计算机组成原理课程设计
计算机组成原理课程设计
计算机组成原理课程设计1. 引言计算机组成原理是计算机科学与技术专业中一门重要的基础课程。
通过学习计算机组成原理，可以了解计算机的基本组成结构、工作原理和性能提升方法。
为了更好地掌握和应用所学知识，本文将介绍一项针对计算机组成原理课程的设计任务。
2. 任务描述本次课程设计任务要求设计一个简单的单周期CPU，实现基本的指令执行功能。
具体要求如下：•CPU的指令集包括加载（Load）、存储（Store）和算术逻辑运算（ALU）指令，需要支持整数加法、减法、乘法和除法运算。
•CPU需要具备基本的流水线功能，包括取指（Instruction Fetch）、译码（Decode）、执行（Execute）和写回（Write Back）。
•CPU需要支持基本的寄存器操作，包括寄存器读取（Register Read）和寄存器写入（Register Write）。
•CPU的指令和数据存储器使用单端口RAM，指令和数据的访问都需要经过存储器。
3. 设计思路针对上述需求，我们可以采用以下设计思路：3.1 CPU总体设计•CPU采用单周期结构，即每个指令都在一个时钟周期内完成。
•CPU主要分为指令存储器、数据存储器、寄存器文件和控制逻辑四个部分。
3.2 指令存储器设计•指令存储器采用单端口RAM，每个指令的长度为固定的32位。
•指令存储器需要实现读取指令的功能，每次从内存中读取一个指令。
3.3 数据存储器设计•数据存储器也采用单端口RAM，每个数据的长度为固定的32位。
•数据存储器需要实现读取数据和写入数据的功能，执行指令时需要从存储器中读取数据，计算结果需要写回存储器。
3.4 寄存器文件设计•寄存器文件包含若干个通用寄存器，用于存储指令执行过程中的临时数据。
•寄存器文件需要实现读取寄存器和写入寄存器的功能，执行指令时需要读取和写入寄存器。
3.5 控制逻辑设计•控制逻辑负责根据当前指令的操作码和操作数生成控制信号，控制CPU的工作流程。
计算机组成原理课程设计
计算机组成原理课程设计
计算机组成原理课程设计是计算机科学与技术专业的一门核心课程，其目的是帮助学生更深入地理解计算机的组成原理和工作原理，培养学生分析和设计计算机硬件的能力。
在这个课程设计中，我选择了设计一个简单的单周期CPU。
首先，我会设计CPU的指令集，包括处理器指令的类型、指
令格式、寻址方式等。
然后，根据指令集的要求，设计并实现CPU的控制器，控制指令的执行流程。
接着，我会设计并实
现CPU的数据通路，包括寄存器、ALU、存储器等组件，实
现指令的操作。
在设计过程中，我会遵循计算机组成原理的基本原理和设计原则，如冯·诺伊曼体系结构、指令周期、数据通路和控制单元
的相互协调等。
我会使用硬件描述语言，如VHDL或Verilog，进行设计，通过仿真和验证来测试设计的正确性。
同时，我还会考虑CPU的性能和效率，尽量优化各个部分的设计，以提
高CPU的运行速度和处理能力。
在设计完成后，我还会进行性能测试和功能验证，测试CPU
在不同工作负载下的性能表现，并根据测试结果对设计进行优化。
最后，我会编写报告，详细介绍我的设计思路、实现过程和测试结果，以及可能存在的问题和改进的方向。
通过这个课程设计，我将深入理解计算机组成原理的相关知识，并掌握CPU设计的基本方法和技术。
这对于我今后的学习和
工作都具有重要意义，不仅可以加深我对计算机硬件的理解，
还可以提高我的问题分析和解决能力，为我未来的研究和工作奠定坚实的基础。
计算机组成原理课程设计
