南京信息工程大学实验（实习）报告
实验（实习）名称设计存储器实验（实习）日期 2014.1.06 得分指导教师林美华
系计算机专业软件工程年级 11 班次 3 姓名高翔学号 20112344905
1. 实验目的
(1)掌握用存储芯片构成存储器的原理。
(2)掌握存储器与CPU的连接方法(位并联法、地址串联法)。
(3)了解存储器的相关知识。
2. 实验要求
有一个16K×16位的存储器，由1K×4位的DRAM芯片构成(芯片内部是64×64结构)。问：
总共需要多少DRAM芯片？
设计此存储器组成框图(要考虑刷新电路部分)
若采用异步刷新方式，且刷新间隔不超过2ms，则刷新信号周期是多少？
若采用集中刷新方式，存储器刷新一遍最少用多少读/写周期？设读/写周期T=0.1us，那么死时间率是多少？
3. 实验内容
主存储器主要有以下几个性能指标：
存储容量：所谓存储容量即存储器能够保存的数据的数量。常用的单位有GB、MB、KB等。1GB=1024MB,1MB=1024KB,1KB=1024B。也可以用乘积的方式表示，公式为：容量＝字数×字长(如1KB可以表示为1K×8位，1MB可以表示为1M×8位等)。
存取速度：所谓存取速度即是单位时间内存储器能读写的位数或字节数。该参数跟存储器的时钟频率有关。一般情况下，时钟频率越高，存取速度越快。如果用位数衡量，常用单位有Kb/s、Mb/s等；如果用字节数衡量，常用单位有KB/s、MB/s等。
读写周期：所谓读写周期是指读写一位或一个字节所需要的时间。该参数与
存取速度成反比。存取速度越快，周期越短，反之亦然。
解：芯片1K×4位，片内地址线10位（A9--A0 ），数据线4位。芯片总数为：（16K×16）/（1K×4）=16×4＝64片
存储器容量为16K，故地址线总数为14位（A13─A0），其中A13A12A11A10通过4：16译码器产生片选信号CS0─CS15。
刷新信号周期为：2ms/64=31.3us。
若用集中式刷新，则刷新一遍用64个读/写周期。
死时间率为：64×0.1/2×1000=0.32%。
4. 实验总结
通过本次实验，学习了存储器的相关知识，掌握用存储芯片构成存储器的原理。掌握存储器与CPU的连接方法(位并联法、地址串联法)。更加清晰的了解了存储器的结构。
第一章计算机系统概论第一章单元测验 1、计算机硬件能直接执行的是 A、高级语言 B、机器语言 C、汇编语言 D、任何语言 2、下列说法中，错误的是 A、软件与硬件具有逻辑功能的等价性 B、固件功能类似软件，形态类似硬件 C、计算机系统层次结构中，微程序属于硬件级 D、寄存器的数据位对微程序级用户透明 3、完整的计算机系统通常包括 A、运算器、控制器、存储器 B、主机、外部设备 C、主机和应用软件 D、硬件系统与软件系统 4、计算机的字长与下列哪项指标密切相关 A、运算精确度 B、运算速度 C、内存容量 D、存取速度 5、CPU地址线数量与下列哪项指标密切相关 A、运算精确度 B、运算速度 C、内存容量 D、存储数据位 6、下列属于冯?诺依曼计算机的核心思想是 A、存储器按地址访问 B、存储程序和程序控制 C、采用补码 D、采用总线
7、下列关于计算机系统层次结构的描述中，正确的是 A、不同层次面向不同用户，看到计算机的属性不同 B、低层代码执行效率比高层代码执行效率高 C、低层用户对硬件的透明性比高层用户要低 D、指令集架构层是软、硬件间的接口 8、下列关于硬件与软件关系的描述中，正确的是 A、硬件是软件运行的基础 B、硬件的发展推动了软件的发展 C、软件的发展也推动硬件的发展 D、软件能完成的功能及性能与硬件有关 9、下列关于计算机字长的描述中正确的是 A、字长一般与运算器的数据位相同 B、字长一般与通用寄存器的位数相同 C、字长一般与存储器数据位相同 D、字长一般与存储器的地址位相同 10、下列可用于评价计算机系统性能的指标是 A、MIPS B、CPI C、IPC D、字长 11、下列计算机系统性能评价的描述中正确的是 A、程序MIPS值越高，计算机的性能越高 B、程序的CPI值越低，计算机的性能越高 C、主频高的机器性能不一定高 D、同一程序在不同机器上运行时得到的MIPS值不一定相同 12、访问256KB的存储空间，需要的地址线数最少为( ）根？（只需要填阿拉伯数字） 13、程序必须存放在哪里才能被CPU访问并执行 14、某计算机指令集中共有A、B、C、D四类指令，它们占指令系统的比例分别为40% 、20%、20%、20%, 各类指令的CPI分别为2、3、4、5；该机器的主频为600MHZ，则该机的CPI 为（保留到小数点后一位） 15、某计算机指令集中共有A、B、C、D四类指令，它们占指令系统的比例分别为40% 、20%、20%、20%, 各类指令的CPI分别为2、3、4、5；该机器的主频为600MHZ，则该机的MIPS为（保留到小数点后一位） 参考答案如下：
第2章数据的表示和运算 主要内容： （一）数据信息的表示 1.数据的表示 2.真值和机器数 （二）定点数的表示和运算 1.定点数的表示：无符号数的表示；有符号数的表示。 2.定点数的运算：定点数的位移运算；原码定点数的加/减运算；补码定点数的加/减运算；定点数的乘/除运算；溢出概念和判别方法。 （三）浮点数的表示和运算 1.浮点数的表示：浮点数的表示范围；IEEE754标准 2.浮点数的加/减运算 （四）算术逻辑单元ALU 1.串行加法器和并行加法器 2.算术逻辑单元ALU的功能和机构 2.3 浮点数的表示和运算 2.3.1 浮点数的表示 （1）浮点数的表示范围 ?浮点数是指小数点位置可浮动的数据，通常以下式表示： N=M·RE 其中，N为浮点数，M为尾数，E为阶码，R称为“阶的基数（底）”，而且R
