计算机体系结构完整讲义

计算机组织与结构实验讲义（2014版）任国林编写东南大学计算机科学与工程学院计算机组织与结构课程实验是为巩固教学效果而设置的，学生可以通过这些实验掌握计算机部件的逻辑组成及其工作原理，熟悉数字电路芯片的使用方法，提高逻辑设计能力，为设计计算机模型机打下基础。

计算机组织与结构课程实验共有4个，分别是运算器组成实验、存储器组成实验、寄存器组成实验、CPU数据通路实验。

所有实验均基于EDA工具Quartus II进行设计和功能仿真，条件允许时基于FPGA芯片进行功能验证。

实验一运算器组成实验一、实验目的（1）熟悉加/减法器的功能及使用方法。

（2）掌握算术逻辑部件(ALU)的功能及其逻辑组成。

（3）加深对运算器工作原理的理解。

二、实验内容（1）掌握Quartus II的使用方法，能够进行数字电路的设计及仿真。

（2）验证Quartus II所提供加/减法器的功能及使用方法。

（3）设计具有加法、减法、逻辑与、逻辑非4种功能的ALU，并进行功能仿真/验证。

三、实验原理及方案运算器是计算机硬件对数据进行加工的重要部件，算术逻辑部件ALU是其核心，还包括存放操作数和运算结果的寄存器/锁存器、存放运算结果状态的触发器等器件。

根据给定控制信号的不同，运算器可以实现不同的运算功能。

为便于运算器组成设计有效进行，先介绍一下Quartus II的使用方法。

1、基于Quartus II的电路设计及仿真方法基于Quartus II，电路设计的主要过程包括：建立工程文件、编辑原理图文件、编译原理图文件，电路仿真的主要过程包括：编辑仿真波形文件、生成功能仿真网表、验证仿真波形正确性。

以功能为Z=X·Y的电路为例，使用Quartus II、采用原理图方法进行电路设计的过程如下：1）建立工程文件：通过主菜单File→New Project Wizard可建立工程文件，包含5个页面的设置。

·第1页为设置工程文件信息，包括工程文件名、工作目录名·第2页为在工程中加入文件，可将已有的GDF文件添加到工程文件中，本例中无·第3页为选择FPGA器件型号，本例中采用Cyclone系列的EP1C6Q240C8芯片·第4页为添加准备使用的EDA工具，通常直接选择Next·第5页为查看、确认工程文件信息，无误时选择Finish即可。

计算机科学学院计算机组成原理实验指导书（适用于计算机科学学院所有专业）计算机系统结构教研室2015年6月修订目录第1章TEC-8计算机硬件综合实验系统 (1)1.1TEC-8实验系统的用途 (1)1.2TEC-8实验系统技术特点 (1)1.3TEC-8实验系统组成 (1)1.4逻辑测试笔 (2)1.5TEC-8实验系统结构和操作 (2)1.6模型计算机指令系统 (5)1.7开关、按钮、指示灯 (6)1.8实验准备 (7)第2章计算机组成原理基本实验 (10)2.1运算器组成实验 (10)2.2双端口存储器实验 (14)2.3数据通路实验 (18)2.4微程序控制器实验 (22)第1章TEC-8计算机硬件综合实验系统1.1TEC-8实验系统的用途TEC-8计算机硬件综合实验系统，以下简称TEC-8实验系统，是清华大学科教仪器厂生产的一个专利产品，专利号ZL200720149391.9。

它用于数字逻辑与数字系统、计算机组成原理、计算机体系结构三门课程的实验教学，也可用于数字系统的研究开发，为提高学生的动手能力、培养学生的创新精神提供了一个良好的舞台1.2TEC-8实验系统技术特点⑴模型计算机采用8位字长、简单而实用，有利于学生掌握模型计算机整机的工作原理。

通过8位数据开关用手动方式输入二进制测试程序，有利于学生从最底层开始了解计算机工作原理。

⑵指令系统采用4位操作码，可容纳16条指令。

已实现加、减、与、加1、存数、取数、条件转移、无条件转移、输出、中断返回、开中断、关中断和停机等14条指令，指令功能非常典型。

⑶采用双端口存储器作为主存，实现数据总线和指令总线双总线体制，实现指令流水功能，体现出现代CPU设计思想。

⑷控制器采用微程序控制器和硬连线控制器2种类型，体现了当代计算机控制器技术的完备性。

⑸微程序控制器和硬连线控制器之间的转换采用独创的一次全切换方式，切换不用关掉电源，切换简单、安全可靠。

⑹控制存储器中的微代码可用PC计算机下载，省去了E2PROM器件的专用编辑器和对器件的插、拔。

第一章主机第一节主板知识梳理主板，又叫主机板、系统板或母版；主板的平面是一块PCB（印刷电路板），一般采用四层板或六层板。

一、主板分类按照主板板型划分：ATX（标准型30.5cm×21.8cm）、Micro-ATX （M-ATX紧凑型）、Mini-ITX（ITX迷你型）、加强型；按照主板结构划分：AT主板、Baby AT主板、ATX主板（就像把Baby AT主板横过来放置）和BATX主板等。

期中AT主板和Baby AT 主板已经被淘汰，目前主流为ATX主板，BATX主板是ATX主板的改进型，它使用窄板设计，使部件布局更加紧凑。

二、主板构成1.主要芯片（1）南北桥芯片：CPU插座旁边，被散热片盖住的就是北桥芯片，其主要功能是通过前端总线与CPU进行教据交换，主要负责处理CPU、内存、显卡三者间的“交通”，由于发热量较大，因而需要散热片散热。

