计算机组成原理课程设计---简单计算机系统设计与实现.doc

南昌大学
信息科学与技术学院
《计算机组成原理》课程设计（实训）
报告书
题目：简单计算机系统设计与实现
专业：计算机科学与技术
班级：1012
*名：**
学号：12
指导老师：**
设计时间：2012年4月9日~ 2012年4月13日
目录
《计算机组成原理》课程设计（实训）报告书 (1)
1.实验目的 (3)
2.实验内容 (3)
3.实验任务 (3)
4.设计过程 (4)
4.1 需求分析 (6)
4.2功能分析 (6)
4.3所用器件分析 (7)
4.4测试步骤 (11)
5.实验结果 (12)
6. 课程设计问题及解决方案 (13)
7.心得体会 (14)
8.参考文献 (15)
1实验目的
1.加深对冯·诺依曼体系结构计算机组成及其各部分功能的理解，进一步建立整机的概念。

2.加深对计算机数据通路的理解，熟悉计算机指令系统、时序控制信号的生成，完成一个简
单计算机系统的设计。

3.锻炼初步的计算机系统分析和设计能力。

4.锻炼分析、定位和排除故障的能力。

2实验内容
基于冯·诺依曼体系结构，架构一个简单计算机系统。

在设计过程中，利用PROTEUS软件的仿真功能进行仿真分析及调试定位，最终生成一个能完成简单指令及运算的计算机系统。

对主要的数据流和控制流通过LED适时显示信息。

3实验任务
1．根据课程设计指导书的要求，制定出设计方案；
2．画出自己所设计计算机系统的原理框图和器件连接图，分析器件连接图中各器件不同引脚的功能，哪些可以固定连接，哪些需要通过外接信号来控制，以及这些控制信号的有效形
式；
3.利用PROTEUS模拟仿真，布线、调试、验收;
4.课程设计报告和总结。

4设计过程
4.1 需求分析
在本次课程设计中，我们需要根据计算机的各个部件先画出简单的框图和总体设计的框图，然后在框图的基础上选择适当的芯片实现各自的功能，在这次计算机系统设计中，主要是先实现运算器部分，保证运算的正确性，然后设计存储部分。

4.1.1.简单框图如下：
：
4.1.2.总体设计框图如下：
4.2 功能分析
在这个计算机系统中，运用了计算机所能识别的二进制形式进行简单加减运算，实现将二进制程序存入内存的芯片中，然后开始执行检测，通过开关输入数据，并给其地址，存入存储器中，再输入第二个数时，同样存入存储器，经调试LED显示运算结果也保存入存储器中。

本次指令设计格式遵循常见指令格式设计原则，机器指令总共占8位，其中四位为操作码，低四位为操作数地址ADDR，见下表描述：
指令格式编码及其格式说明如下：
4.3 所用器件分析
4.3.1.芯片74LS373：
带三态缓冲输出的8D触发器，1D~8D为8个输入端，1Q~8Q为8个输出端。

G是数据锁存控制端；当G=1时，锁存器输出端同输入端；当G由“1”变为“0”时，数据输入锁
存器中，OE为输出允许端；当OE=“0”时，三态门打开；当OE=“1”时，三态门关闭，
输出呈高阻状态。

1脚是输出使能(OE),是低电平有效,当1脚是高电平时,不管输入3、4、
7、8、13、14、17、18如何,也不管11脚(锁存控制端,G)如何,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、
9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部呈现高阻状态(或者叫浮空状态);当1脚是
低电平时,只要11脚(锁存控制端,G)上出现一个下降沿,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)立即呈现输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的状态。

锁存端LE 由高变低时，输出端8 位信息被锁存，直到LE 端再次有效。

当三态门使能信号OE为低电平时，三态门导通，允许Q0~Q7输出，OE为高电平时，输出悬空。

当74LS373
用作地址锁存器时，应使OE为低电平，此时锁存使能端C为高电平时，输出Q0~Q7 状态
与输入端D1~D7状态相同；当C发生负的跳变时，输入端D0~D7 数据锁入Q0~Q7。

51单片
机的ALE信号可以直接与74LS373的C连接。

4.3.2.芯片74LS181：
算术逻辑单元/功能发生器，
L是低电平，S3 S2 S1 S0为L L L L，M为L，Cn为L
A0~A3是输入，
F0~F3输出的就是A-1。

各引脚说明如下：
4.3.3.芯片6116：
6116是2K*8位静态随机存储器芯片,采用CMOS工艺制造,单一+5V供电,额定功耗160mW,典型存取时间200ns,24线双列直插式封装.
各引脚含义如下:
A0-A10为地址线;CE是片选线;OE是读允许线;WE是写允许线.
6116的操作方式如下:
CE OE WE 方式 D0-D7
H * * 未选中高阻
L L H 读 Dout
L H L 写 Din
L L L 写 Din
4.3.4.控制开关：
(1).DIPSW_2：2独立开关组
(2).DIPSW_5：5独立开关组
(3).DIPSW_8：8独立开关组
4.3.
5.电阻：
RESPACK-7：七排电阻
RESPACK-8：八排电阻，可以用8个阻值为10K或阻值为其他值的相同的电阻代替，八个电阻的一端连在一起接地（拉低）或高电平（拉高），另一端分别接到端口上。