为一常数，一般为2、8或16。在一台计算机中，所有数据的R都是相同的，于是不需要在每个数据中表示出来。 浮点数的机内表示 浮点数真值：N=M ×2E 浮点数的一般机器格式： 数符阶符阶码值 . 尾数值 1位1位n位m位 ?Ms是尾数的符号位，设置在最高位上。 ?E为阶码，有n+1位，一般为整数，其中有一位符号位EJ，设置在E的最高位上，用来表示正阶或负阶。 ?M为尾数，有m位，为一个定点小数。Ms=0，表示正号，Ms=1，表示负。 ?为了保证数据精度，尾数通常用规格化形式表示：当R＝2，且尾数值不为0时，其绝对值大于或等于0.5。对非规格化浮点数，通过将尾数左移或右移，并修改阶码值使之满足规格化要求。 浮点数的机内表示 阶码通常为定点整数，补码或移码表示。其位数决定数值范围。阶符表示数的大小。 尾数通常为定点小数，原码或补码表示。其位数决定数的精度。数符表示数的正负。
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。 分类依据：专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。 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、MB、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？ 解：指令：计算机所执行的每一个基本的操作。 程序：解算某一问题的一串指令序列称为该问题的计算程序，简称程序。 7．指令和数据均存放在内存中，计算机如何区分它们是指令还是数据？ 解：一般来讲，在取指周期中从存储器读出的信息即指令信息；而在执行周期中从存储器中读出的 信息即为数据信息。 8．什么是内存？什么是外存？什么是CPU？什么是适配器？简述其功能。
《计算机组成原理》电子教案 课程名称：计算机组成原理 适用专业：计算机科学与技术网络工程课程总学时：80学时 编写时间： 2006年9月
本课程是计算机专业本科生的核心课程，是主干必修课。课程以阐述原理为主，讲述计算机系统及其各功能部件的工作原理以及逻辑实现，计算机系统及其各功能部件的设计原理以及并行处理技术。设置这一课程的目的是使学生掌握计算机的基本工作原理，掌握计算机各主要部件的硬件结构、相互联系和作用，掌握计算机系统的设计原理以及软硬件的界面，从而对整个计算机系统有完整的了解，为计算机专业的后继课程的学习打下基础。 一、本课程得主要内容 1、计算机系统概论 2、运算方法和运算器 3、存储器 4、计算机指令系统 5、控制器 6、总线系统 7、外围设备 8、输入、输出系统 二、本课程教学重点与难点 重点：信息编码和数据表示 控制器 存储系统 输入输出系统 三、教材选用 《计算机组成原理》白中英.科学出版社， 四、参考教材： 主要参考书： 1、李亚明.《计算机组成与系统结构》.清华大学出版社.2001
2、王爱英.《计算机组成与结构》.清华大学出版社.1998 3、江义鹏.《计算机组成原理》.人民邮电出版社.1998 4、胡越明.《计算机组成和系统结构》.上海科学技术文献出版社.1999 五、教学手段：多媒体课件+版书 六、课程内容和学时分配 （整体安排按信息表示、信息处理、信息输出思路。） 1、计算机系统概论 教学内容： 1、计算机系统的基本构成 2、计算机系统的层次结构 3、计算机系统结构、组成及其实现 4、计算机的性能评价 5、计算机发展简史 6、计算机的应用 基本要求： 通过本章的学习，要求了解整个计算机系统由硬件和软件两部分构成，其中硬件部分包括运算器、控制器、存储器、输入输出设备等五大功能部件构成。通过总线相互连成一个完整的硬件系统；软件部分包括系统软件、应用软件两大部分。通过对计算机层次结构的了解，明确计算机组成原理课程的任务和目的。了解计算机中的一些基本概念，包括性能指标、计算机发展简史以及计算机的应用。 教学重点： 1、计算机系统的基本构成 2、计算机系统的层次结构 3、计算机系统结构、组成及其实现 教学难点：计算机系统的层次结构、系统结构、组成及其实现的关系。明确计算机组成原理课程的任务和目的。 其它： 4、计算机的性能评价（字长、容量、速度、时间、MIPS） 5、计算机发展简史（ENIAC、冯氏计算机、其它自学） 6、计算机的应用（科学计算与数据处理的区别）
计算机组成原理第1章习题与答案 一、选择题 1．从器件角度看，计算机经历了五代变化。但从系统结构看，至今绝大多数计算机仍属于（）计算机。 A.并行 B.冯·诺依曼 C.智能 D.串行 2．冯·诺依曼机工作的基本方式的特点是（）。 A.多指令流单数据流 B.按地址访问并顺序执行指令 C.堆栈操作 D.存贮器按内容选择地址 3．在下面描述的汇编语言基本概念中，不正确的表述是（）。 A.对程序员的训练要求来说，需要硬件知识 B.汇编语言对机器的依赖性高 C.用汇编语言编写程序的难度比高级语言小 D.汇编语言编写的程序执行速度比高级语言慢 4.（2009年考研题）冯·诺依曼计算机中指令和数据均以二进制形式存放在存储器中，CPU区分它们的依据是（）。 A.指令操作码的译码结果 B.指令和数据的寻址方式 C.指令周期的不同阶段 D.指令和数据所在的存储单元 5．（2011年考研题）下列选项中，描述浮点数操作速度指标的是（）。 A.MIPS B.CPI C.IPC D.MFLOPS 6．（2012年考研题）基准程序A在某计算机上的运行时间为100秒，其中90秒为CPU时间，其它时间忽略不计。若CPU速度提高50%，I/O速度不变，则基准程序A所耗费的时间是（）秒。 A.55 B.60 C.65 D.70 7．（2013年考研题）某计算机主频为1.2 GHz，其指令分为4类，它们在基准程序中所占比例及CPI如下表所示。 该机的MIPS数是（）。 A.100 B.200 C.400 D.600
