计算机科学与技术
班级11级计本（3）班
学生姓名朱鹏飞
指导教师张向东
2013 年 6 月 6 日
计算机组成原理中控制单元的设计研究
【内容摘要】
本文先是从总体上介绍计算机组成中的五大计本部件各自的结构与功能实现；接着是重点研究控制单元的工作原理，这就像是人脑的核心部分，针对实现的功能的不同而设计相应的物理组成以及这些实际构件之间的逻辑工作过程。对于计算机某一功能的实现，可以采用不同的方式，具体应用具体对待，这样才能使得性价比等性能达到最佳效果。
【关键词】
1.计算机组成
2.工作原理
3.控制单元
4.设计
【正文】
一、计算机组成原理课程综述
计算机组成原理这门课程主要是设计计算机的组成结构，从而来实现计算机体系结构中的功能。课程首先是从总体上论述了这门课程的主要内容，然后，由表及里、层层递进地叙述计算机中的五大部件（总线系统、存储系统、输入输出系统、中央处理器）的构造及其功能；其次，介绍了计算机的指令系统，通过对指令的设计来实现相应的逻辑功能；最后是深度介绍计算机的中央控制单元的功能及其指令系统、控制单元的设计原理和设计方法。这样，使得我们不仅能从宏观上了解计算机的组成结构，而且还能够从微观上理解计算机实现相应功能而进行的操作。
《计算机组成原理》看起来是和实际当中用高级语言来编写程序是没有多大的关系，但其实不是这样的。计算机组成原理讲解的是计算的内部构造，以及不同的逻辑部件之间的相互协作，共同实现某一特定的功能。通过学习《计算机组成原理》这门课，让我们能够对计算机有一个从宏观到微观的全面了解，这样在以后的程序设计当中，可以根据计算机的组成原理来设计更加高效、高安全性的算法来求解实际当中的问题。还有一个重要的作用就是能够帮助我们快速检查程序可能出现的错误。例如，我们我可以考虑到数据在计算机中存放的范围来判断在边写程序进行运算时能否达到需要的精确度和是否会有溢出产生。
二、课程主要内容和基本原理
本书分为四篇：
第一篇介绍的是计算机的基本组成，这里的主要内容是五大功能部件相互之间的协调工作原理；另一个就是要对计算机系统才用分层的设计的思想，以及这样设计的要达到的目的。接着，介绍的是计算机的发展史，从第一台电子计算机的出现到现代的计算机，由于晶体管、大规模集成电路的产生，计算机的体积大大减小，但是功能却提高了很多倍。
第二篇是分别对计算机组成中的五大功能部件进行详细的介绍。
在总线系统中，首先是分析了“为什么要引入‘总线’这样一个概念？”。引入总线的作用就是在系统的各个部件之间实现互联，用来传递地址、数据、控制信号等多种信息。接
着，根据不同的分类原则对总线进行了，例如，根据不同的作用，将系统总线分成了数据总线、地址总线、控制总线。通过对总线性能的研究，可以根据不同的情况选用不同的总线，以达到资源和性能之间的平衡。为了使总线能够有条不紊的工作，就要用一定的方式对这些总线进行准确的控制。为了解决这样一个问题，要从两个方面着手，一是总线判优控制问题，这样有两大类，一类是集中式，包含链式查询方式、计数器定时查询方式、独立请求方式；一类是分布式，包含自举分布式和冲突检测分布式。另一个是总线的通信控制方式，主要有同步通信、异步通信、半同步通信和分离式通信这四种方式。
接着介绍的就是存储器，在这方面主要是根据存储器的类别来分别介绍的。在主存这方面主要介绍的是随机存储器，包含了随机存储器的结构特点，工作原理，存储容量等问题；在缓存方面，主要介绍缓存引入的背景，以及缓存如何实现主存与辅存之间速度不同步的问题，同时介绍了主存与Cache之间是如何实现地址映射的（有三种方式：直接相联地址映射、全相联地址映射、组相联地址映射）。最后，介绍了不同类型的辅存，包括磁盘、磁带、光盘等，有容量、价格与存储速度之间三者之间的关系。
再接着介绍的就是输入输出系统，主要是分析了I/O设备与主机之间进行信息交换的三种控制方式，即：程序查询、中断和DMA方式，以及这些接口的功能和组成实现，在这里也相应的介绍了一些现在常用的I/O设备的功能及其特性。
第三篇介绍的是中央处理器，首先是介绍在计算机中是如何控制实现基本的算术、逻辑运算，指令系统，CPU的结构和功能。
在计算机的运算方法这章中介绍的是定点数、浮点数的运算方法，包括移位运算、加减乘除四则运算，同时为了实现这些运算所需要的硬件的结构与组成。最后介绍的是算术逻辑单元，主要是ALU算术逻辑单元的电路的工作原理以及实现相应的运算原理需要的电路结构，为了对运算速度的改进，通过对进位过程的分析设计快速进位链，例如，利用多重跳跃进位链的方式实现快速进位。
在指令系统这章，讨论的主要是机器指令的格式、根据机器指令的格式对指令系统进行的分类，应用不同的指令寻址方式确定指令当中的各个部分，针对不同的要求设计指令系统。这章的重点还是要能够体会到指令系统与机器的主要功能以及与硬件结构之间的联系。
在介绍CPU这个知识点时，就是要通过具体的实际功能的实现，来理解CPU在计算机实现相应动能时，所需要执行的控制逻辑的组合。
第四篇是对CPU内部进行深入的研究，主要选取CPU当中的控制单元CU进行深入的研究，通过编写的指令如何实现程序逻辑控制。
控制单元的功能是介绍指令周期的四个阶段，控制单元为了完成不同阶段的不同指令所发出的各种操作命令，从而达到各部件有序的完成相应的操作，实现相应的程序的功能。
控制单元的设计的思想就是根据不同的功能来设计指令，主要讲解的是采用两种设计方法，一种是组合逻辑电路设计，根据组合逻辑电路执行的不同的时间先后顺序来完成相应的微命令。一种是微程序设计，就是将机器指令编写成一条条的为程序，而一条微程序又包含多个微命令，最终是通过这些微命令实现机器指令的功能。
下面针对控制单元的设计做出更加具体的分析与讨论：
