计算机组成与结构课程设计 正文

引言

当今时代已经是计算机的时代，我们通常所讲的计算机，其全称是电子式数字计算机，它是一种能存储程序，能自动连续的对各种数字化信息进行算术，逻辑运算的快速工具。在这一定义中包含两个重要的基本概念：信息数字化和存储程序工作方式。

计算机系统是由硬件与软件组成的综合体，人们通常采用层次结构观点去描述系统的组成与功能，分层次的分析与设计计算机系统。而计算机是一种能够存储程序，能够自动连续的执行程序，对各种数字化信息进行算术运算或逻辑运算的快速工具。首先，计算机是能够运算的设备，运算可以分为两大类：算术运算和逻辑运算。算术运算的对象是数值型数据，以四则运算为基础，许多复杂的数学问题可通过相应算法最终分解为若干四则运算。逻辑运算用来解决逻辑型问题，如信息检索，判断分析和决策等。所以我们常将计算机的工作泛称为对信息进行运算处理。而计算机中的信息是用数字代码来表示各类信息，所以称为数字计算机。计算机对这些数字化的信息进行运算处理的方式是采用一种存储程序工作方式，即先编写程序，再由计算机将这些程序存储起来，然后通过连续，快速地执行程序实现各种运算处理。为了存储程序与数据，需要存储器；为了进行运算处理，需要运算器，需要运算器；为了输入程序和数据，以及输入程序和数据，以及输出运算结果，需要有输入设备和输出设备；控制器则对计算机的工作精心控制管理。

冯诺依曼在1954年就首先提出了这些技术要点。着是计算机发展史上的一个里程碑。至今为止，决大多数的计算机仍然属于冯诺依曼机。它的要点包括：（1）采用二进制代码表示数据和指令。（2）采用存储程序工作方式，即事先编制程序，实现存储程序，自动，连续的执行程序。（3）由存储器，运算器，控制器，输入设备，输出设备等5大部分组成计算机硬件系统。

计算机的工作最总体现为执行程序。而计算机采用存储程序工作方式，这是冯诺依曼体制中最核心的思想。它有三点含义，体现了计算机求解问题的过程：（1）实现编制程序。为了用计算机求解问题，需要实现编制程序。在程序中规定计算机需要做哪些事情，按什么步骤去做。程序中还包括需要运算处理的原始数据，或者规定计算机在什么时候从输入设备获得数据。（2）实现存储程序。编好的程序由输入设备送入计算机，存放在存储器中。编写的程序是用字符书写的，通过键盘将字符变成二进制代码，然后输入计算机。二进制编码中的每一位，取0或1中的一个值，可以保存在存储器中（3）自动，连续的执行程序。由于程序已经实现存储在存储器中，启动计算机并运行程序后，计算机就可以依照一定的顺序从存储器逐条读取指令，按照指令的要求执行操作，直到运行的程序执行完毕。

当然，当今社会，计算机的信息化发展一日千里。自20世纪80年代以来，计算机的迅速发展，特别是近几年，计算机向高度集成化、网络化和多媒体化发展的速度一日千里，社会信息化不断向纵向发展，各行各业的信息化进程不断加速，计算机应用技术与其他专业的教学、科研工作结合更加紧密，各科学与以计算机技术为核心的信息技术的融合，促进了计算机学科的发展。但是计算机的基本原理始终是技术开发所需要的地基，因此对我们计算机专业的学生也提出了更高的要求，不但要求掌握理论知识，更要有计算机应用能力和实践。

第1章概述

设计实验计算机的目的：

计算机组成与结构这门课，研究的是计算机的原理和结构。然而原理可以是理论，但结构的认识则必须通过实践。只有加强实践，才能真正的了解计算机的结构。为了更好的了解计算机结构，掌握制作简单模型机的方法，学会利用简单实验计算机来进行数据的基本操作，因此设计这次实验计算机的设计。

本次课程设计是要研制一台性能比较简单的计算机，能实现简单的指令功能，在设计计算机的过程中以此来加深对计算机组成与结构的理解，增强自己的动手能力。

实验计算机的工作原理：

本次实验计算机的设计主要是以FD-CES为基础设备来进行设计，因此，有必要对FD-CES做较详细的了解。

FD-CES是一台多功能的计算机实验设备，可进行数字逻辑电路实验、计算机部件实验、计算机整机实验和其他数字系统实验。FD-CES具有以下主要特点：

一、采用总线结构

FD-CES采用总线结构，是实验仪具有结构简单清晰、扩展方便、灵活易变等诸多优点。

该实验仪内共有四组总线：外部数据总线ODB、外部地址总线OAB、内部数据总线IDB、内部地址总线MB。CPU、内存、外设和控制台等部件之间通过外部总线传输信息，而CPU 内部则通过内部总线传输信息，

二、提供计算机基本功能模块

FD-CES为实验者提供了运算器模块ALU、寄存器堆模块REG、指令部件模块I-PC、内存模块MEM、总线缓冲模块BUS、微程序控制模块MPG、启停和时序模块P-P，以及控制台（兼I/O设备）的控制模块等。

这些基本功能模块的输出都通过三态器件连接总线，实验者可按需增加某些功能模块，也可逻辑“删除”不用的模块。各模块的电源线、地线、地址总线和数据总线等已分别连通，不必再连。模块内各集成电路间的数据通路也已连好。个器件的控制信号及必要的输出信号已被引出到实验板上，供实验者按自己的设计方案连接使用这些信号，从而使各模块协调地工作。

三、提供智能化控制台

控制台由Intel的8位单片微机8032控制，使控制台具有较强的功能，为调试和使用实验计算机提供如下便利：

实验计算机停机时，实验者可通过控制台将程序键入内存，将微程序键入控存；可把内存或控存指定单元内容读出显示；可把内存或控存内容保存到外存EEPROM，或将外存EEPROM内容读入内存或控存等。

实验计算机运行时，可由控制台控制实验计算机从指定单元开始连续运行；并可人工干预使其停止运行；也可控制实验计算机逐步逐拍地运行，并自动测量和显示每一拍地址总线和数据总线或微指令内容。

四、实验接线量少，实验效率高

具有上述特性的FD-CES实验仪，可大大减少实验者的接线工作量，因而也减少了出错的可能性，以利于实验的顺利进行。而且，更重要的是能使实验者在有限的时间内将精力集中在实验的关键部分。

本次实验的主要内容：

研制一台性能如下的实验计算机。

（1）具有键盘和打印机两种外部设备。

（2）外设和内存统一操作指令，程序查询法使用外设。

（3）运算器采用单累加器多通用寄存器结构。

（4）操作数寻址方式有：