8．（2014年考研题）程序P在机器M上的执行时间是20s，编译优化后，P 执行的指令数减少到原来的70%，而CPI增加到原来的1.2倍，则P在M上的执行时间是（）。 A.8.4秒 B.11.7秒 C.14秒 D.16.8秒 9．（2015年考研题）计算机硬件能够直接执行的是（）。 Ⅰ．机器语言程序Ⅱ．汇编语言程序Ⅲ．硬件描述语言程序 A.仅Ⅰ B.仅ⅠⅡ C.仅ⅠⅢ D.ⅠⅡⅢ 二、名词解释 1．吞吐量2．响应时间3．利用率 4．处理机字长5．总线宽度6．存储器容量 7．存储器带宽8．主频/时钟周期9．CPU执行时间 10．CPI 11．MIPS 12．FLOPS 三、简答题 1．指令和数据均存放在内存中，计算机如何区分它们是指令还是数据？ 2．冯·诺依曼计算机体系结构的基本思想是什么？按此思想设计的计算机硬件系统应由哪些部件组成？ 3．计算机系统分为哪几个层次？每层分别用软件还是硬件实现？
题号一二三四合计 分数 阅卷人 一、单选题（每题2分，共30分） 1 冯.诺依曼计算机结构的核心思想是：_____ 。 A 二进制运算 B 有存储信息的功能C运算速度快 D 存储程序控制 2 计算机硬件能够直接执行的只有_____ 。 A 机器语言 B 汇编语言 C 机器语言和汇编语言 D 各种高级语言 3 零的原码可以用哪个代码来表示：_____ 。 A 11111111 B 10000000 C 01111111 D 1100000 4 某数在计算机中用8421码表示为0111 1000 1001 ，其真值为_____。 A 789 B 789H C 1929 D 11110001001B 5目前在小型和微型计算机里最普遍采用的字符编码是_____。 A BCD码 B 十六进制代码 C AS CⅠⅠ码 D海明码
6 当-1＜x＜0时，【x】原=：______。 A 1-x B x C 2+x D (2-2-n) -︱x ︳ 7 执行一条一地址的加法指令需要访问主存______次。 A 1 B 2 C 3 D 4 8 在寄存器间接寻址中，操作数应在______中。 A 寄存器 B 堆栈栈顶 C 累加器 D 主存单元 9 在串行进位的并行加法器中，影响加法器运算速度的关键因素是：______。 A 门电路的级延迟 B 元器件速度C进位传递延迟 D 各位加法器速度的不同 10 运算器虽由许多部件组成，但核心部件是______。 A 算术逻辑运算单元 B 多路开关 C 数据总线D累加寄存器 11在浮点数编码表示中______在机器中不出现，是隐含的。 A. 阶码 B.符号 C 尾数 D 基数
计算机组成原理 第1章计算机系统概论 一.填空题 1. 计算机系统是由硬件和软件两大部分组成的，前者是计算机系统的物质基础，而后者则是计算机系统解题的灵魂，两者缺一不可。 2. 存储程序是指解题之前预先把程序存入存储器；程序控制是指控制器依据所存储的程序控制计算机自动协调地完成解题的任务，这两者合称为存储程序控制，它是冯·诺依曼型计算机的重要工作方式。 3.通常将控制器和运算器合称为中央处理器(CPU) ；而将控制器、运算器和内存储器合称为计算机的主机。 4.计算机系统的硬件包括控制器、运算器、存储器、I/O接口和I/O设备等五大部分。 二.选择题 1. 指令周期是指（ C ）。 A.CPU从主存取出一条指令的时间 B.CPU执行一条指令的时间 C. CPU从主存取出一条指令加上执行该指令的时间 三.问答题 1.存储程序控制是冯?诺依曼型计算机重要的工作方式，请解释何谓存储程序、程序控制？ 答：存储程序是指将解题程序(连同原始数据)预先存入存储器； 程序控制是指控制器依据存储的程序，控制全机自动、协调的完成解题任务。 2.计算机系统按功能通常可划分为哪五个层次？画出其结构示意图加以说明。 答：.五级组成的计算机系统如图1.7 (课本P18) 1）微程序设计级：微指令直接由硬件执行。 2）一般机器级(机器语言级)：由微程序解释机器指令系统，属硬件级。 3）操作系统级：由操作系统程序实现。 4）汇编语言级：由汇编程序支持执行。 5）高级语言级：由高级语言编译程序支持执行。 这五级的共同特点是各级均可编程。 四.计算题 1.设某计算机指令系统有4种基本类型的指令A、B、C和D，它们在程序中出现的频度(概率)分别为0.3、0.2、0.15和0.35，指令周期分别为5ns、5.5ns、8ns和10ns，求该计算机的平均运算速度是多少MIPS(百万条指令每秒)？ 解:指令平均运算时间： T=5×0.3＋5.5×0.2＋8×0.15＋10×0.35＝7.3 (ns) 平均运算速度： V=1/T=1/(7.3×10－3)＝137(MIPS) 第2章运算方法与运算器 一.填空题 1.若某计算机的字长是8位，已知二进制整数x＝10100，y＝–10100，则在补码的表示中，[x]补＝00010100 ，[y]补＝11101100 。 2. 若浮点数格式中阶码的基数已确定，而且尾数采用规格化表示法，则浮点数表示的数，其范围取决于浮点数阶码的位数，而精度则取决于尾数的位数。