针对CU的两种控制方式，在采用组合逻辑设计时，尽量要使得逻辑函数表达式成为最简状态，这样在实现相同的微操作的时候用到的硬件结构就会更加的简单，各逻辑部件之间的互连就会更清晰。
在用微命令的方式实现CU的控制功能的时候，根据的是微操作、微命令、微程序之间的对应关系，实现程序功能的组合，最终实现一条条机器指令所要实现的功能。这是根据一条机器指令对应一条微程序这种关系来实现一一对应的。
三、实际应用
针对上面是控制单元的设计方法，下面以实力来证明用这两种不同的方法的效果，以及不同的优势。
控制速度上，组合逻辑要快一些，由于它的命令是直接通过产生固定时序控制信号的逻辑电路完成的，控制器的速度取决于电路延迟。而微程序设计要慢一些，因为它对应的逻辑是放在控制存储器中。每一条命令都是先从控制存储器中读取微命令，再完成它的功能。但是硬布线是由时序电路组成的固定信号，一出厂就难以修改，而微程序是可以添加新的功能的。
对应每一个微操作命令的逻辑表达式都可画出一个逻辑图。如M(MAR)→MDR的逻辑表达式所对应的逻辑图如下图所示，
图中未考虑门的扇入系数。当然，在设计逻辑图时要考虑门的扇入系数和逻辑级数。如果采用现成芯片，还需选择芯片型号。采用组合逻辑设计方法设计控制单元，思路清晰，简单明了，但因为每一个微操作命令都对应一个逻辑电路，因此一旦设计完毕便会发现，这种控制单元的线路结构十分庞杂，不规范，犹如一棵大树，到处都不是规整的枝杈。而且指令系统功能越全，微操作命令就越多，线路也越复杂，调试就更困难了。为了克服这些缺点，可采用微程序设计方案。但是，随着RISC的出现，组合罗辑设计仍然是设计计算机的一种重要方法。
若采用微程序的设计方式来设计，则可以通过一系列微命令按一定的时序组合起来实现，最终也可达到所需要的效果。但是对于电路来说，只要实现这种功能，但是电路结构可以改变。
通过这样一个对比，我们知道了对于控制单元的设计的时候，可以根据不同的要求来选择设计方法。
四、心得体会
通过对这样一个专题的调查研究，使我认识到了：要让计算机在实现相同的功能，可以采用不同的设计思路，然而针对不同的设计方法都有各自的优点与缺点，这就需要我们在针对不同的实际应用时选用不同的方法，使总体的性能达到最佳。
计算机是一个很微妙的机器，其内部组成以及功能的实现都是包含了多方面的知识点，要想使得它的性能有更大的突破，不仅要对其有一个清晰的认识，而且又有创造性的思想，因为任何一个发明创造都来源于创新，而创新又是源于思考。所以，我想通过这次研究分析，懂得理解的重要性。
五、结语
在大学四年里，我们学习的内容虽然身很多，包含到各个方面，但是更重要的是能够学会应用正确的方法去学习，学会学习，这是一个很艰巨的任务。计算机组成原理虽然只是一本书的内容，但是要想深入的了解，就是要对计算机中的内核问题进行深入的研究。比如，在研究计算机的控制单元的设计时，能否通过对控制单元结构的改变，从而对指令系统的简化，同时又不会影响到指令系统的功能。
在学习了玩这门课之后，令我感触最深的，就是张老师的教学态度了，你让我们知道了：对待任何一件事情都要用心去做，而且要尽自己最大的努力去做好。这是比学到任何的书本上的知识都是要重要的。
【参考文献】
1.计算机组成原理（第二版）作者：唐朔飞出版社：高等教育出版社
2.计算机组成原理（第三版）作者：白中英出版社：科学出版社
3.侯宏霞，松云．计算机组成原理精品课程建设的实践与探索[J]．计算机教育，2010(2)：119-121．
4.穆振海，刘旭明．计算机组成原理课程教学改革初探[J]．桂林航天工业高等专科学校学报，2009(4)：5O1-502．
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6.侯宏霞．关于提高计算机组成原理实验课程教学质量的探索[J]．计算机教育，2009(1 5)：1 54-156．
增加存储器宽度提高主存储器的性能 邹嘉欣 （哈尔滨理工大学软件学院） 摘要主存是存储层次中紧接着Cache下面的一个层次。主存是数据输入的目的地，也是数据输出的发源地，它既被用来满足Cache的请求，也被用作I/O接口。主存的性能主要用延迟和带宽来衡量。以往，Cache主要关心的是主存的延迟（它影响Cache的失效开销），而I/O则主要关心主存的带宽。随着第二级Cache的广泛使用，主存带宽对于Cache来说也变得重要了，这是因为第二级Cache的块大小较大的缘故。主存的性能指标主要看延迟和带宽。 关健词主存性能延迟带宽 To improve the performance of the main memory is a new idea Zou jiaxin （harbin university of science and technology software college） Abstract Memory is the memory hierarchy and a level below Cache. Memory is the destination of data input, is also the birthplace of output data, it can be used to satisfy the request of Cache, also can be used as I/O interface. The main performance is mainly used to measure the latency and bandwidth. In the past, Cache is primarily concerned with memory latency (failure