【计算机组成原理】知识点概述： 计算机组成原理是计算机科学与技术的基础课程，主要研究计算机硬件系统的构造和工作原理。这门学科涵盖了多个关键概念，包括计算机的结构、数据表示、运算器、存储系统、指令系统、输入/输出(I/O)接口、中断系统以及微程序设计等。 1. **完整计算机系统组成**： 计算机系统由硬件和软件两大部分组成。硬件包括中央处理器(CPU)、存储器(内存和外存)、输入设备、输出设备以及各种外部设备。软件则包含操作系统、应用软件等。 2. **定点数表示**： 定点数在计算机中用于表示整数，16位字长采用2的补码形式时，最大正整数为2^15-1，最小负整数为-2^15。题中选项D表示了这个范围。 3. **IEEE754浮点数**： IEEE754标准规定了浮点数的存储格式，包括符号位、指数位和尾数位。32位浮点数中，1位符号位，8位阶码，23位尾数，最大的规格化正数是1-2^-23 × 2^(127-1)，对应选项C。 4. **存储器组织**： 使用静态RAM扩展存储器时，需要考虑其容量和位宽。例如，8K×8位的RAM芯片构成32K×16位存储器，需要8片这样的芯片，因为位宽需要翻倍，而容量需扩大4倍，所以是2的4次方，即8片。 5. **Cache的作用**： Cache用于解决CPU和主存速度不匹配的问题，通过高速缓存来暂时存储CPU频繁访问的数据，提高系统性能。 6. **EEPROM**： EEPROM是电擦除可编程只读存储器，可以在电子设备中多次读写，常用于存储配置信息或用户数据。 7. **虚拟存储器**： 虚拟存储器通过操作系统进行地址映射，将主存和磁盘空间结合起来，使得程序可以运行在超过实际物理内存大小的地址空间中。 8. **寻址方式**： 直接寻址是指指令中直接给出操作数所在的存储地址，立即寻址是操作数直接在指令中，隐含寻址是操作数的地址被指令格式本身隐含，间接寻址则是通过指令中的地址去找到操作数地址。 9. **CPU组件**： 当代CPU主要包括控制器、高速缓存(Cache)和运算器。 10. **程序计数器**： 程序计数器(PC)用来存储下一条指令的地址，用于跟踪指令执行。 11. **统一编址**： 在某些系统中，I/O设备和主存储器使用相同的地址空间，这种情况下不需要I/O指令，如双总线系统。 12. **磁盘数据传输率**： 磁盘的数据传输率计算公式通常为扇区大小 × 转速 × 扇区数，题目中给出的计算结果应为240 KB/s。 13. **外围设备**： 计算机的外围设备包括所有输入/输出设备、外存储器和远程通信设备，除了CPU和内存之外的部分。 14. **读出数据传输率**： 在传输同样多的字时，SRAM的读出数据传输率通常高于DRAM、闪存和EPROM。 15. **微程序存放位置**： 微程序一般存放在只读存储器(ROM)中，因为它们不常改变。 16. **DMA交替访内法**： 当I/O设备的读写周期小于内存存储周期时，适用DMA的交替访内法，以提高效率。 17. **CRT刷新存储器**： CRT的分辨率和颜色深度决定了刷新存储器每个单元的字长，256色对应8位，因此每个像素需要8位，分辨率512×512，总字长为512×512×8。 18. **I/O组织方式**： 在中断方式下，数据交换完全由CPU通过执行程序控制。 19. **中断响应顺序**： 调整中断响应顺序通常通过中断屏蔽技术实现。 20. **低速I/O通道选择**： 对于低速设备，适合使用字节多路通道，因为它能并发处理多个低速设备的请求。 以上是试卷中涉及的计算机组成原理的关键知识点，涵盖了计算机系统的各个核心部分。学习这些知识有助于理解计算机硬件的工作原理，对于计算机科学的学习至关重要。

MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）CPU设计是计算机组成原理教学中一个重要的实验环节，尤其在高校的计算机科学与技术专业中。这一设计通常涉及多个方面，包括指令集架构的理解、流水线的实现、寄存器的管理以及硬件与软件的协同工作。本压缩包文件提供了与MIPS CPU设计相关的头歌实验答案，这些答案能够帮助学生更好地理解MIPS CPU的内部工作机制以及如何进行相关的计算机组成原理实验。 在处理这类实验时，学生需要对MIPS架构的各个组件有深入的了解。例如，MIPS架构的指令集非常规范和简洁，其中包含了算术逻辑单元（ALU）、控制单元（CU）、寄存器堆、缓存、浮点单元等关键部件。学生在实验过程中不仅需要掌握这些部件的功能和设计原理，还需要理解它们是如何协同工作的。 对于流水线技术的实现，MIPS CPU设计需要考虑如何处理指令的执行阶段，包括取指令（IF）、译码（ID）、执行（EX）、访存（MEM）和写回（WB）五个阶段。每个阶段都有其独特的功能，而设计流水线的目的就是为了提高CPU的处理速度，让一条指令的各个阶段可以并行进行。在这个过程中，硬件可能会遇到数据冲突、控制冲突和结构冲突等问题，需要通过特定的技术来解决这些问题，以确保CPU可以高效且正确地执行指令。 在实验答案中，学生可以找到如何处理这些冲突的策略和方法。例如，可以使用数据前递技术来解决数据冲突，使用分支预测技术来减少控制冲突带来的影响，或者通过优化编译器和指令集来减少结构冲突。这些问题的解决对于理解计算机体系结构和CPU设计的优化至关重要。 此外，寄存器的管理也是MIPS CPU设计中的一个重要方面。MIPS架构拥有大量的寄存器，学生需要了解如何高效地使用这些寄存器，以及如何在指令中正确地引用这些寄存器。正确的寄存器管理能够显著提高程序的运行效率。 在软件层面，学生还需要熟悉MIPS汇编语言，因为这是与MIPS CPU交互的基础。通过编写汇编程序，学生可以实现对CPU基本操作的控制，包括算术逻辑运算、数据传送、控制流程管理等。在这个过程中，学生不仅能够加深对MIPS指令集的理解，还能够提高他们的编程能力和逻辑思维能力。 MIPS CPU设计实验及其答案是理解计算机组成原理的一个桥梁，它不仅要求学生掌握理论知识，还需要他们具备一定的动手实践能力。通过对这些实验的学习，学生能够获得宝贵的实践经验，为未来在计算机科学领域的研究和开发工作打下坚实的基础。

内容概要：本文是一本详细的计算机组成原理实验教程，适用于西安唐都科教仪器公司开发的TDX-CMX实验系统。教程分为六个章节，从运算器、存储系统、控制器、系统总线与总线接口到模型计算机和输入输出系统，详细介绍了各个组件的组成原理、设计方法和实验步骤。此外，还包括了中断和DMA功能的设计实验。 适合人群：计算机相关专业的院校学生，尤其是计算机体系结构、嵌入式系统、微电子技术等领域的学习者。 使用场景及目标：①用于课堂教学，帮助学生更好地理解和掌握计算机组成的各个部分及其工作机制；②实验室使用，通过实际操作加深理论知识的理解，培养动手能力和实验技能。 其他说明：本书不仅提供了详细的实验原理和步骤，还提供了相应的电路图和示意图，以及实验中可能会遇到的问题和思考题，适合自学和教学使用。

请配合本人文章：实验六 存储器实验使用，该源码为Logisim所编写，可以直接导入使用。 其中logisim源码，可以直接运行。 主要包含以下logisim电路： 1、常见触发器 2、寄存器 3、计数器 4、ROM 5、RAM 6、多片ROM、RAM组装内存 以下是源码实验内容： 1、常见触发器 触发器具有两个稳定的状态，在外加信号的触发下，可以从一个稳态翻转为另一稳态。这一新的状态在触发信号去掉后，仍然保持着，一直保留到下一次触发信号来到为止，这就是触发器的记忆作用，它可以记忆或存储两个信息："0"或"1"。 2、寄存器 寄存器的功能是存储二进制代码，它是由具有存储功能的触发器组合起来构成的。一个触发器可以存储1位二进制代码，故存放n位二进制代码的寄存器，需用n个触发器来构成。 3、计数器 计数器可实现正向和方向计数和控制功能。 4、ROM 只读存储器（ROM）是一种在正常工作时其存储的数据固定不变，其中的数据只能读出，不能写入 5、RAM 随机存取存储器（RAM）又可称为读写存储器，它不仅可以存储大量的信息，而且在操作过程中能任意"读"或“写”某个单元信息