主存储器部件的组成与设计 主存储器部件的组成与设计 类别：存储器 主存储器概述（１）主存储器的两个重要技术指标◎读写速度：常常用存储周期来度量，存储周期是连续启动两次独立的存储器操作（如读操作）所必需的时间间隔。◎存储容量：通常用构成存储器的字节数或字数来计量。（２）主存储器与ＣＰＵ及外围设备的连接是通过地址总线、数据总线、控制总线进行连接，见下图主存储器与ＣＰＵ的连接◎地址总线用于选择主存储器的一个存储单元，若地址总线的位数ｋ，则最大可寻址空间为２ｋ。如ｋ＝２０，可访问１ＭＢ的存储单元。 ◎数据总线用于在计算机各功能部件之间传送数据。◎控制总线用于指明总线的工作周期和本次输入／输出完成的时刻。（３）主存储器分类 ◎按信息保存的长短分：ＲＯＭ与ＲＡＭ◎按生产工艺分：静态存储器与动态存储器静态存储器（ＳＲＡＭ）：读写速度快，生产成本高，多用于容量较小的高速缓冲存储器。动态存储器（ＤＲＡＭ）：读写速度较慢，集成度高，生产成本低，多用于容量较大的主存储器。静态存储器与动态存储器主要性能比较如下表：静态和动态存储器芯片特性比较ＳＲＡＭＤＲＡＭ存储信息触发器电容破坏性读出非是 需要刷新不要需要送行列地址同时送分两次送运行速度 快慢集成度低高发热量大小存储成本高低 动态存储器的定期刷新：在不进行读写操作时，ＤＲＡＭ存储器的各单元处于断电状态，由于漏电的存在，保存在电容ＣＳ上的电荷会慢慢地漏掉，为此必须定时予以补充，称为刷新操作。２、动态存储器的记忆原理和读写过程（１）动态存储器的组成：由单个ＭＯＳ管来存储一位二进制信息。信息存储在ＭＯＳ管的源极的寄生电容ＣＳ中。◎写数据时：字线为高电平，Ｔ导通。写“１”时，位线（数据线）为低电平，ＶＤＤ（电源）将向电容充电写“０时，位线（数据线）为高电平，若电容存储了电荷，则将会使电容完成放电，就表示存储了“０”。◎读数据时：先使位线（数据线）变为高电平，当字线高电平到来时Ｔ导通，若电容原存储有电荷（是“１”），则电容就要放电，就会使数据线电位由高变低；若电容没有存储电荷（是“０”），则数据线电位不会变化。检测数据线上电位的变化就可以区分读出的数据是１还是０。注意①读操作使电容原存储的电荷丢失，因此是破坏性读出。为保持原记忆内容，必须在读操作后立刻跟随一次写入操作，称为预充电延迟。②向动态存储器的存储单元提供地址，是先送行地址再送列地址。原因就是对动态存储器必须定时刷新（如２ｍｓ），刷新不是按字处理，而是每次刷新一行，即为连接在同一行上所有存储单元的电容补充一次能量。③在动态存储器的位线上读出信号很小，必须接读出放大器，通常用触发器线路实现。④存储器芯片内部的行地址和列地址锁存器分先后接受行、列地址。⑤ＲＡＳ、ＣＡＳ、ＷＥ、Ｄｉｎ、
计算机组成原理题解指南 第一部分：简答题 第一章计算机系统概论 1．说明计算机系统的层次结构。 计算机系统可分为：微程序机器级，一般机器级（或称机器语言级），操作系统级，汇编语言级，高级语言级。 第四章主存储器 1．主存储器的性能指标有哪些？含义是什么？ 存储器的性能指标主要是存储容量. 存储时间、存储周期和存储器带宽。 在一个存储器中可以容纳的存储单元总数通常称为该存储器的存储容量。 存取时间又称存储访问时间，是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。 存储周期是指连续两次独立的存储器操作（如连续两次读操作）所需间隔的最小时间。 存储器带宽是指存储器在单位时间中的数据传输速率。 2．DRAM存储器为什么要刷新？DRAM存储器采用何种方式刷新？有哪几种常用的刷新方式？ DRAM存储元是通过栅极电容存储电荷来暂存信息。由于存储的信息电荷终究是有泄漏的，电荷数又不能像SRAM存储元那样由电源经负载管来补充，时间一长，信息就会丢失。为此必须设法由外界按一定规律给栅极充电，按需要补给栅极电容的信息电荷，此过程叫“刷新”。 DRAM采用读出方式进行刷新。因为读出过程中恢复了存储单元的MOS栅极电容电荷，并保持原单元的内容，所以读出过程就是再生过程。 常用的刷新方式由三种：集中式、分散式、异步式。 3．什么是闪速存储器？它有哪些特点？ 闪速存储器是高密度、非易失性的读/写半导体存储器。从原理上看，它属于ROM型存储器，但是它又可随机改写信息；从功能上看，它又相当于RAM，所以传统ROM与RAM的定义和划分已失去意义。因而它是一种全新的存储器技术。 闪速存储器的特点：（1）固有的非易失性，（2）廉价的高密度，（3）可直接执行，（4）固态性能。4．请说明SRAM的组成结构，与SRAM相比，DRAM在电路组成上有什么不同之处？ SRAM存储器由存储体、读写电路、地址译码电路、控制电路组成，DRAM还需要有动态刷新电路。 第五章指令系统 1．在寄存器—寄存器型，寄存器—存储器型和存储器—存储器型三类指令中，哪类指令的执行时间最长？哪类指令的执行时间最短？为什么？ 寄存器-寄存器型执行速度最快,存储器-存储器型执行速度最慢。因为前者操作数在寄存器中，后者操作数在存储器中，而访问一次存储器所需的时间一般比访问一次寄存器所需时间长。 2．一个较完整的指令系统应包括哪几类指令？ 包括：数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、程序控制指令、输入输出指令、堆栈指令、字符串指令、特权指令等。 3．什么叫指令？什么叫指令系统？ 指令就是要计算机执行某种操作的命令 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。 第六章中央处理部件CPU 1．指令和数据均存放在内存中，计算机如何从时间和空间上区分它们是指令还是数据。 