overhead it affect Cache), while I/O is primarily concerned with the main memory bandwidth. With the wide use of second Cache, main memory bandwidth for Cache is also very important, this is because the second Cache block size larger. The performance index of main memory latency and bandwidth. Keywords memor cache delary blandwitch 0 引言 主存是计算机中重要的部件之一，它是与CPU进行沟通的桥梁。计算机中所有程序的运行都是在主存中进行的，因此内存的性能对计算机的影响非常大。主存(Memory)也被称为内存储器，其作用是用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。只要计算机在运行中，CPU就会把需要运算的数据调到内存中进行运算，当运算完成后CPU再将结果传送出来，内存的运行也决定了计算机的稳定运行。主存如此重要，所以更快的存储速度1. 主存的主要性能指标：延迟和带宽2. 以往：Cache主要关心延迟，I/O主要关心带宽3.现在：Cache关心两者在下面的讨论中，我们以处理Cache失效为例来说明各种存储器组织结构的好处。在计算机的组成结构中，有一个很重要的部分，就是存储器。存储器是用来存储程序和数据的部件，对于计算机来说，有了存储器，才有记忆功能，才能保证正常工作。存储器的种类很多，按其用途可分为主存储器和辅助存储器，主存储器又称内纯初期（简称内存，港台称之为记忆体）。 内存又称主存，是cpu能直接存执的存储空间，由半导体器件制成。内存的特点是存取速率快。内存是计算机中的主要部件，它是相对于外存而言的。我们平常使用的程序，如windows操作系统、打字软件、游戏软件等，一般都是安装在硬盘等外存上的，但仅此是不能使用其功能的，必须把它们调入内存中运行，才能真正使用其功能，我们平时输入一段文字，或玩一个游戏，其实都是在内存中进行的。就好比在一个书房里，存放书籍的书架和书柜相当于电脑的外存，而我们工作的办公
计算机组成原理大型实验 报告 (2010/2011第2学期------第19周) 指导教师： 班级： 姓名： 学号： 计算机组成原理课程设计实验报告 一、目的和要求 目的： 深入了解计算机各种指令的执行过程，以及控制器的组成，指令系统微程序设计的具体知识，进一步理解和掌握动态微程序设计的概念；完成微程序控制的特定功能计算机的指令系统设计和调试。 要求： （1）、内容自行设计相关指令微程序；（务必利用非上机时间设计好微程序） （2）、测试程序、实验数据并上机调试； （3）、报告内容： 包括 1、设计目的 2、设计内容 3、微程序设计（含指令格式、功能、设计及微程序） 4、实验数据（测试所设计指令的程序及结果）。（具体要求安最新规范为准） 二、实验环境 TEC—2机与PC机。 三、具体内容 实验内容： （1）把用绝对地址表示的内存单元A中的内容与内存单元B中的内容相加，结果存于内存单元C中。 指令格式：D4××，ADDR1，ADDR2，ADDR3四字指令（控存入口100H） 功能：[ADDR3]=[ADDR1]+[ADDR2] （2）将一通用寄存器内容减去某内存单元内容，结果放在另一寄存器中。 指令格式：E0DRSR，ADDR（SR，DR源、目的寄存器各4位）双字指令（控存 入口130H） 功能：DR=SR-[ADDR]
（3）转移指令。判断两个通用寄存器内容是否相等，若相等则转移到指定绝对地址，否则顺序执行。 指令格式：E5DRSR，ADDR双字指令（控存入口140H） 功能：ifDR==SRgotoADDRelse顺序执行。 设计：利用指令的CND字段，即IR10~8，令IR10~8=101，即CC=Z 则当DR==SR时Z=1，微程序不跳转，接着执行MEMPC（即ADDRPC），而当DR!=SR 时Z=0，微程序跳转至A4。 实验设计并分析： 第一条：把用绝对地址表示的内存单元A中的内容与内存单元B中的内容相加，结果存于内存单元C中。 指令格式：D4××，ADDR1，ADDR2，ADDR3四字指令（控存入口100H） 功能：[ADDR3]=[ADDR1]+[ADDR2] 指令格式： D4XX ADDR1 ADDR2 ADDR3 微程序： PC→AR，PC+1→PC：00000E00A0B55402 MEM→AR：00000E00 10F00002 MEM→Q：00000E00 00F00000 PC→AR，PC+1→PC：00000E00 A0B5 5402 MEM→AR：00000E00 10F0 0002 MEM+Q→Q：00000E01 00E0 0000 PC→AR，PC+1→PC：00000E00 A0B5 5402 MEM→AR：00000E0010F0 0002 Q→MEM，CC#=0：00290300 10200010 指令分析： PC->AR,PC+1->PC 0000 0000 1110 0000 0000 1010 0000 1011 0101 0101 0100 0000 0010 MEM->AR 0000 0000 1110 0000 0000 0001 0000 1111 0000 0000 0000 0000 0100 MEM->Q 0000 0000 1110 0000 0000 0000 0000 