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。
东北大学计算机组成原理课程设计
计算机组成原理课程设计报告班级：班姓名：学号：完成时间：一、课程设计目的1．在实验机上设计实现机器指令及对应的微指令（微程序）并验证，从而进一步掌握微程序设计控制器的基本方法并了解指令系统与硬件结构的对应关系；2．通过控制器的微程序设计，综合理解计算机组成原理课程的核心知识并进一步建立整机系统的概念；3．培养综合实践及独立分析、解决问题的能力。
二、课程设计的任务针对COP2000实验仪，从详细了解该模型机的指令/微指令系统入手，以实现乘法和除法运算功能为应用目标，在COP2000的集成开发环境下，设计全新的指令系统并编写对应的微程序；之后编写实现乘法和除法的程序进行设计的验证。
三、课程设计使用的设备（环境）1．硬件●COP2000实验仪●PC机2．软件●COP2000仿真软件四、课程设计的具体内容（步骤）1．详细了解并掌握COP 2000模型机的微程序控制器原理，通过综合实验来实现该模型机指令系统的特点：①总体概述：COP2000模型机包括了一个标准CPU所具备所有部件，这些部件包括：运算器ALU、累加器A、工作寄存器W、左移门L、直通门D、右移门R、寄存器组R0-R3、程序计数器PC、地址寄存器MAR、堆栈寄存器ST、中断向量寄存器IA、输入端口IN、输出端口寄存器OUT、程序存储器EM、指令寄存器IR、微程序计数器uPC、微程序存储器uM，以及中断控制电路、跳转控制电路。
其中运算器和中断控制电路以及跳转控制电路用CPLD来实现，其它电路都是用离散的数字电路组成。
微程序控制部分也可以用组合逻辑控制来代替。
模型机为8位机，数据总线、地址总线都为8位，模型机的指令码为8位，根据指令类型的不同，可以有0到2个操作数。
指令码的最低两位用来选择R0-R3寄存器，在微程序控制方式中，用指令码做为微地址来寻址微程序存储器，找到执行该指令的微程序。
而在组合逻辑控制方式中，按时序用指令码产生相应的控制位。
在本模型机中，一条指令最多分四个状态周期，一个状态周期为一个时钟脉冲，每个状态周期产生不同的控制逻辑，实现模型机的各种功能。
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南通大学计算机科学与技术学院
名
学号
指导教师
日期 2012.6.18～ 2012.6.21
一、设计目的
1、融会贯通教材各章的内容，通过知识的综合运用，加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系的认识，经阿什计算机工作中“时间-空间”概念的理解，从而清晰地建立计算机的整机概念。
2、学习设计和调试计算机的基本步骤和方法，培养科学研究的独立工作能力，取得工程设计和调试的实践和经验。
三、数据格式与指令系统
1、数据格式
数据字规定采用定点整数补码表示法，字长8位，其中最高位为符号位，其格式如下：7 6 5 4 3 2 1
2、指令格式
本实验设计使用5条机器指令，其格式与功能说明如下：
7 6 5 4 3 2 1 0
功能是将内存中以第二个字为地址的内存单元中的数据读出到数据总线，显示之。
JMP指令为双字长指令，第一个字为操作码，第二个字为操作数地址，其功能是程序无条件转移到第二个字指定的内存单元地址。
四．设计原理与电路图
原理图
按照原理图，完成模型机的数据通路的编辑、编译以及波形仿真工作。
，图中采用两个寄存器74273b来存放指令，一个用于存放操作码，另一个用于存放地址码。
（2）微程序控制器的逻辑图：
A 数据通路逻辑电路图
A.FA(加法器）
B.ALU(运算器)
封装图
C地址转移逻辑电路
设计地址转移逻辑电路，完成电路图的编辑、编译以及波形仿真工作。
仿真正确后，封装成芯片control。
地址转移逻辑通过指令的操作码的高3位和微指令的测试字段P1来确定下一条微指令的地址。
D、微程序控制器：
调用地址转移芯片control，存放微指令的ROM，两片74273b芯片以及一片74273芯片来完成电路图的编辑、编译以及波形仿真工作。
封装图
E.PC(程序计数器)
五、微程序流程图、代码表（1）微程序流程图
（2）代码表：
RAM.MIF
EPROM.MIF
ROM.MIF
六、系统调试情况
（1）测试结果（波形图）：
（2）主要问题和解决办法：
1、此模型计算机为单总线结构，输入信号和输出信号均通过该总线进行传输，如果不加缓冲器就会产生输入信号和输出信号的传输冲突，使信号不能到达“IR”，所以要在存储器RAM后添加一个“74244”模块，使信号在进入总线进行传输前先通过“74244”进行一个缓冲，同时“74244”也有三态门的作用，从而使得总线上无信号冲突，这样就便于总线的连接和扩展。
转，从而使其能执行完所有的指令。
通过这次实践，充分认识到知识的综合运用的重要性，而且任何一个不严谨的地方都有可能导致错误，同时这次实践使自己对计算机的工作原理有了一个系统的认识，也为以后专业课的学习打下了基础。