时间上讲，取指令事件发生在“取指周期”，取数据事件发生在“执行周期”。从空间上讲，从内存读出的指令流流向控制器（指令寄存器）。从内存读出的数据流流向运算器（通用寄存器）。 2．简述CPU的主要功能。 CPU主要有以下四方面的功能：(1)指令控制程序的顺序控制，称为指令控制。 (2)操作控制 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部件，从而 控制这些部件按指令的要求进行动作。 (3)时间控制对各种操作实施时间上的控制，称为时间控制。 (4)数据加工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。 3．举出CPU中6个主要寄存器的名称及功能。 CPU有以下寄存器： (1)指令寄存器（IR）：用来保存当前正在执行的一条指令。 (2)程序计数器（PC）：用来确定下一条指令的地址。 (3)地址寄存器（AR）：用来保存当前CPU所访问的内存单元的地址。
计算机组成原理课程设计 多体交叉存储器 一、设计目的 （1）深入了解提高计算机系统效率的一种有效方式——并行性； （2）研究交叉存储器的设计原理和实现方式，采用并行性的设计思想，设计一个简易的采用低位交叉编址的并行结构存储器； （3）复习和回顾译码电路设计、地址、数据和控制电路设计的相关知识；展开研究性教学，拓展大家知识面，提高分析问题解决问题的能力； （4）培养大家独立思考和创新研究的能力，积极营造自主创新的良好氛围； 二、设计内容 本次研究性设计要求为：设计一个容量为64KB 的采用低位交叉编址的8体并行结构存储器。画出CPU 和存储芯片（芯片容量自定）的连接图，并写出图中每个存储芯片的地址范围（用 十六进制数表示）。 三、设计要求 （1）参考教材中关于交叉存储器的原理，给出系统设计方案，包括译码芯片的选择、各个芯片的工作时序设计； （2）注意片选信号的产生电路设计、地址锁存电路设计、数据信号线的电路设计、控制信号线的设计、交叉存储的实现； （3）要了解交叉存储器并行工作原理、各个存储器提的启动信号和地址、数据、片选信号的关系、如何实现1/8存储器周期就能够读取一次数据。 四、设计方案 （1）总线和控制信号确定 设CPU 共有16根地址线，8根数据线，并用IO /M 作为访问存储器或I/O 的控制信号（高电平为访存，低电平为访I/O ），WR （低电平有效）为写命令，RD （低电平有效）为读命令。
要求：设计一个容量为64KB 的采用低位交叉编址的8体并行结构存储器。画出CPU 和存储芯片（芯片容量自定）的连接图，并写出图中每个存储芯片的地址范围（用十六进制数表示）。 所需存储器芯片和138 Ai A0 … CE … WE Dn D0 RAM 存储器芯片 74LS138译码器 （2）设计分析 要设计一个容量为64KB 、采用低位交叉编址的8体并行结构存储器，则每个存储体容量应为64KB/8 = 8KB ，所以，应选择8KB （213B ）的RAM 芯片，需要芯片8块、地址线13根（A12-A0）、数据线8根（D7-D0），其中在片选信号的产生时需要用到74LS138译码器。 （3）设计实现 ① 8片8K ×8RAM 芯片对应的二进制编码 第0片：0000、0008、0010、…、FFF8H ，即： A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 … 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 第1片：0001、0009、0011、…、FFF9H ，即： A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 … 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 第2片：0002、000A 、0012、…、FFFAH ，即： A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 … RAM G1 /Y7 /G2A /Y6 /G2B /Y5 /Y4 /Y3 C /Y2 B /Y1 A /Y0
信息与管理科学学院计算机科学与技术 实验报告 课程名称：计算机组成原理 实验名称：存储器读写和总线控制实验 姓名：班级：指导教师：学号： 实验室：组成原理实验室 日期： 2013-11-22
一、实验目的 1、掌握半导体静态随机存储器RAM的特性和使用方法。 2、掌握地址和数据在计算机总线的传送关系。 3、了解运算器和存储器如何协同工作。 二、实验环境 EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套，排线若干。 三、实验内容 学习静态RAM的存储方式，往RAM的任意地址里存放数据，然后读出并检查结果是否正确。 四、实验操作过程 开关控制操作方式实验 注：为了避免总线冲突，首先将控制开关电路的所有开关拨到输出高电平“1”状态，所有对应的指示灯亮。 本实验中所有控制开关拨动，相应指示灯亮代表高电平“1”，指示灯灭代表低电平“0”。连线时应注意：对于横排座，应使排线插头上的箭头面向自己插在横排座上；对于竖排座，应使排线插头上的箭头面向左边插在竖排座上。 1、按图3－1接线图接线： 图3－1 实验三开关实验接线 2、拨动清零开关CLR，使其指示灯显示状态为亮—灭—亮。 3、往存储器写数据：