1111 0000 0000 0000 0000 0000 PC->AR,PC+1->PC 0000 0000 1110 0000 0000 1010 0000 1011 0101 0101 0100 0000 0010 MEM->AR 0000 0000 1110 0000 0000 0001 0000 1111 0000 0000 0000 0000 0100 MEM+Q->Q 0000 0000 1110 0000 0001 0000 0000 1110 0000 0000 0000 0000 0000 PC->AR,PC+1->PC 0000 0000 1110 0000 0000 1010 0000 1011 0101 0101 0100 0000 0010 MEM->AR 0000 0000 1110 0000 0000 0001 0000 1111 0000 0000 0000 0000 0100
武汉华夏理工学院 课程设计课程名称计算机组成原理 题目模型机设计与实现 专业计算机科学与技术 班级计算机1165 姓名 成绩 指导教师田夏利 2018 年 1 月 8日 课程设计任务书
设计题目：模型机设计与实现 设计目的： 利用基本模型机的构建与调试实验，完整地建立计算机硬件的整机模型，掌握CPU的基本结构和控制流程，掌握指令执行的基本过程。 设计任务（在规定的时间内完成下列任务） 1.掌握CISC微控制器功能与微指令格式 2.设计五条机器指令,并编写对应的微程序 3.在TDN-CMA教学实验系统中调试机器指令程序,确认运行结果 时间安排（集中时间） 1.第19周周一(1-4):全体集中讲解课程设计原理与方法 2.第19周周一～周四(1-4):分班调试，撰写设计报告 3.第19周周五：验收及答辩。 具体要求 1.周一：熟悉任务，掌握设备 2.周一：完成模型机的实验线路连接 3.周二：调试模型机，记录实验结果 4.周三：拟定课程设计报告大纲 5.周四、五：撰写并打印课程设计报告 目录 1.课程设计....................................... 错误!未定义书签。
课程设计题目...............................................错误!未定义书签。课程设计目的...............................................错误!未定义书签。实验设备...................................................错误!未定义书签。2概要设计....................................... 错误!未定义书签。原理.......................................................错误!未定义书签。数据通路框图...............................................错误!未定义书签。微指令格式.................................................错误!未定义书签。微程序流程图...............................................错误!未定义书签。微指令二进制代码表.........................................错误!未定义书签。实验步骤........................................ 错误!未定义书签。 实验接线图.............................................错误!未定义书签。 操作步骤...............................................错误!未定义书签。3实验过程....................................... 错误!未定义书签。输入数据...................................................错误!未定义书签。结果.......................................................错误!未定义书签。4设计总结....................................... 错误!未定义书签。设计体会...................................................错误!未定义书签。 1.课程设计 课程设计题目 基本模型机设计与实现
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关于计算机组成原理的课程论文 试谈中专计算机组成原理教法 摘要计算机组成原理是计算机专业的一门基础核心专业基础课程，在该专业的课程 体系中起着打地基的作用，学好这门课程对于提高学生的理论认知水平和实践能力有着极 为重要的作用。本文从用简单的问题切如枯燥的学习知识;把抽象的知识具体化;通过学生 讲解来验证教学效果，三个方面的方法来讲解如何教授中专计算机组成原理这门课程。 关键词问题简单化知识具体化 计算机组成原理的教学内容强调以计算机硬件部件和和整机系统知识为主的同时，还 必需适当兼顾与硬件关系最密切的基础软件知识的学习。那种把计算机组成原理完全作为 纯硬件课来处理，是陈旧的认识和过时的做法，不符合当今计算机研究和教育发展的潮流。学好这门课的目的是为了了解计算机的构成及基本工作原理。学生应能抽象出一个计算机 模型，在此基础上，理解计算机是如何工作的。 