计算机组成原理课程设计目录目录第一章设计内容及目标 (1)1.1程序设计的目标 (1)1.2程序设计的内容和要求 (1)1.3需要器材 (1)第二章设计原理 (2)2.1设计思路 (2)2.2设计工作原理 (2)2.2.1 设计基本原理 (2)2.2.2 机器指令 (2)2.2.3 数据通路 (3)2.2.4 微指令格式 (4)2.2.5 微程序地址的转移 (4)2.2.6 机器指令的写、读和执行 (5)第三章设计步骤 (6)3.1连接实验线路 (6)3.2设计机器指令代码及数据 (7)3.3微程序流程图 (7)3.4设计微指令二进制代码 (9)3.5微指令代码装入与检查 (9)3.6机器指令代码装入与检查 (10)第四章实现方法及关键技术 (11)4.1程序实现方法 (11)4.1.1 单步运行程序 (11)4.1.2 连续运行程序 (11)4.2实现关键技术 (11)第五章设计问题分析 (12)5.1遇到的问题 (12)5.2解决方法 (12)设计总结 (13)第一章设计内容及目标本课程设计的教学目的是在掌握计算机系统组成及内部工作机制、理解计算机各功能部件工作原理的基础上，深入掌握信息流和控制信息流的流动过程，进一步加深计算机系统各模块间相互关系的认识和整机的概念，培养开发和调试计算机的技能。
再设计实践中提高应用所学专业知识分析问题和解决问题的能力。
1.1程序设计的目标1．在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统，构造一台基本模型计算机。
2．为其定义若干条机器指令，并编写相应的微程序，上机调试，掌握整机概念。
1.2程序设计的内容和要求1、掌握设计题目所要求的机器指令的操作功能，除了4条必做指令外，每组另外设计2条机器指令。
4条选做指令，供有能力的学生完成。
2、为要设计的机器指令设计操作码和操作数，并安排在RAM（6116芯片）中的地址，形成“机器指令表”。
3、分析并理解数据通路图。
《计算机组成原理》教案
《计算机组成原理》教案一、课程简介1.1 课程背景计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门核心课程，旨在帮助学生了解和掌握计算机的基本组成、工作原理和性能优化方法。
通过本课程的学习，学生将能够理解计算机硬件系统的整体结构，掌握各种计算机组件的功能和工作原理，为后续学习操作系统、计算机网络等课程打下基础。
1.2 课程目标（1）了解计算机系统的基本组成和各部分功能；（2）掌握计算机指令系统、中央处理器（CPU）的工作原理；（3）熟悉存储器层次结构、输入输出系统及总线系统；（4）学会分析计算机系统的性能和优化方法。
二、教学内容2.1 计算机系统概述（1）计算机的发展历程；（2）计算机系统的层次结构；（3）计算机系统的硬件和软件组成。
2.2 计算机指令系统（1）指令的分类和格式；（2）寻址方式；（3）指令的执行过程。
2.3 中央处理器（CPU）（1）CPU的结构和功能；（2）流水线技术；（3）多核处理器。
2.4 存储器层次结构（1）存储器概述；（2）随机存取存储器（RAM）；（3）只读存储器（ROM）；（4）缓存（Cache）和虚拟存储器。
2.5 输入输出系统（1）输入输出设备；（2）中断和DMA方式；（3）总线系统。
三、教学方法3.1 讲授法通过讲解、举例、分析等方式，使学生掌握计算机组成原理的基本概念、原理和应用。
3.2 实验法安排实验课程，使学生在实践中了解和验证计算机组成原理的相关知识。
3.3 案例分析法分析实际案例，使学生了解计算机组成原理在实际应用中的作用和意义。
四、教学评价4.1 平时成绩包括课堂表现、作业完成情况、实验报告等。
4.2 期末考试采用闭卷考试方式，测试学生对计算机组成原理知识的掌握程度。
五、教学资源5.1 教材《计算机组成原理》（唐朔飞著，高等教育出版社）。
5.2 辅助资料包括课件、实验指导书、案例分析资料等。
5.3 网络资源推荐学生访问相关学术网站、论坛，了解计算机组成原理的最新研究动态和应用成果。
计算机组成原理实验及课程设计课程设计
计算机组成原理实验及课程设计前言计算机组成原理课程是计算机科学与技术专业的核心课程，是培养学生计算机系统硬件方面的基础理论和实践技能的重要课程。
其中，计算机组成原理实验及课程设计是该课程的重要组成部分。
本文将围绕该课程设计展开，介绍该课程的实验及课程设计的内容、目的和实施方法。