以往存储器的（FF ） 地址单元写入数据“AABB ”为例，操作过程如下： 4、按上述步骤按表3－2所列地址写入相应的数据 表3－2 5、从存储器里读数据： 以从存储器的（FF ） 地址单元读出数据“AABB ”为例，操作过程如下： (操作) (显示) (操作) (显示) (操作) (显6、按上述步骤读出表3－2数据，验证其正确性。 五、实验结果及结论 通过按照实验的要求以及具体步骤，对数据进行了严格的检验，结果是正确的，具体数据如图所示：
半加器、全加器、串行进位加法器以及超前进位加法器 一、实验原理 1.一位半加器 A和B异或产生和Sum，与产生进位C 2.一位全加器 将一位半加器集成封装为halfadder元件，使用两个半加器构成一位的全加器 3.4位串行进位加法器 将一位全加器集成封装为Fulladder元件，使用四个构成串行进位加法器
4.超前进位加法器（4位） ⑴AddBlock 产生并行进位链中的ti(即Cthis)和di（即Cpass），以及本位结果Sum ⑵进位链（Cmaker） 四位一组并行进位链，假设与或非门的级延迟时间为1.5ty，与非门的延迟时间为1ty，在di和ti产生之后，只需2.5ty就可产生所有全部进位
⑶超前进位加法器 将以上二者结合起来即可完成，A和B各位作为各个AddBlock的输入，低一位的进位Ci-1作为本位AddBlock的C-1的输入。各个AddBlock输出的C_this和C_pass作为对应的Cmaker的thisi和passi的输入。
二、实验器材 QuartusII仿真软件，实验箱 三、实验结果 1.串行进位加法器结果 2.超前进位加法器结果
四、实验结果分析 1.实验仿真结果显示串行加法器比超前进位加法器快，部分原因应该是电路结构优化 不到位。另外由于计算的位数比较少，超前进位加法链结构较复杂，所以优势没体现出来，反倒运作的更慢一点。当位数增加的时候，超前进位加法器会比串行的更快。 2.波形稳定之前出现上下波动，应该与“竞争冒险”出现的情况类似，门的延迟和路径 的不同导致了信号变化时到达的时间有先有后，因此在最终结果形成前出现了脉冲尖峰和低谷；另外也可能部分原因由于电路结构优化的不到位所致
第一章绪论习题及参考答案 一、判断题 1．微型计算机广阔的应用领域中，会计电算化属于科学计算应用方面。( ) 2．决定计算机计算精度的主要技术指标是计算机的字长。( ) 3．利用大规模集成电路技术把计算机的运算部件和控制部件做在一块集成电路芯片上，这样的一块芯片叫做单片机。( ) 4．计算机“运算速度”指标的含义是指每秒钟能执行多少条操作系统的命令。（） 5．兼容性是计算机的一个重要性能，通常是指向上兼容，即旧型号计算机的软件可以不加修改地在新型号计算机上运行。系列机通常具有这种兼容性。（） 二、简答题 1．电子数字计算机与电子模拟计算机的主要区别是什么 2．简单描述计算机的发展过程和应用范围。 3．冯·诺依曼机的主要特点是什么 4．按照冯·诺依曼原理，现代计算机应具备哪些功能 5．如何理解软硬件之间的等价性 6．何谓绿色计算机对它有哪些要求 7．简单描述计算机的层次结构，说明各层次的主要特点。 8．计算机系统的主要技术指标有哪些 参考答案 一、判断题 1．错。会计电算化属于计算机数据处理方面的应用。 2．对。 3．错。计算机的运算部件和控制部件做在一块集成电路芯片上，这样的一块芯片叫CPU。 4．错。“运算速度”指标的含义是指每秒钟能执行多少条指令。 5．错。兼容性包括数据和文件的兼容、程序兼容、系统兼容和设备兼容，微型计算机通常具有这种兼容性。 二、简答题 1．电子数字计算机的运算对象是离散的数字量，用数码进行运算，其运算结果也是离散的数字量；电子模拟计算机的运算对象是连续变化的物理量(如电流、电压等)，其运算结果也是连续变化的物理量。数字计算机的运算速度快，运算精度高。现代所说的计算机都是电子数字计算机。 2．从1946年世界上第一台数字电子计算机ENIAC研制成功至今，计算机的发展经历了4个时
计算机组成原理 实验五《存储器设计》 实验报告 姓名：吴速碘黄紫微 学号：13052053 13052067 班级：计算机二班 日期2015、5、25
实验五存储器设计 一、实验目的 1、掌握RAM和ROM的Verilog语言描述方法； 2、学习用宏模块的方法定制RAM和ROM。 二、实验任务 1、设计并实现一个128*16 的单端口的RAM； 2、设计并实现一个128*16的ROM； 3、设计并实现一个双端口的128*16的RAM 4、设计并实现一个16*32的FIFO。 5、设计并实现正弦信号发生器，见“正弦信号发生器实验指南”。 三、实验步骤 1 编写Verilog代码（见附页） 2功能仿真 进行分析与综合，排除语法上的错误 建立波形仿真文件，输入激励 生成功能仿真网表 进行功能仿真，观察输出结果 3选择器件 DE2_70开发板的使用者请选择EP2C70F896C6 4绑定管脚 5 下载验证 DE2_70开发板的下载:使用USB-Blaster进行下载 四、实验内容 五、实验思考题 1、分析存储器采用三态输出的原因是什么？ 存储器的输出端是连接在数据总线上的。数据总线相当于一条车流频繁的大马路，必须在绿灯条件下，车辆才能进入这条大马路，否则要撞车发生交通事故。同 理，存储器中的数据是不能随意传送到数据总线上的。例如，若数据总线上的数 据是“1”(高电平5V)，存储器中的数据是“0”(低电平0V)，两种数据若碰到一 起就会发生短路而损坏单片机。因此，存储器输出端口不仅能呈现“l”和“0”两 种状态，还应具有第三种状态“高阻"态。呈“高阻"态时，输出端口相当于断开，对数据总线不起作用，此时数据总线可被其他器件占用。当其他器件呈“高阻”态 时，存储器在片选允许和输出允许的条件下，才能将自己的数据输出到数据总线 上。 2、单端口和双端口的区别是什么？ 单端口ram是ram的读写只有一个端口，同时只能读或者只能写。 双端口ram是ram读端口和写端口分开，一个端口能读，另一个端口可以同时写。 3、什么情况下考虑采用双端口存储器？