但是计算机组成原理这门课专业性很强，很抽象，也很枯燥。而现在的中专学生基础差，缺乏学习主动性，学习新知识时理解能力也相对比较薄弱。本文针对中专学生的这一 特征，提出了怎样教授计算机组成原理这门课程。利用一种以培养学生的理解、联系实际 能力为核心的教学模式，并就该模式下的课堂理论教学、课后练习与辅导、教学效果检验 等三个环节进行详细的阐述。 一、用简单的问题切如枯燥的学习知识 在讲解十进制数与二进制数之间相互转换这个问题时，我并没有直接讲转换算法，而 是先提问了一个学生们都认为很简单，但是又回答不正确的问题，来引起学生们的学习兴趣，我提问的问题是：计算机用的是直流电还是交流电，对此问题，我让同学们进行讨论，并说出你回答的答案的依据，几乎所有的学生都认为，计算机用的是交流电。依据是计算 机的电源插在220V的交流电源上。我就告诉学生们你们的答案都是错的，计算机用的是 直流电，学生们很好奇，就急于想听我讲出这个答案的依据，这样我就引进了二进制数的 概念，告诉学生，计算机中所有的数值、文字、符号、语音、图形、图像等等统为称数据，在计算机内部，都必须用数字化编码基二码二进制编码的形式被存储、加工和传送。 并且讲解了二进制码的基本点符号0和1。采用0和1的优点是：符号个数最少物理 上容易实现;与二值逻辑的真假两个值的对应简单;用二进制码表示数值数据运算规则简单。然而在我们的现实生活中所用的数值都是十进制数，那么接着就讲了十进制数如何转换成 二进制数。十进制数分为整数和小数。对于十进制的整数转换成二进制数的法则是：除以 2取余。对于十进制的小数转换成二进制的法则是：乘以2取整。相反二进制数如何转换
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R0；STA为双字长指令，含义是将R0中的内容存储到以第二字A为地址内存单元中；OUT为双字长指令，含义是将内存中以第二字为地址的数据读到数据总线上，由数码管进行显示；JMP是双字长指令，执行该指令时，程序无条件转移到第二字所指定的内存单元地址。 为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，还设计了三个控制台操作微程序：存储器读操作”(KRD):拨动总清开关CLR后，当控制台开关SWB、SWA置为“00”时，按START 微动开关，可对RAM进行连续手动读操作；存储器写操作(KWE)：拨动总清开关CLR后，当控制台开关SWB、SWA置为“01”时，按START微动开关，可对RAM进行连续手动写入;启动程序：拨动总清开关CLR后，当控制台开关SWB、SWA置为“11”时，按START微动开关，即可转入第01号“取指”微指令，启动程序运行。这三条控制台指令用两个开关SWB、SWA的状态来设置，其定义如表2：表2： C字段： 按照数据通路可画出机器指令的微程序流程图如图2所示，当拟定“取值”微指令时，该微指令的判
计算机组成原理论文 CPU运行原理 学生姓名：李维隆 学生学号：200925503223 班级院系：计算机学院软件工程计093-2 指导老师：潘庆先
中央处理器（英语：Central Processing Unit，CPU），是电子计算机的主要设备之一。其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。所谓计算机的可编程性主要是指对CPU的编程。CPU、内部存储器和输入／输出设备是现代电脑的三大核心部件。由集成电路制造的CPU，20世纪70年代以前，本来是由多个独立单元构成，后来发展出微处理器CPU复杂的电路可以做成单一微小功能强大的单元。 “中央处理器”这个名称，笼统地说，是对一系列可以执行复杂的计算机程序的逻辑机器的描述。这个空泛的定义很容易地将在“CPU”这个名称被普遍使用，之前的早期计算机也包括在内。无论如何，至少从20世纪60年代早期开始(Weik 1961)，这个名称及其缩写已开始在电子计算机产业中得到广泛应用。尽管与早期相比，“中央处理器”在物理形态、设计制造和具体任务的执行上有了戏剧性的发展，但是其基本的操作原理一直没有改变。 早期的中央处理器通常是为大型及特定应用的计算机而定制。但是，这种昂贵的为特定应用定制CPU的方法很大程度上已经让位于开发便宜、标准化、适用于一个或多个目的的处理器类。这个标准化趋势始于由单个晶体管组成的大型机和微机年代，随着集成电路的出现而加速。IC使得更为复杂的CPU可以在很小的空间中设计和制造（在微米的量级）。CPU 的标准化和小型化都使得这一类数字设备（港译-电子零件）在现代生活中的出现频率远远超过有限应用专用的计算机。现代微处理器出现在包括从汽车到手机到儿童玩具在内的各种物品中。 CPU的主要运作原理，不论其外观，都是执行储存于被称为程序里的一系列指令。在此讨论的是遵循普遍的冯·诺伊曼结构（von Neumann architecture）设计的装置。程序以一系列数字储存在计算机存储器中。差不多所有的冯·诺伊曼CPU的运作原理可分为四个阶段：提取、解码、执行和写回。 第一阶段，提取，从程序存储器中检索指令（为数值或一系列数值）。由程序计数器指定程序存储器的位置，程序计数器保存供识别目前程序位置的数值。换言之，程序计数器记录了CPU在目前程序里的踪迹。提取指令之后，PC根据指令式长度增加存储器单元[iwordlength]。指令的提取常常必须从相对较慢的存储器查找，导致CPU等候指令的送入。这个问题主要被论及在现代处理器的高速缓存和管线化架构。 CPU根据从存储器提取到的指令来决定其执行行为。在解码阶段，指令被拆解为有意义的片断。根据CPU的指令集架构（ISA）定义将数值解译为指令[isa]。