4.3.6.输出器件：
LED-RED：红色灯，两种状态0：亮，1：灭。

4.4 测试步骤
检测逻辑运算1+2：
Load 1 0000 0001
加 2 0000 0010
END 0000 0011
S0~S3 0111
M=1 Cn=0
调试结果如图：
5实验结果
硬件电路图包括：5个74LS373芯片，2个74LS181芯片，1个6116芯片。

硬件总体设计如图：
6课程设计问题及解决方案
6.1.故障1——Protues无法编译原理图
在设计完原理图，用Protues编译时，发现有错误，发现是因为已经过了使用期限，因此无法正常使用，最后尝试了两个方法解决问题：第一.使用教程中的破解方法生产一个xiaofan3.dat文件进行破解；第二.直接修改计算机的时间，向前调一段时间，这样软件可以正常进行编译了。

6.2.故障2——输入数据时没有存入到6116芯片中
当我们进行运算时，输入第一个数据时，发现输出端没有显示此时输入的数据，因此认为一开始数据就没有存入存储器中，对整个电路进行检查，发现电路连接正常，于是换了一个6116芯片后，问题得以解决。

6.3.故障3——AC累加器显示灯有信号冲突
当我们连接完成整个运算器部分，然后检测电路的正确性时，发现存入数据时有黄灯显示，因此认为产生了信号冲突，于是开始对整个电路进行检查，发现电路连接正常，并且74LS373的缓冲作用也正确，最后检测芯片时，发现74LS181芯片的输入端有信号输出，与原来的输入产生了冲突，问了老师此问题，是本身181芯片偶尔出现这个问题，于是换了181 芯片后，问题得以解决。

7心得体会
通过本次课程设计，我对单片机和汇编的相关知识得到了进一步的，刚开始看到这个题目的时候，感觉倒计时不是很难，有对应的输入，在控制芯片的作用下，进行递减的控制，就可以达到效果。

所以刚开始的时候，做的还不是很认真，当设计进行到具体环节的时候，问题就体现出来了，并不是像刚开始的那样简单。

首先要想到芯片的对应P口的功能，于是要对所学的单片机的知识进行复习，查找相关资料对那些知识进行扩充，于是就大量的查找相关资料和阅读，了解清楚了相应的功能后，开始了设计。

接着就是具体的模块部分的设计。

我把整体模块分为三个部分进行的，输入部分，运算部分，输出部分。

再就是进行相对应的仿真设计。

由于再仿真用到的是Proteus软件，所以要对这个软件的应用进行学习。

也是开始查找一些资料书和上网找一些应用方面的技巧，在做了充分的准备后，开始了仿真绘图。

在绘图的过程中，有时候也是弄错了，导致仿真的结果出不来，在同学的帮助下，仔细查找和修改，还是完成了本设计，感觉集体的智慧还是很强大的。

在看到电路图能运行了，心里感觉还是蛮高兴的。

虽然在这次设计的过程中，困难不少，但是正是在自己的努力，老师和同学们的帮助下，自己能够顺利的完成，确实还是蛮欣慰的。

在本次课程设计中我感知到设计，给人以创作的冲动。

在画家眼里，设计是一幅清明上河图或是一幅向日葵;在建筑师眼中，设计是昔日鎏金般的圆明园或是今日一塑自由女神像;在电子工程师心中，设计是贝尔实验室的电话机或是华为的程控交换机。

凡此种种，但凡涉及设计都是一件良好的事情，因为她能给人以美的幻想，因为她能给人以金般财富，因为她能给人以成就之感，更为现实的是她能给人以成长以及成长所需的营养，而这种营养更是一种福祉，一辈子消受不竭享用不尽。

我就是以此心态对待此次《计算机组成原理》课程设计的，所谓“态度决定一切”，于是偶然又必然地收获了诸多，概而言之，大约以下几点：
一、温故而知新。

课程设计发端之始，思绪全无，举步维艰，对于理论知识学习不够扎实的我深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。

二、思路即出路。

当初没有思路，诚如举步维艰，茫茫大地，不见道路。

在对理论知识梳理掌握之后，茅塞顿开，柳暗花明，思路如泉涌，高歌“条条大路通罗马”。

顿悟，没有思路便无出路，原来思路即出路。

三、实践出真知。

文革之后，关于真理的大讨论最终结果是“实践是检验真理的唯一标准”，自从耳闻以来，便一直以为马克思主义中国化生成的教条。

时至今日，课程设计基本告成，才切身领悟“实践是检验真理的唯一标准”，才明晓实践出真知。

四、创新求发展。

“创新”目前在我国已经提升到国家发展战略地位，足见“创新”的举足轻重。

五、过而能改，善莫大焉。

至善至美，是人类永恒的追求。

但是，不从忘却“金无足赤，人无完人”，我们换种思维方式，去恶亦是至善，改错亦为至美。

六、学海无涯，学无止境。

在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。

最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。

感谢这次课程设计给了自己锻炼的机会，自己在今后的学习和生活中，会更加的努力，争取更大的进步！
8参考文献
【1】赵家俊，赵扬编著. 计算机组成原理.北京：清华大学出版社, 2010年
【2】张代远编著. 计算机组成原理教程. 北京：清华大学出版社, 2009年
【3】王爱英主编.计算机组成与结构（第3版）.北京：清华大学出版社，2000
【4】秦磊华，王小兰.计算机组成原理实验指导及课程设计指导书（基于EDA平台）武汉：华中技大学出版社，2010年.
【5】张钧良，林雪明编著. 计算机组成原理. 电子工业出版社, 2001年。