在当今信息时代，计算机技术的迅速发展无疑成为了推动社会进步的强大动力。作为计算机科学与技术领域的重要组成部分，计算机组成原理这一学科起着基础性的作用。广东工业大学计算机组成原理实验报告合集，作为一份全面且珍贵的教学资料，对于教育和科研均具有不可估量的价值。 在进行计算机组成原理的实验教学中，学生必须深入了解计算机硬件的组成结构以及其工作原理。该实验报告合集按照教学要求，合理设计了包括实验一至实验六在内的多个实验项目，每个项目都旨在强化学生对于计算机系统不同层次的知识理解。 以实验二为例，学生在“数据运算与逻辑电路”这一板块中，通过设计并实现简单的算术逻辑单元（ALU），不仅能够掌握基本的加、减、逻辑与、逻辑或等运算操作，还能够利用布尔代数对逻辑表达式进行分析与简化。这不仅加深了对计算机硬件基础的理解，同时也锻炼了学生的逻辑思维能力与实际操作能力。 在实验三中，涉及了计算机的“存储系统”。学生通过对存储层次结构的研究，包括寄存器、高速缓存、主存及外部存储器等，构建了简单的存储器模型，并了解了地址映射、替换策略以及读写操作的流程。这有助于学生掌握数据存储与管理的知识，理解存储系统在计算机中的核心地位。 实验五则是对“指令系统和控制器设计”进行实践。学生在这一实验中模拟简单的计算机操作，设计并实现了指令解码和执行过程。通过时序控制和状态机设计，学生能够理解计算机指令执行周期的划分，从而掌握计算机的控制部分。这是计算机系统中实现软件与硬件相互作用的关键部分，对于学生理解计算机工作原理尤为关键。 实验六作为关注点放在了“输入/输出（I/O）系统”上。学生在这里学习了中断系统，模拟了设备驱动程序与用户程序之间的交互，以及利用DMA（直接存储器访问）技术实现高效数据传输。I/O系统是计算机系统与外部世界交换信息的桥梁，实验六的设计让学生能够充分理解这一过程中的技术实现与效率问题。 每个实验报告的撰写都遵循严谨的结构，包含了实验目的、实验设备、实验步骤、实验结果及问题讨论等关键部分。通过解决实际问题，学生能够不断深化对计算机硬件结构的了解，并通过动手实践提升了解决问题的能力。此外，团队合作也是实验过程中的重要一环，有助于学生养成沟通协调、分工合作的职业素养。 教师通过这些实验报告，可以对学生的学习进度和理解程度进行有效的评估。同时，报告中对实验问题的分析和讨论，也能为教师提供宝贵的反馈，帮助他们调整教学计划和方法，以更有效地帮助学生克服学习难点。 广东工业大学计算机组成原理实验报告合集，不仅为学生提供了宝贵的实践学习资料，同时也为教师的教学提供了有力支持。它不仅有助于计算机组成原理教学内容的深入理解，而且也促进了学生实践技能和问题解决能力的提升，对计算机硬件教育和研究起到了积极的推动作用。