一部分的指令数值为运算码，其指示要进行哪些运算。其它的数值通常供给指令必要的信息，诸如一个加法运算的运算目标。这样的运算目标也许提供一个常数值（即立即值），或是一个空间的寻址值：暂存器或存储器地址，以寻址模式决定。在旧的设计中，CPU里的指令解码部分是无法改变的硬体装置。不过在众多抽象且复杂的CPU和ISA中，一个微程序时常用来帮助转换指令为各种形态的讯号。这些微程序在已成品的CPU中往往可以重写，方便变更解码指令。 在提取和解码阶段之后，接着进入执行阶段。该阶段中，连接到各种能够进行所需运算的CPU部件。例如，要求一个加法运算，算术逻辑单元将会连接到一组输入和一组输出。输入提供了要相加的数值，而且在输出将含有总和结果。ALU内含电路系统，以于输出端完成简单的普通运算和逻辑运算（比如加法和位运算）。如果加法运算产生一个对该CPU处理而言过大的结果，在标志暂存器里，溢出标志可能会被设置。 最终阶段，写回，以一定格式将执行阶段的结果简单的写回。运算结果极常被写进CPU 内部的暂存器，以供随后指令快速访问。在其它案例中，运算结果可能写进速度较慢，但容量较大且较便宜的主存。某些类型的指令会操作程序计数器，而不直接产生结果数据。这些一般称作“跳转”并在程序中带来循环行为、条件性执行（透过条件跳转）和函数[jumps]。许多指令也会改变标志暂存器的状态位。这些标志可用来影响程序行为，缘由于它们时常显出各种运算结果。例如，以一个“比较”指令判断两个值的大小，根据比较结果在标志暂存
计算机组成原理课程总结&复习考试要点 一、考试以讲授过的教材中的内容为主，归纳要点如下： 第1章 -第2章计算机概念运算方法和运算器 （一）学习目标 1.了解计算机的分类和应用。 2.掌握计算机的软、硬件构成。 3.掌握计算机的层次结构。 3．掌握数的原码、反码、补码的表示方法。 4．掌握计算机中数据的定点表示和浮点表示方法，并熟练掌握各种表示方法下所能表示的数据的范围。 5．理解定点加法原理及其判断溢出的方法。 6．了解计算机定点乘法、除法的实现方法。 7．了解浮点加法，乘法，除法的实现方法。 8．理解ALU运算器的工作原理及其扩展方法。 （二）第1章学习内容 第一节计算机的分类和应用 要点：计算机的分类，计算机的应用。 第二节计算机的硬件和软件 要点：了解计算机的硬件构成及各部分的功能；了解计算机的软件分类和发展演变。 第三节计算机系统的层次结构 要点：了解计算机系统的层次结构。 （三）第2章学习内容 第一节数据和文字的表示方法 要点：△定点数的表示方法，及其在原码、反码和补码表示下的数值的范围；△○浮点数的表示方法及其不同表示格式下数据的表示范围；常见汉字和字符的几种表示方法； 第二节定点加法、减法运算 要点：△补码加、减法及其溢出的检测方法；二进制加法器和十进制加法器的逻辑构成。 第三节定点乘法运算 要点：原码并行乘法原理；不带符号的阵列乘法器；补码并行乘法原理；○直接补码阵列乘法器。 第四节定点除法运算 要点：理解原码除法原理以及并行除法器的构成原理。 第五节多功能算术/逻辑运算单元 要点：△74181并行进位运算器；74182进位链；△○多位ALU的扩展。 第六节浮点运算运算和浮点运算器
计算机组成原理课程设计 报告 指导教师： 班级： 姓名： 学号：
一、目的和要求 1.实验目的： 深入了解计算机各种指令的执行过程，以及控制器的组成，指令系统微程序设计的具体知识，进一步理解和掌握动态微程序设计的概念；完成微程序控制的特定功能计算机的指令系统设计和调试。 2、实验要求： 要进行这项大型实验，必须清楚地懂得： （1）TEC-2机的功能部件及其连接关系； （2）TEC-2机每个功能部件的功能与具体组成； （3）TEC-2机支持的指令格式； （4）TEC-2机的微指令格式，AM2910芯片的用法； （5）已实现的典型指令的执行实例，即相应的微指令与其执行次序的安排与衔接； （6）要实现的新指令的格式与功能。 二、实验环境 PC机模拟TEC-2机 三、具体内容 一、实验内容： 选定指令格式、操作码，设计如下指令： （1）把用绝对地址表示的内存单元ADDR1中的内容与内存单元ADDR2中的内容相减，结果存于内存单元ADDR3中。 指令格式：D4××，ADDR1，ADDR2， ADDR3 四字指令（控存入口100H） 功能： [ADDR3]=[ADDR1]-[ADDR2] （2）将一通用寄存器内容减去某内存单元内容，结果放在另一寄存器中。 指令格式：E0 DR SR，ADDR （SR，DR源、目的寄存器各4位）双字指令（控存入口130H） 功能： DR=SR+ [ADDR] （3）转移指令。判断两个通用寄存器内容是否相等，若相等则转移到指定绝对地址，否则顺序执行。 指令格式：E5 DR SR，ADDR 双字指令（控存入口140H） 功能： if DR==SR goto ADDR else 顺序执行。 设计：利用指令的CND字段，即IR10~8，令IR10~8=101，即CC=Z 则当DR==SR时Z=1，微程序不跳转，接着执行MEM PC（即ADDR PC） 而当DR!=SR时Z=0，微程序跳转至A4。 二、实验要求： （1）根据内容自行设计相关指令微程序；（务必利用非上机时间设计好微程序） （2）设计测试程序、实验数据并上机调试。 （3）设计报告内容：包括1、设计目的2、设计内容3、微程序设计（含指令格式、功能、设计及微程序） 4、实验数据（测试所设计指令的程序及结果）。（具体要求安最新规范为准） （4）课程设计实验报告必须打印成册，各班班长收齐大型实验报告于18周星期六下午（15：00）前，交张芳老师办公室。 四、实验程序与分析： （一）.把用绝对地址表示的内存单元ADDR1中的内容与内存单元ADDR2中的内容相减，结果存于内存单元ADDR3中。 指令格式：D4××，ADDR1，ADDR2， ADDR3 四字指令（控存入口100H）
