計算機組成原理課程設(shè)計簡單計算機系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1、南昌大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院計算機組成原理課程設(shè)計（實訓(xùn)）報告書 題 目： 簡單計算機系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 專 業(yè)： 計算機科學(xué)與技術(shù) 班 級： 1012 姓 名： 沈智 學(xué) 號： 12 指導(dǎo)老師： 呂 準 設(shè)計時間：2012年4月9日 2012年4月13日目 錄計算機組成原理課程設(shè)計（實訓(xùn)）報告書11.實驗?zāi)康?2.實驗內(nèi)容33.實驗任務(wù)34.設(shè)計過程4 4.1 需求分析64.2功能分析64.3所用器件分析74.4測試步驟115.實驗結(jié)果126. 課程設(shè)計問題及解決方案 137.心得體會148.參考文獻151實驗?zāi)康?. 加深對馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)計算機組成及其各部分功能的理解，進一步建立整機的概念。2

2、. 加深對計算機數(shù)據(jù)通路的理解，熟悉計算機指令系統(tǒng)、時序控制信號的生成，完成一個簡單計算機系統(tǒng)的設(shè)計。3. 鍛煉初步的計算機系統(tǒng)分析和設(shè)計能力。4. 鍛煉分析、定位和排除故障的能力。2實驗內(nèi)容基于馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)，架構(gòu)一個簡單計算機系統(tǒng)。在設(shè)計過程中，利用proteus軟件的仿真功能進行仿真分析及調(diào)試定位，最終生成一個能完成簡單指令及運算的計算機系統(tǒng)。對主要的數(shù)據(jù)流和控制流通過led適時顯示信息。3實驗任務(wù)1 根據(jù)課程設(shè)計指導(dǎo)書的要求，制定出設(shè)計方案；2 畫出自己所設(shè)計計算機系統(tǒng)的原理框圖和器件連接圖，分析器件連接圖中各器件不同引腳的功能，哪些可以固定連接，哪些需要通過外接信號來控制，以及這些

3、控制信號的有效形式； 3. 利用proteus模擬仿真，布線、調(diào)試、驗收;4. 課程設(shè)計報告和總結(jié)。4設(shè)計過程4.1 需求分析在本次課程設(shè)計中，我們需要根據(jù)計算機的各個部件先畫出簡單的框圖和總體設(shè)計的框圖，然后在框圖的基礎(chǔ)上選擇適當?shù)男酒瑢崿F(xiàn)各自的功能，在這次計算機系統(tǒng)設(shè)計中，主要是先實現(xiàn)運算器部分，保證運算的正確性，然后設(shè)計存儲部分。4.1.1.簡單框圖如下：控制器輸出運算器存儲器輸入：4.1.2.總體設(shè)計框圖如下：74ls373輸入地址74ls373611674ls37374ls37374ls18174ls181輸出結(jié)果輸入數(shù)據(jù)4.2 功能分析 在這個計算機系統(tǒng)中，運用了計算機所能識別的二

4、進制形式進行簡單加減運算，實現(xiàn)將二進制程序存入內(nèi)存的芯片中，然后開始執(zhí)行檢測，通過開關(guān)輸入數(shù)據(jù)，并給其地址，存入存儲器中，再輸入第二個數(shù)時，同樣存入存儲器，經(jīng)調(diào)試led顯示運算結(jié)果也保存入存儲器中。 本次指令設(shè)計格式遵循常見指令格式設(shè)計原則，機器指令總共占8位，其中四位為操作碼，低四位為操作數(shù)地址addr，見下表描述：指令格式編碼及其格式說明如下：4.3 所用器件分析4.3.1.芯片74ls373：帶三態(tài)緩沖輸出的8d觸發(fā)器，1d8d為8個輸入端，1q8q為8個輸出端。g是數(shù)據(jù)鎖存控制端；當g=1時，鎖存器輸出端同輸入端；當g由“1”變?yōu)椤?” 時，數(shù)據(jù)輸入鎖存器中，oe為輸出允許端；當oe=

5、“0”時，三態(tài)門打開；當oe=“1”時，三態(tài)門關(guān)閉，輸出呈高阻狀態(tài)。1腳是輸出使能(oe),是低電平有效,當1腳是高電平時,不管輸入3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管11腳(鎖存控制端,g)如何,輸出2(q0)、5(q1)、6(q2)、9(q3)、12(q4)、15(q5)、16(q6)、19(q7)全部呈現(xiàn)高阻狀態(tài)(或者叫浮空狀態(tài));當1腳是低電平時,只要11腳(鎖存控制端,g)上出現(xiàn)一個下降沿,輸出2(q0)、5(q1)、6(q2)、9(q3)、12(q4)、15(q5)、16(q6)、19(q7)立即呈現(xiàn)輸入腳3、4、7、8、13、14、17、18的狀態(tài)。鎖存端le 由高