实验内容计算机组成原理实验是学生对于课堂理论学习的巩固与实践，其内容包括以下主要实验：1. 数据通路实验数据通路实验是将计算机内部各功能部件（如寄存器、ALU、控制器等）之间的数据流动情况进行分析、了解与掌握。
实验采用VHDL硬件描述语言，通过Quartus II软件进行电路设计和仿真，最终通过FPGA验证实验结果。
2. 单周期CPU实验单周期CPU实验是针对数据通路实验的基础进行拓展，实现完整的计算机CPU 功能。
实验使用Verilog HDL描述单周期MIPS指令集CPU，掌握计算机指令的执行过程，了解指令执行的时间和机器周期、时序控制以及数据传输问题。
3. 多周期CPU实验多周期CPU实验是在单周期CPU实验的基础上进行深入拓展，实现更加高效、复杂的CPU功能。
实验使用Verilog HDL描述多周期MIPS指令集CPU，掌握多周期CPU的时序控制、流水线操作、数据冲突处理等相关问题，深入研究CPU性能优化技术。
4. 总线实验总线实验是针对计算机内部各个部件之间数据传输的技术问题进行研究，实验设计并实现一个通用总线结构。
实验中将涉及到总线的基础知识、总线协议的分析、总线结构的设计及实现，熟悉总线设计原理、总线的基本特性和数据交换的逻辑流程。
课程设计计算机组成原理课程设计是对于理论与实践知识的融合，其内容主要包括以下几部分：1. 计算机硬件设计通过计算机硬件设计，学生将在实践中巩固计算机硬件方面的知识，加深对计算机硬件工作原理的理解和掌握。
学生需要根据自己的设计目标和要求，按照计算机硬件设计的流程进行设计，最终完成指定任务。
计算机组成原理课程设计报告
计算机组成原理课程设计报告一、引言计算机组成原理是计算机科学与技术专业的重要课程之一，通过学习该课程，我们可以深入了解计算机的硬件组成和工作原理。
本次课程设计旨在通过设计一个简单的计算机系统，加深对计算机组成原理的理解，并实践所学知识。
二、设计目标本次课程设计的目标是设计一个基于冯·诺依曼体系结构的简单计算机系统，包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备等。
通过该设计，我们可以掌握计算机系统的基本组成和工作原理，加深对计算机组成原理的理解。
三、设计方案1. CPU设计1.1 硬件设计CPU由控制单元和算术逻辑单元组成。
控制单元负责指令的解码和执行，算术逻辑单元负责算术和逻辑运算。
1.2 指令设计设计一套简单的指令集，包括算术运算指令、逻辑运算指令、数据传输指令等。
1.3 寄存器设计设计一组通用寄存器，用于存储数据和地址。
2. 存储器设计2.1 主存储器设计一块主存储器，用于存储指令和数据。
2.2 辅助存储器设计一个简单的辅助存储器，用于存储大容量的数据。
3. 输入输出设备设计3.1 键盘输入设备设计一个键盘输入设备，用于接收用户的输入。
3.2 显示器输出设备设计一个显示器输出设备，用于显示计算结果。
四、实施步骤1. CPU实现1.1 根据CPU的硬件设计，搭建电路原型。
1.2 编写控制单元的逻辑电路代码。
1.3 编写算术逻辑单元的逻辑电路代码。
1.4 进行仿真验证，确保电路的正确性。
2. 存储器实现2.1 设计主存储器的存储单元。
2.2 设计辅助存储器的存储单元。
2.3 编写存储器的读写操作代码。
2.4 进行存储器的功能测试，确保读写操作的正确性。
3. 输入输出设备实现3.1 设计键盘输入设备的接口电路。
3.2 设计显示器输出设备的接口电路。
3.3 编写输入输出设备的读写操作代码。
3.4 进行输入输出设备的功能测试，确保读写操作的正确性。
五、实验结果与分析通过对CPU、存储器和输入输出设备的实现，我们成功设计了一个基于冯·诺依曼体系结构的简单计算机系统。
计算机组成原理 课程设计
目录一、实验计算机的设计 (2)1.整机逻辑框设计 (2)2.指令系统设计 (3)3.微操作控制部件设计 (3)4.设计组装实验计算机连接图 (7)5.编写调试程序 (7)二、课程设计总结 (10)三、参考文献 (11)一、实验计算机的设计1.整机逻辑框设计图1-1模型机结构框图2.指令系统设计本机共有16条基本指令，其中算术逻辑指令9条，访问内存指令和程序控制指令4条。