计算机组成原理(肖铁军2010版)课后答案 第一章；1 ．比较数字计算机和模拟计算机的特点；解：模拟计算机的特点： 数值由连续量来表示，运算过；数字计算机的特点：数值由数字量（离散量）来 表示，；2．数字计算机如何分类？分类的依据是什么？；解：分类：数字计算机分为专用计算机和通用计算机；分类依据：专用和通用是根据计算机的效率、速度、价；通用机的分类依据主要是体积、简易性、功率损耗、性；3．数字计算机有那些主 第一章 1．比较数字计算机和模拟计算机的特点。 解：模拟计算机的特点：数值由连续量来表示，运算过程是连续的 数字计算机的特点：数值由数字量（离散量）来表示，运算按位进行。两者主要区别见P1 表1.1。 2．数字计算机如何分类？分类的依据是什么？ 解：分类：数字计算机分为专用计算机和通用计算机。通用计算机又分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机六类。
通用机的分类依据主要是体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格等因素。 3．数字计算机有那些主要应用？ （略） 4．冯. 诺依曼型计算机的主要设计思想是什么？它包括哪些主要组成部分？ 解：冯. 诺依曼型计算机的主要设计思想是：存储程序和程序控制 存储程序：将解题的程序（指令序列）存放到存储器中； 程序控制：控制器顺序执行存储的程序，按指令功能控制全机协调地完成运算任务。主要组成部分有：控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备。 5．什么是存储容量？什么是单元地址？什么是数据字？什么是指令字？解：存储容量：指存储器可以容纳的二进制信息的数量，通常用单位KB、M B、GB来度量，存储容量越大，表示计算机所能存储的信息量越多，反映了计算机存储空间的大小。 单元地址：单元地址简称地址，在存储器中每个存储单元都有唯一的地址编号，称为单元地址。 数据字：若某计算机字是运算操作的对象即代表要处理的数据，则称数据字。指令字：若某计算机字代表一条指令或指令的一部分，则称指令字。 6．什么是指令？什么是程序？
计算机组成原理与汇编语言课程设计说明书题目：直接逻辑运算流程 学院（系）： 专业班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 教师职称： 起止时间：
（论文）任务书 院（系）：电子与信息工程学院教研室：学号学生姓名专业班级设计题目直接逻辑运算流程 设计技术参数1．TEC-4计算机组成原理实验系统2．双踪示波器 3．直流万用表 4．逻辑测试笔 课设要求1.上机前预先把所有的源程序编写好。 2.上机时不得迟到，不得缺席，爱护设备，认真调试程序。 3.仔细查阅相关资料，认真完成思考题。 4.按要求书写设计任务书，并按要求按版打印，不得雷同。 工作量一周 工作计划周一听取教师布置设计的任务及要求。 周二学生查阅相关资料，进行数据库设计。周三至周五：详细设计与界面设计。 周一至周四程序设计与上机，调试源程序。周五书写课程设计任务书。 指导教师 评语 成绩：指导教师签字： 年月日说明：此表一式四份，学生、指导教师、教研室、系部各一份。可加附页。
目录 第一章课程设计简介 (3) 第二章数据通路设计 (5) 2.1运算器ALU (5) 2.2存储器 (5) 2.3控制存储器 (7) 2.4数据通路总体图 (8) 2.5综合设计 (10) 第三章测试与调试 (11) 第四章总结 (12) 参考文献： (13)
第一章课程设计简介 课程设计题目：直接逻辑运算流程 目的： 1、将组成原理中的运算器设计与储存器设计相结合，组成一台模型计算机； 2、用手动方法控制模型及数据通路； 3、通过CPU进行加法、减法、乘法、逻辑运算、直通等运算，牢固建立计算机的整机概念； 4、进一步熟悉计算机的数据通路；掌握数字逻辑电路中故障的一般规律，以及排除故障的一般原则和方法； 5、锻炼分析问题与解决问题的能力，在出现故障的情况下，独立分析故障现象，并排除故障。 原理： 本次课程设计可以使用计算机组成原理实验中的电路，包括运算器、存储器、通用寄存器堆等，将几个模板组合成为一台简单计算机。 在本次课程设计中，实验者本身作为“控制器”，完成数据通路的控制。CPU从内存取出操作数一条到相应运算执行结束的一个机器指令周期，是由实验者本身完成的。 设备： 1)TEC-4计算机组成原理试验系统一台 2)双踪示波器一台 3)只留万能表一只 4)逻辑测试笔一支 课程设计任务: ①将课程设计所涉及的电路与控制台的有关信号进行线路连接。 ②用8位数据开关向RF中的四个通用寄存器分别置入以下数据：RO=OFH,R1=OFOH,R2=55H,R3=0AAH. 给R0置入0FH的步骤是：先用8位数码开关sw0—sw7将0FH置入ER，并且选择WR1=0、WR0=0、WRD=1，再将ER的数据置入RF。给其他的通用寄存器置入数据的步骤与此类似。 ③分别将R0至R3中的数据同时读入到DR2寄存器中和DBUS上，观察其数据是否是存入R0至R3中的数据，并记录数据。其中DBUS上的数据可直接用指示灯显示，
《计算机组成原理》论文 --基于专业规范的 “计算机组成原理”课程改革 指导教师 XXX 作者X X X 学号 20084XXXXX 院系/年级师范学院2008级XXXX系