6、變低時，輸出端8 位信息被鎖存，直到le 端再次有效。 當三態(tài)門使能信號oe為低電平時，三態(tài)門導(dǎo)通，允許q0q7輸出，oe為高電平時，輸出懸空。當74ls373用作地址鎖存器時，應(yīng)使oe為低電平，此時鎖存使能端c為高電平時，輸出q0q7 狀態(tài)與輸入端d1d7狀態(tài)相同；當c發(fā)生負的跳變時，輸入端d0d7 數(shù)據(jù)鎖入q0q7。51單片機的ale信號可以直接與74ls373的c連接。4.3.2.芯片74ls181：算術(shù)邏輯單元/功能發(fā)生器，l是低電平，s3 s2 s1 s0為l l l l，m為l，cn為la0a3是輸入，f0f3輸出的就是a-1。各引腳說明如下：4.3.3.芯片6116：6116是2

7、k*8位靜態(tài)隨機存儲器芯片,采用cmos工藝制造,單一+5v供電,額定功耗160mw,典型存取時間200ns,24線雙列直插式封裝.各引腳含義如下:a0-a10為地址線;ce是片選線;oe是讀允許線;we是寫允許線.6116的操作方式如下:ce oe we 方式 d0-d7 h * * 未選中 高阻 l l h 讀 dout l h l 寫 din l l l 寫 din 4.3.4.控制開關(guān)：(1).dipsw_2：2獨立開關(guān)組(2).dipsw_5：5獨立開關(guān)組(3).dipsw_8：8獨立開關(guān)組4.3.5.電阻：respack-7：七排電阻respack-8：八排電阻，可以用8個阻值為1

8、0k或阻值為其他值的相同的電阻代替，八個電阻的一端連在一起接地（拉低）或高電平（拉高），另一端分別接到端口上。 4.3.6.輸出器件： led-red：紅色燈，兩種狀態(tài)0：亮，1：滅。4.4 測試步驟 檢測邏輯運算1+2： load 1 0000 0001 加 2 0000 0010 end 0000 0011 s0s3 0111 m=1 cn=0調(diào)試結(jié)果如圖： 5實驗結(jié)果硬件電路圖包括：5個74ls373芯片，2個74ls181芯片，1個6116芯片。硬件總體設(shè)計如圖：6課程設(shè)計問題及解決方案6.1.故障1protues無法編譯原理圖 在設(shè)計完原理圖，用protues編譯時，發(fā)現(xiàn)有錯誤，發(fā)現(xiàn)

9、是因為已經(jīng)過了使用期限，因此無法正常使用，最后嘗試了兩個方法解決問題：第一.使用教程中的破解方法生產(chǎn)一個xiaofan3.dat文件進行破解；第二.直接修改計算機的時間，向前調(diào)一段時間，這樣軟件可以正常進行編譯了。6.2.故障2輸入數(shù)據(jù)時沒有存入到6116芯片中 當我們進行運算時，輸入第一個數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)輸出端沒有顯示此時輸入的數(shù)據(jù)，因此認為一開始數(shù)據(jù)就沒有存入存儲器中，對整個電路進行檢查，發(fā)現(xiàn)電路連接正常，于是換了一個6116芯片后，問題得以解決。 6.3.故障3ac累加器顯示燈有信號沖突 當我們連接完成整個運算器部分，然后檢測電路的正確性時，發(fā)現(xiàn)存入數(shù)據(jù)時有黃燈顯示，因此認為產(chǎn)生了信號沖突，

10、于是開始對整個電路進行檢查，發(fā)現(xiàn)電路連接正常，并且74ls373的緩沖作用也正確，最后檢測芯片時，發(fā)現(xiàn)74ls181芯片的輸入端有信號輸出，與原來的輸入產(chǎn)生了沖突，問了老師此問題，是本身181芯片偶爾出現(xiàn)這個問題，于是換了181 芯片后，問題得以解決。 7心得體會通過本次課程設(shè)計，我對單片機和匯編的相關(guān)知識得到了進一步的，剛開始看到這個題目的時候，感覺倒計時不是很難，有對應(yīng)的輸入，在控制芯片的作用下，進行遞減的控制，就可以達到效果。所以剛開始的時候，做的還不是很認真，當設(shè)計進行到具體環(huán)節(jié)的時候，問題就體現(xiàn)出來了，并不是像剛開始的那樣簡單。首先要想到芯片的對應(yīng)p口的功能，于是要對所學(xué)的單片機的知