南京理工大学紫金学院 计算机组成原理 实验报告
实验报告一：加法器实验操作 一、实验目的： 1.掌握 proteus 软件常用命令的使用方法 2.掌握加法器的基本使 用二、实验内容： 1． proteus 软件命令使用 2．串联加法器的连接 3．并联加法器的连接 三、实验步骤： (一 )proteus 软件界面的基本使用 ①通过 File 界面创建新文件或打开已有文件 ②所用的原件模型必须在蓝方框内放置
③Proteus 工具栏功能如上图 ④Proteus 中共有 36 种大的类别元件库，及超过 8000 种以上的具体元 件库文件添加 Proteus 中的元件并不是很全，有时需要添加第三方库文件才可进行仿真，可以通过 以下俩种方式进行添加 1、将第三方库文件拷贝至Proteus 程序目录下的LIBRARY 目录下，相应的元件模型文件也要
拷贝到 MODELS 目录下 2、将第三方库文件统一放至一个文件夹中，同时元件模型文件也要统一放至一个文件夹中，打 开Proteus 菜单 SYSTEM 下的 SET PATH?在弹出的 Path Configuration 对话框的 Library folders 中添加库文件目录,在 Simulation and folders 中添加元件模型文件目录 ⑤点击左侧工具栏按钮进入元件模式，再次点按钮，即可调出元件库 库元件分类说明： Analog Ics 模拟电路集成库 Capacitors 电容库 CMOS 4000 series CMOS 4000 库 Connectors 插座，插针，等电路接口连接库 Data Converters ADC,DAC 数 /模、模 /数库 Debugging Tools 调试工具 Diodes 二极管库 ECL 10000 Series ECL 10000 库 Electromechanica l 电机库 Inductors 电感 库 Laplace Primitives 拉普拉斯变换库 Memory ICs 存储元件库 Microprocessor ICs CPU 库 Miscellaneous 元件混合类型库 Modeling Primitives 简单模式库 Operational Amplifiers 运放库 Optoelectroni cs 光电元件库 PLDs & FPGAs 可编程逻辑器件 Resistors 电阻 库
综合题 1. 设存储器容量为32字，分为M0-M3四个模块，每个模块存储8个字，地址分配方案分别如下图中图（a）和图（b）所示。 （1）（a）和（b）分别采用什么方式进行存储器地址编址？ （2）设存储周期T=200ns，数据总线宽度为64位，总线传送周期τ=50ns。问(a)和（b）两种方式下所对应的存储器带宽分别是多少(以Mb/s为单位)？ 2．假设某机器有80条指令，平均每条指令由4条微指令组成，其中有一条取指微指令是所有指令公用的，已知微指令长度为32位，请估算控制存储器的容量是多少字节？ 3. （1）用16K×8位的SRAM芯片形成一个32K×16位的RAM区域，共需SRAM芯片多少片？ （2）设CPU地址总线为A15～A0，数据总线为D15～D0，控制信号为R/W（读/写）、MREQ（允许访存）。SRAM芯片的控制信号有CS和WE。要求这32K×16位RAM 区域的起始地址为8000H，请画出RAM与CPU的连接逻辑框图。
*4 CPU执行一段程序时，Cache完成存取的次数为3800次，主存完成存取的次数为200次，已知Cache存取周期为50ns，主存为250ns， 求（1）Cache命中率。（2）平均访问时间（3）Cache/主存系统的效率。 5．已知某机采用微程序控制方式，其控制存储器容量为512*48（位）。微程序可在整个存储器中实现转移，可控制微程序转移的条件共4个，微指令采用水平型格式，后继微指令地址采用断定方式，如下图所示。 （1）微指令中的三个字段分别应为多少位？ （2）画出围绕这种微指令格式的微程序控制器逻辑框图。 6．用2M×8位的SRAM芯片，设计4M×16位的SRAM存储器，试画出存储器芯片连接图。 *7．某计算机系统的内存储器由cache和主存构成，cache的存储周期为30ns，主存的存取周期为150ns。已知在一段给定的时间内，CPU共访问内存5000次，其中400次访问主存。问： ① cache的命中率是多少？ ② CPU访问内存的平均时间是多少纳秒？
沈阳航空航天大学 课程设计报告 课程设计名称：计算机组成原理课程设计课程设计题目：相联存储器的设计与实现 院（系）：计算机学院 专业：物联网技术方向 班级：物联1305 学号： 姓名： 指导教师： 完成日期：2016年1月15日
目录 第1章总体设计方案 (1) 设计原理 (1) 设计思路 (2) 设计环境 (3) 第2章详细设计方案 (5) 总体方案的设计与实现 (5) 创建顶层图形设计文件 (5) 器件的选择与引脚锁定 (5) 功能模块的设计与实现 (8) 检索寄存器的设计与实现 (8) 屏蔽寄存器的设计与实现 (8) 存储体的设计与实现 (9) 比较器的设计与实现 (10) 与门芯片的设计与实现 (11) 第3章程序调试与结果测试 (12) 程序调试 (12) 程序测试及结果分析 (12) 参考文献附录（源代码） (15)