基于专业规范的“计算机组成原理”课程改革 摘要：以教育部计算机科学与技术专业教学指导委员会的专业规范为指导，针对计算机组成原理课程的特点，从以专业规范为基础优化教学内容、改进教学方法和丰富教学手段等方面进行了探讨和实践。分析实验教学现状，指出存在的问题，提出通过改编实验设计，加强实验教学过程指导，提高实验教学效果。以专业规范为指导，从理论教学和实验教学两方面为“计算机组成原理”课程改革提出了新的建议。 关键词：专业规范；计算机组成原理；课程改革；理论教学；实验教学 随着计算机和通信技术的蓬勃发展，中国开始进入信息化时代，计算机及技术的应用更加广泛深入，计算机学科传统的专业优势已经不再存在。社会和应用对学生在计算机领域的知识与能力提出了新的要求。专家们指出，未来10～15 年是我国信息技术发展的窗口期、关键期。为此，高等学校肩负着为国家发展和满足社会需求培养多类型人才的重任。在这样的背景下，高校必须正视问题，积极思索与变革，重新审视计算机专业教育的发展方向，与时俱进地推进计算机专业教育改革。 《计算机组成原理》是计算机科学与技术专业必修的一门专业主干课程。课程要求掌握计算机系统各部件的组成和工作原理、相互联系和作用，最终达到从系统、整机的角度理解计算机的结构与组成，并为后续课程的学习奠定基础。但从整个学科的建设和发展，以及对学生专业素质培养的角度来看，这样的要求是不够的。更为重要的是，通过教与学，还应当提高学生对计算机硬件系统的认知能力和设计能力，强化实践意识与能力，培养创新理念与能力，激发学生自主学习、主动探索前沿知识。教育部计算机科学与技术专业教学指导委员会在2006 年发布了计算机科学与技术本科专业战略报告和专业规范，对计算机专业的发展与教学提出了指导意见。本文探讨以专业规范为指导对计算机组成原理课程进行改革，研究并实践一种有效的教学模式，帮助学生从微观层面掌握本课程知识单元，从宏观层面建立该课程知识体系，使学生准确把握课程的核心内容，全面地构建整机系统，进而培养学生的专业素养和综合能力。 1 计算机科学与技术专业规范 教育部高等学校计算机科学与技术专业教学指导委员会（以下简称教指委）在广泛深入的调查研究基础上，借鉴国际上计算机专业办学的发展与现状，结合我国计算机教育的实际情况，对计算机专业本科教育的发展方向和办学单位的专业发展提出了指导性意见，并制定了具体的《专业规范》。 教指委在计算机科学与技术专业发展战略研究报告和专业规范中提出了以“培养规格分类”为核心思想的计算机专业发展建议，将计算机学科分为三种类型四个方向，即：科学型（计算机科学方向CS）、工程型（包括计算机工程方向CE 和软件工程方向SE）、应用型（信息技术方向IT）[1]。针对每个类型的每个方向的特点和要求，专业规范从学科方法论、培养目标与规格、教育内容和知识体系等方面进行了详细的规划，提出了富有建设性的指导意见。 专业规范中明确指出，“计算机组成基础”是计算机科学方向和计算机工程方向的核心
《计算机组成原理》大作业报告 题目名称：交通灯控制系统设计 学院(部 ): 计算机学院 专业：计算机科学与技术 学生姓名： 班级 学号 最终评定成绩：___________________________________ 湖南工业大计算机学院 目录
交通在人们的日常生活中占有重要的地位，随着人们社会活动的日益频繁，这点更是体现的淋漓尽致。交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。近年来随着科技的飞速发展，的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。在实时检测和自动控制的机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。 本系统采用单片机AT89S52为中心器件来设计交通灯控制器，系统实用性强、操作简单、扩展性强。本设计就是采用单片机模拟十字路口交通灯的各种状态显示以及倒计时时间。 本设计系统由单片机I/O 口扩展系统、交通灯状态显示系统、LED数码显示系统、复位电路等几大部分组成。系统除基本的交通灯功能外，还具有倒计时等功能，较好的模拟实现了十字路口可能出现的状况。 软件上采用C51编程，主要编写了主程序，LED数码管显示程序，中断程序延时程序等。经过整机调试，实现了对十字路口交通灯的模拟。 1. 引言 当今，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。但这一技术在1 9世纪就已出现了。 1858 年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止” ，绿色表示“注意” 。1869 年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。 电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，19xx 年始安装于纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止” ，绿灯亮表示“通行”。 19xx 年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的4 红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。 信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。19xx 年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停