输入输出指令2条，其他指令1条，表1-1列出了各条指令的格式、会变符号和指令功能。
表1-1 实验指令格式3.微操作控制部件设计3.1微指令编码的格式设计系统设计的微程序字长共24位，其控制顺序如下：注：其中uA5-uA0为6位的后续的微地址，F1、F2、F3为三个译码字段，分别由三个控制位译码出多位。
F3字段包含P1-P4四个测试字位。
其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码，使微程序转入相应的位地址入口，从而实现微程序的顺序、分支、循环运行。
3.2微操作控制信号设计：表1-3 操作控制信号3.3微程序顺序控制方式设计：3.3.1微程序控制部件组成原理指令寄存器IR图1-2 控制部件组成原理3.3.2微程序入口地址形成方法由于每条机器指令都需要取指操作，所以将取指操作编制成一段公用微程序，通常安排在控存的0号或特定单元开始的一段控存空间内。
每一条机器指令对应着一段微程序，其入口就是初始微地址。
首先由“取指令”微程序取出一条机器指令到IR中，然后根据机器指令操作码转换成该指令对应的微程序入口地址。
这是一种多分支(或多路转移)的情况，常用三种方式形成微程序入口地址3.3.3控存的下地址确定方法在程序顺序运行时，控存的下地址有微指令的顺序控制字段直接提供；当程序出现分支转移时，即“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段P1、P2、P3、P4测试，出现分支转移，当分支位地址单云固定后，剩下的其他地方就可以一条微指令占用控存一个位地址单元随意填写。
计算机组成原理课程设计
计算机组成原理课程设计一、设计背景计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门基础课程，旨在培养学生对计算机硬件组成和工作原理的深刻理解。
通过课程设计，学生可以巩固和应用所学的知识，提高解决实际问题的能力。
二、设计目标本次计算机组成原理课程设计的目标是让学生通过实践，加深对计算机硬件组成和工作原理的理解，培养学生的设计和实现能力。
具体目标包括：1. 设计并实现一个简单的计算机系统，包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备等。
2. 熟悉计算机指令系统的设计与实现，包括指令的编码、解码和执行过程。
3. 学会使用硬件描述语言（如VHDL）进行计算机硬件的设计和仿真。
4. 掌握计算机系统的性能评估方法，包括指令周期、时钟频率等。
三、设计内容本次计算机组成原理课程设计的内容为设计并实现一个简单的基于冯·诺依曼结构的计算机系统。
具体设计内容包括以下几个方面：1. 计算机系统的总体设计根据冯·诺依曼结构的原理，设计计算机系统的总体框架。
包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备等。
2. 指令系统的设计与实现设计并实现一个简单的指令系统，包括指令的编码、解码和执行过程。
指令集可以包括算术运算、逻辑运算、数据传输等常见指令。
3. 中央处理器（CPU）的设计与实现设计并实现一个简单的中央处理器，包括指令寄存器、程序计数器、算术逻辑单元等。
通过对指令的解码和执行，实现计算机的基本功能。
4. 存储器的设计与实现设计并实现一个简单的存储器模块，包括指令存储器和数据存储器。
通过存储器的读写操作，实现程序的加载和数据的存储。
5. 输入输出设备的设计与实现设计并实现一个简单的输入输出设备，如键盘和显示器。
通过输入输出设备，实现用户与计算机系统的交互。
6. 系统性能评估对设计的计算机系统进行性能评估，包括指令周期、时钟频率等指标的测量和分析。
通过性能评估，优化计算机系统的性能。
四、设计步骤本次计算机组成原理课程设计的步骤如下：1. 确定设计的整体框架和目标，明确设计的内容和要求。