第1章总体设计方案 1.1设计原理 相联存储器不按地址寻址而按照内容寻址，相联存储器由检索寄存器CR、屏蔽寄存器MR、存储体和结果寄存器SRR构成。设存储器有8个字，8位，则CR 与MR为1字8位，将要检索的内容输入到检索寄存器CR中，用屏蔽寄存器MR 屏蔽掉存储体中不参与比较的位数，其余比较位不变，将这个结果与检索寄存器比较，将结果送入结果寄存器保存，根据结果寄存器的数据可以得到符合检索寄存器的数据所在的存储区域，原理如图1。 图 1 相联存储器原理图
1.2设计思路 检索寄存器（CR）：存放要检索的数据，位数与存储器字长一致。 屏蔽寄存器（MR）：与CR配合使用，检索位置为1，其余不参与比较的位设为0，位数与存储体字长一致，与存储体里的数据相与，得到的结果送入结果寄存器保存。 存储体：由3-8译码器选择地址输入数据，是8乘8的结构。 结果寄存器：存放检索寄存器和屏蔽寄存器相与的结果。 若存储体存的八个存储单元分别存着数据为： 00100110、、、、01100010、、00101001，CR中存储的数据为00010100，MR存的数据是00011100，经过比较可以发现第三个和第五个存储单元符合CR，所以输出00101000,见图2。 X X X 1 0 1 X X CR SRR 1 1
１．证明在全加器里，进位传递函数。 解：并行加法器中的每一个全加器都有一个从低位送来的进位和一个传送给较高位的进位。进位表达式为欲证明，也就是要证明 用卡诺图法，图４-１０（a）和４-１０（b）分别是两个逻辑表达式的卡诺图。两个卡诺图相同，两个逻辑表达式就相等，则进位传递函数的两种形式相等。 ２．某加法器采用组内并行、组间并行的进位链，４位一组，写出进位信号C６的逻辑表达式。 ３．设计一个９位先行进位加法器，每３位为一组，采用两级先行进位线路。 ４．已知X 和Y ，试用它们的变形补码计算出X ＋ Y ，并指出结果是否溢出。 （１） X ＝０．１１０１１，Y ＝０．１１１１１ （２） X ＝０．１１０１１，Y ＝－０．１０１０１ （３） X ＝－０．１０１１０，Y ＝－０．００００１（４） X ＝－０．１１０１１，Y ＝０．１１１１０
５．已知X 和Y ，试用它们的变形补码计算出X － Y ，并指出结果是否溢出。 （１） X ＝０．１１０１１，Y ＝－０．１１１１１ （２） X ＝０．１０１１１，Y ＝０．１１０１１ （３） X ＝０．１１０１１，Y ＝－０．１００１１ （４） X ＝－０．１０１１０，Y ＝－０．００００１ ７．设下列数据长８位，包括１位符号位，采用补码表示，分别写出每个数据右移或左移２位之后的结果。 （１）０．１１００１００ （２）１．００１１００１ （３）１．１１００１１０ （４）１．００００１１１ ８．分别用原码乘法和补码乘法计算X × Y 。 （１） X ＝０．１１０１１，Y ＝－０．１１１１１ （２） X ＝－０．１１０１０，Y ＝－０．０１１１０ （２） X × Y ＝０．０１０１１０１１００，过程略。 ９．根据补码两位乘法规则推导出补码３位乘法的规则。
实验六存储器和总线实验 一、实验目的 熟悉存储器和总线组成的硬件电路 二、实验要求 按照实验步骤完成实验项目，利用存储器和总线传输数据。 三、实验内容 （1）实验原理 实验所用半导体静态存储器电路原理如图所示，该静态存储器由一片6116（2k*8）构成，其数据线（D0-D7）已和数据总线（BUS-DIAP UNIT）相连接，地址线由地址锁存器（74LS273）给出，该锁存器的输入已连至数据总线。地址A0-A7与地址总线相连，显示地址内容。数据开关经三态门（74LS245）已连至数据总线，分时给出地址和数据。因为地址寄存器为8位，接入6116的地址A7-A0，而高三位A8-A10本实验装置已接地，其容量为256字节。6116由三根控制线：/CS(片选线)、OE（读线）、WE（写线）。当片选有效（/CS=0）时，同时OE=0时，(WE=0)时进行读操作。本实验中将OE引入接地，在此情况下，当/CS、WE=1时进行写操作。/CS=0、WE=0时进行写操作，其写时间与T3脉冲宽度一致。实验时T3脉冲由“单步”命令键产生，其它电平控制信号由二进制开关模拟，其中/CE（存储器片选信号为低电平有效，WE为写/读（W/R）控制信号，当WE=0时进行读操作、当WE=1时为写操作。 （2）实验步骤 1、控制信号连接：位于实验装置右侧边缘的RAM片选端（/CE）、写/读线（WE）、地址锁存信号（LDAR）与位于实验装置左上方的控制信号（/CE、WE、LDAR）之间对应相连。位于实验装置左上方CTR-OUT的控制信号(/SW-B)与左下方INPUT-UNIT(/SW-B)对应相连。 具体信号连接：/CE,WE,LDAR,/SW-B 2、完成上述连接，仔细检查无误后方可进入本实验。 在闪动是我“P”状态下按动增值命令键，时LED显示器自左向右第一位显示提示符“H”，表示装置已进入手动单元试验状态。（若当前处“H”状态，本操作可略） 3、内部总线数据写入存储器 给存储器的00、01、02、03、04地址单元中分别写入数据11、12、13、14、15，具体操作步骤如下：（以向00地址单元写入11数据为例，然后重复操作将数据分别写入各地址单元）。4,、读存储器的数据到数据总线 依次独处第00、01、02、03、04单元中的内容，观察上述各单元中的内容是否与前面写入的一致。具体步骤如下：（以从00单元独处11数据为例，其它则类似）