11、識進行復(fù)習(xí)，查找相關(guān)資料對那些知識進行擴充，于是就大量的查找相關(guān)資料和閱讀，了解清楚了相應(yīng)的功能后，開始了設(shè)計。接著就是具體的模塊部分的設(shè)計。我把整體模塊分為三個部分進行的，輸入部分，運算部分，輸出部分。再就是進行相對應(yīng)的仿真設(shè)計。由于再仿真用到的是proteus軟件，所以要對這個軟件的應(yīng)用進行學(xué)習(xí)。也是開始查找一些資料書和上網(wǎng)找一些應(yīng)用方面的技巧，在做了充分的準備后，開始了仿真繪圖。在繪圖的過程中，有時候也是弄錯了，導(dǎo)致仿真的結(jié)果出不來，在同學(xué)的幫助下，仔細查找和修改，還是完成了本設(shè)計，感覺集體的智慧還是很強大的。 在看到電路圖能運行了，心里感覺還是蠻高興的。雖然在這次設(shè)計的過程中，困難不少

12、，但是正是在自己的努力，老師和同學(xué)們的幫助下，自己能夠順利的完成，確實還是蠻欣慰的。在本次課程設(shè)計中我感知到設(shè)計，給人以創(chuàng)作的沖動。在畫家眼里，設(shè)計是一幅清明上河圖或是一幅向日葵;在建筑師眼中，設(shè)計是昔日鎏金般的圓明園或是今日一塑自由女神像;在電子工程師心中，設(shè)計是貝爾實驗室的電話機或是華為的程控交換機。凡此種種，但凡涉及設(shè)計都是一件良好的事情，因為她能給人以美的幻想，因為她能給人以金般財富，因為她能給人以成就之感，更為現(xiàn)實的是她能給人以成長以及成長所需的營養(yǎng)，而這種營養(yǎng)更是一種福祉，一輩子消受不竭享用不盡。我就是以此心態(tài)對待此次計算機組成原理課程設(shè)計的，所謂“態(tài)度決定一切”，于是偶然又必然地

13、收獲了諸多，概而言之，大約以下幾點：一、溫故而知新。課程設(shè)計發(fā)端之始，思緒全無，舉步維艱，對于理論知識學(xué)習(xí)不夠扎實的我深感“書到用時方恨少”，于是想起圣人之言“溫故而知新”，便重拾教材與實驗手冊，對知識系統(tǒng)而全面進行了梳理，遇到難處先是苦思冥想再向同學(xué)請教，終于熟練掌握了基本理論知識，而且領(lǐng)悟諸多平時學(xué)習(xí)難以理解掌握的較難知識，學(xué)會了如何思考的思維方式，找到了設(shè)計的靈感。二、思路即出路。當初沒有思路，誠如舉步維艱，茫茫大地，不見道路。在對理論知識梳理掌握之后，茅塞頓開，柳暗花明，思路如泉涌，高歌“條條大路通羅馬”。頓悟，沒有思路便無出路，原來思路即出路。三、實踐出真知。文革之后，關(guān)于真理的大討

14、論最終結(jié)果是“實踐是檢驗真理的唯一標準”，自從耳聞以來，便一直以為馬克思主義中國化生成的教條。時至今日，課程設(shè)計基本告成，才切身領(lǐng)悟“實踐是檢驗真理的唯一標準”，才明曉實踐出真知。四、創(chuàng)新求發(fā)展?！皠?chuàng)新”目前在我國已經(jīng)提升到國家發(fā)展戰(zhàn)略地位，足見“創(chuàng)新”的舉足輕重。五、過而能改，善莫大焉。至善至美，是人類永恒的追求。但是，不從忘卻“金無足赤，人無完人”，我們換種思維方式，去惡亦是至善，改錯亦為至美。六、學(xué)海無涯，學(xué)無止境。在課程設(shè)計過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。最終的檢測調(diào)試環(huán)節(jié)，本身就是在踐行“過而能改，善莫大焉”的知行觀。感謝這次課程設(shè)計給了自己鍛煉的機會，自己在今后的學(xué)習(xí)和生活中，會更加的努力，爭取更