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江苏大学计算机组成原理课程设计报告
专业名称：网络工程
班级学号：3130610031
学生姓名：张杰
指导教师：胡广亮
设计时间：2013年6月24日—2013年7月2日
第一天：熟悉微程序的设计和调试方法
一、设计目标
1、掌握微程序的设计方法
2、熟悉利用调试软件运行、调试微程序的方法
二、操作提示
1、连接实验设备
注意：请在断电状态下连接调试电缆。
2、下载FPGA配置数据
从课程网站下载CPU.sof等文件，使用Quartus II Programmer 软件将CPU.sof下载到FPGA。
3、输入微程序
利用调试软件将微程序写入控存，微程序如下。
取指令微程序
取源操作数为立即数的微程序
取目的操作数为寄存器寻址的微程序
MOV指令的微程序（目的数寄存器寻址）
4、输入调机程序
今天的将调机程序就是一条指令：“ MOV #0001H, R1”。
首先将指令翻译成机器码，根
据指令的编码规则，该指令的编码是：0761 0001。
然后利用调试软件将指令码写入主存，地址从主存的0030H开始。
5、调试微程序。
利用调试软件“Step”按钮控制微指令单步执行，执行结果如图 2.3所示
2.3 例2.1 MOV指令的单步运行跟踪数据
6、分析微程序的执行结果，一般方法如下：
首先分析微程序执行流程是否正确，根据前面指令微流程的设计，理论上该指令微程序
的执行顺序应该是001→002→003→004→00B→00F→016→006→018→007→031→02D→02E→000，通过调试软件的执行结果图 2.3可以看出，该指令微程序的微指令次序是正确的。
如果执行的微指令次序不正确，那就要分析原因，检查BM和NC设置是否正确、检查uAR 的各个输入信号的值是否正确，如IR、NA等。
然后分析指令的运行结果。
理论上本条测试指令执行完后，R1的值应该是0001。
通过
调试软件的执行结果图 2.3可以看出，指令执行结果是正确的。
如果结果不对，就需要进一
步分析每一条微指令。
分析的方法是针对微指令的每一条微命令，查看相应微操作前后相关模块的数据变化是否与指令微流程一致。
下面举个例子说明如何分析每条微指令的。
图 2.3的微地址为000B（uAR＝000B）的控存单元所对应的内容为2008000F，即微指
令为2008000F，所代表的微操作是：PCoe，ARce，即PC的内容送IB、IB的内容送AR，理论上的正确结果应该是IB=0031， AR=0031；通过图 2.3的000B单元微指令的执行结果可
以看出，IB 的数据由上一条微指令的结果0000→0031, AR 的数据由上一条微指令的结果0030→0031，说明本条微指令执行结果是正确。
从上面的分析可以看出，要想检查运行结果是否正确，关键是要清楚理论上正确的结果
是什么。
这就要求实验者对指令的微程序流程非常清楚，从而达到了理解计算机内部信息流动过程、掌握计算机工作原理的目的。
所以实验者应重视实验数据的分析工作，否则就失去
了实验的意义。
1、测试内容：立即数寻址、寄存器寻址
测试指令（或程序）：MOV #0001H, R1
机器码：
运行结果：
第二天取操作数微程序的设计和调试一、设计目标
设计并调试取操作数的微程序。
二、取操作数微流程
进入取目标操作数
取目的操作数流程：
三、测试程序、数据及运行结果
格式如下：
1、测试内容：间接寻址、寄存器寻址
测试指令（或程序）：MOF （0048）R1
运行结果：
四、设计中遇到的问题及解决办法
在设计过程中开始对调试程序的运行不熟悉，不是很了解了此程序的运行。
在操作过程中，粗心导致了输入机器码的错误，或者是所在位置错误，重新输入解决了此问题。
我详细地了解了它的整个过程和对于每一步的分析和验证，对微程序设计有了更深入的了解。
第三天双操作数指令的微程序设计与调试
一、设计目标
设计并调试运算指令的微程序。
5
三、双操作数指令执行微程序
四、测试程序、数据及运行结果