南桥多位于PCI插槽的上面，与BIOS芯片相通，主要负责对外部设备数据的传输和处理，同时管理IDE设备，DMA通道控制、对AC97音频数据的处理，以及对网络接口、USB接口的控制和电源管理等。

南桥和北桥合称芯片组，芯片组是主板的核心，在很大程度上决定了主板的功能和性能，芯片组以北桥桥芯片为核心，一殷情况，主板的命名都是以北桥的核心名称命名的。

（2）BIOS芯片：BIOS（Basic Input/Output System，基本输入输出系统）全称是ROM-BIOS，属于ROM（只读存储器）。

为电脑提供最低级最直接的硬件控制的程序，它是连通软件程序和硬件设备之间的枢纽，BIOS 中主要存放：POST加电自检程序；CMOS设置程序；系统自举装载程序；主要I/O设备的驱动程序和中断服务。

目前大多采用Flash ROM 作为存储介质，常见品牌；Award BIOS、AMI BIOS、Phoenix BIOS。

（3）CMOS芯片：CMOS（互补型金属氧化物半导体）属于RAM（随机存储器），其主要作用是用来存放BIOS中的设置信息。

第二章 计算机组成原理【知识点1】USB 的通用串行接口在使用的过程中，用户无需安装驱动程序，即插即用，但是要求操作系统是windows2000及以上的版本。

【典型考题】86．在Windows 中使用优盘不需专门安装相应的驱动程序，其他外围设备也无需安装驱动程序就可以正常工作。

【知识点2】计算机系统金字塔存储体系结构在计算机中为了解决CPU 和内存之间的速度不匹配，增加了访问速度介于两者之间的cache 存储器。

【典型考题】10．计算机系统配置高速缓冲存储器（Cache ）是为了解决_______A ．CPU 与内存储器之间速度不匹配问题B ．CPU 与辅助存储器之间速度不匹配问题C ．内存与辅助存储器之间速度不匹配问题D ．主机与外设之间速度不匹配问题84．高速缓存(cache)可以看作是主存的延伸，与主存统一编址，接受CPU 的访问，但其速度要比主存高得多。

( )85．RAM 按工作原理的不同可分为DRAM 和SRAM ．DRAM 的工作速度比SRAM 的速度慢。

( )6．下列存储器按读写速度由高到低排列，正确的是__________。

A．RAM、cache、硬盘、光盘B．cache、RAM、硬盘、光盘C．RAM、硬盘、cache、光盘D．cache、RAM、光盘、硬盘11．能够直接与外存交换数据的是__________。

A．控制器B．运算器C．键盘D．RAM83．通常情况下，高速缓存(Cache)容量越大，级数越多，CPU的执行效率越高。

【知识点3】总线的定义：用于在CPU、内存、外存和各种输入输出设备之间传输信息的一个共享的信息传输通路及其控制部件。

系统总线：处理器总线、I/O总线和存储器总线的统称。

处理器总线（CPU总线）用于连接CPU和内存的总线称为处理器总线或者前端总线（FSB）。

I/O总线（主板总线）是各类I/O设备控制器与CPU、存储器之间相互交换信息、传输数据的一组公用信号线.这些信号线与主板上扩充插槽中的各扩充板卡（I/O控制器）直接连接。

计算机组成与结构（面向信息科学与工程学院各本科专业）主编：郝尚富实验讲义河北北方学院信息科学与工程学院2010.11目录实验一基础汇编语言程序设计...................................................................... 实验二脱机运算器实验.................................................................................. 实验三存储器部件教学实验.......................................................................... 实验四微程序控制器实验.............................................................................. 实验五 I/O口扩展实验................................................................................... 实验六中断实验.............................................................................................. 附录一：教学机系统结构图.............................................................................. 附录二 TEC-XP 16 系统各功能部件之间的连接关系和信息传送路径........ 附录三 TEC-XP 16 系统教学实验简明操作卡附录四指令汇总表附录五基本指令执行流程框图附录六扩展指令执行流程框图........................................................................ 附录七微程序表实验一基础汇编语言程序设计1.1 实验目的：1．学习和了解TEC-XP教学实验系统监控命令的用法；2．学习和了解TEC-XP教学实验系统的指令系统；3．学习简单的TEC-XP教学实验系统汇编程序设计；1.2 实验内容：1．学习联机使用TEC-XP教学实验系统和仿真终端软件PCEC.2．使用监控程序的R命令显示/修改寄存器内容、D命令显示存储器内容、E命令修改存储器内容；3．使用A命令写一小段汇编程序，U命令反汇编刚输入的程序，用G命令连续运行该程序，用T、P命令单步运行并观察程序单步执行情况；1.3 实验步骤1.3.1 完成TEC-XP教学计算机与PC机的硬件连接：1．将TEC-XP放在实验台上，打开实验箱的盖子，确定电源处于断开状态；2．将黑色的电源线一端接220V交流电源，另一端插在TEC-XP实验箱的电源插座里；3．取出通讯线，将通讯线的9芯插头接在TEC-XP实验箱上的串口1上，另一端接到PC机的“COM1”或“COM2”（建议用COM2）串口上；4．将TEC-XP实验系统左下方的五个黑色的控制机器运行状态的开关置于正确的位置，在找个实验中开关应置为00110（连续、内存读指令、组合逻辑（或微程序）、联机、16位）。