1、测试内容：立即寻址，直接寻址，间接寻址，寄存器寻址，寄存器间接寻址
测试程序：MOV（0048H） R1
TEST 0048H R1
AND #0078H （R0）
ADD R1 R0
机器码：
运行结果：
五、设计中遇到的问题及解决办法
调试双操作数指令执行微程序，先要写出双操作数指令执行微程序的微地址，微命令，然后写微程序，最后上机调试，判断是否正确，检查微程序运行结果是否正确是一项稍繁琐的事情，需要检查每步的寄存器、标志位、总线上的地址和数据。
但经过几天的熟悉，我们已慢慢熟悉掌握。
第四天单操作数运算和移位指令的微程序设计与调试
一、设计目标
完成单操作数运算指令INC、DEC、NOT和7条移位指令微程序的设计。
二、单操作数运算和移位指令微程序入口地址
三、单操作数运算和移位指令微程序的设计
四、测试程序、数据及运行结果
1.测试内容：间接寻址
测试程序：SHL （0010）H
机器码：
运行结果：
微指令的执行次序为：001—>002—>003—>006—01B—>01F—>022—>023—>024—>025—>026—>007—>62—>02F，参照取指令、取操作数和SHL指令执行微流程分析，所执行的微指令的次序是正确的。
2.测试内容：相对寻址
测试程序：DEC (0001)
第五天子程序调用、堆栈和转移指令微程序设计与调试
一、设计目标
完成CALL、RET、PUSH、POP和9条转移指令的微程序的设计。
二、PUSH、POP、CALL、RET指令微程序的设计
三、测试程序、数据及运行结果
1、测试内容：直接寻址
测试程序：CALL 000AH
机器码：
运行结果及分析：
首先，微指令的执行次序为：001—>002—>003—>006—01B—>01F—>024—>025—>026—>007—>07A—>047—>048—>049—>04A—>000，参照取指令、取操作数和CALL指令执行微流程分析，所执行的微指令的次序是正确的。
2、测试内容：相对寻址
测试程序：JMP +2
机器码：
运行结果及分析：
3.测试程序：PUSH 0010H POP 0012H //0010存放AAAA
机械码：031A 0010 033A 0012
第六天检查指令一、设计目标
用综合应用程序测试JU-C1十六位微程序控制计算机。
二、测试程序、数据及运行结果
测试程序：
MOV #0031H,0080H 077A 0031 0080
PUSH 0080H 031A 0080
CALL 0060H 035A 0060
SHL 0080H 005A 0080
总结
这次计算机组成原理简单微程序的设计，通过实验将实际问题和课本内容紧密的联系在一起，将知识运用到了实际之中，更加深入地掌握了微程序设计。
课本的知识是死的，只有经过自己的动手实践调试，才能更好的掌握知识我意识到了上机实践的重要性，因为在进行调试时，因此在对于一些错误的处理还是很生疏，这就暴露了平时不注重实践的弊端。
既然是程序设计，就应该多动手，当然不仅仅是纸上谈兵，还应注重多上机操作。
还有就是，在执行指令的过程中出现的错误，我还不能准确的定位出到底是哪地方面出现了错误，往往需要询问老师或者是思考很久之后才能找到原因。
对于这点，应该是对于整个过程还不够了解的原因，因此在以后的学习中还应该加强对知识的认识程度。
刚开始时，由于下载器件的问题保存微程序时中间会有一部分突然就没了，最开始还没在意，就是总发现验证时总出错，后来才知道是下载的微程序有问题，当时真的是非常的郁闷，后来在经过一翻重新检查后，终于把微程序完整的保存好了。
在完成整个课设后，我对取操作数的过程，MOV指令，运算类指令，CPU硬件的基本设计，转移指令，移位指令，堆栈类指令以及中断系统都有了更加深刻的理解，因为是通过实践的缘故，能够将抽象化的过程更加形象化，便于理解，使我明确了各种指令的执行过程。
我认为整个课设的设计还是很合理的，每天都有每天的任务，任务也很明确，每天都可以充分利用，后一天的内容与前一天的内容紧密相连，难度也是逐渐加深，这个循序渐进的过程更容易让我们接受。