计算机组成原理与系统结构 ——期末总复习 南京农业大学信息学院 主讲：赵力 2006年6月

在计算机科学与工程领域中，MIPS架构是一种广泛使用的精简指令集计算（RISC）架构，最初由MIPS计算机系统公司开发，并已成为教学和研究中的一个重要主题。MIPS流水CPU设计是计算机组成原理课程中的一个重要实验项目，尤其在国内外众多高等学府中被广泛采用，如华中科技大学（HUST）的《计算机组成原理》课程就将MIPS流水CPU设计作为实践教学的重要组成部分。 流水CPU设计的基本思想是将指令执行过程划分为若干个子过程，每个子过程由不同的硬件部件完成。在流水线中，这些子过程可以并行进行，从而提高CPU的处理效率。MIPS流水线设计涉及多个关键概念，包括指令的取出、译码、执行、访存以及写回等阶段。在流水线设计中，工程师需要考虑如何处理各种数据冲突和控制冲突，以及如何实现流水线的有效同步和资源调度。 在HUST的计算机组成原理教学中，MIPS流水CPU设计实验旨在通过模拟和实现MIPS指令集架构来加深学生对计算机硬件组成和工作原理的理解。学生通过这个实验可以掌握CPU的基本工作原理，熟悉流水线技术，并能使用硬件描述语言（如Verilog或VHDL）来描述和设计CPU。实验过程通常要求学生完成从指令集的选择、指令的解析、流水线的实现到测试验证的整个流程。 实验的答案包含了对于流水线CPU设计的关键步骤和常见问题的解析。例如，在流水线的各个阶段，学生需要正确处理数据冲突，如数据前递和流水线停顿等，以及解决控制冲突，比如通过分支预测、控制冒险的解决方法等。实验答案还可能包括对于流水线性能优化的探讨，比如提高流水线效率的方法、减少冒险发生几率的策略等。 MIPS流水CPU设计不仅是计算机组成原理教学中的一个重要组成部分，也是培养学生实践能力和创新思维的重要方式。通过这样的实验，学生可以更加直观地理解理论知识，并将其应用于实际的CPU设计中，从而为未来的深入学习和专业工作打下坚实的基础。

中海大-计算机组成原理 single_cycle_cpu 单周期CPU pipeline_cpu 五级流水线CPU pipeline_CU_cpu 控制逻辑集成为CU模块 6pipeline_CU_cpu 将五级流水线扩展为6级流水线 vivado 2018.3 FPGA开发板

### 电子科技大学计算机组成原理实验课1-实验4：中小规模时序逻辑设计 #### 实验背景及目标 本实验是电子科技大学计算机组成原理课程的一部分，主要针对中小规模时序逻辑设计这一主题展开实践教学。实验的目标是让学生通过具体操作熟悉和掌握74x161计数器的功能及其应用，尤其是如何利用该计数器实现不同模值的计数器设计。通过本实验，学生可以深入理解时序逻辑电路的基本原理，并能够运用这些原理来解决实际问题。 #### 实验重点内容解析 **1. 74x161计数器的逻辑功能** - **异步清零**: 当CLEAR端口接收到低电平(0)时，无论其他输入端的状态如何，计数器都会被清零。 - **同步并行置数**: 在时钟脉冲的上升沿到来时，如果LOAD端口处于低电平(0)，则计数器会将并行输入端D、C、B、A的数据加载到计数器中。 - **二进制同步加法计数**: 当CLEAR端口处于高电平(1)，LOAD端口也处于高电平(1)，且Enable P和Enable T都处于高电平(1)时，计数器会根据输入的时钟脉冲信号进行加法计数。 - **保持功能**: 当COUNT端口处于高电平(1)，LOAD端口也处于高电平(1)，但Enable P或Enable T之一处于低电平(0)时，计数器将保持当前状态不变。 **2. 实验内容分析** - **测试单个74x161计数器**: 使用1Hz时钟信号作为输入，通过LED灯显示计数器的状态变化，验证其基本逻辑功能。 - **级联两片74x161实现模256计数器**: 通过将一片计数器的进位输出(RCO)连接到另一片计数器的时钟输入(CLK)，从而实现模256计数器的设计。 - **实现模6和模10计数器**: 通过对74x161计数器的适当修改，如使用非门、或门等小规模逻辑门电路，设计出特定模值的计数器。 - **实现模60计数器**: 将两个不同模值的计数器级联起来，一个负责模6计数，另一个负责模10计数，最终通过适当的电路连接实现模60计数器。 **3. 实验原理详解** - **74x161计数器的逻辑功能**: - **Clock**: 时钟脉冲输入端，通常在上升沿触发计数操作。 - **CLEAR**: 异步清零端，当此端为低电平时，计数器会被清零。 - **LOAD**: 同步置数端，用于加载数据。 - **Enable P/Enable T**: 计数器工作状态控制端，用于控制计数器的工作模式。 - **D~A**: 数据输入端，用于同步置数操作。 - **RCO**: 进位信号输出端，用于级联多个计数器。 - **QD~QA**: 输出端，表示计数器的当前状态。 - **实验设计要点**: - **级联设计**: 通过将一个计数器的进位输出连接到下一个计数器的时钟输入来实现更高模值的计数器。 - **非门、或门等小规模逻辑门的应用**: 在设计特殊模值的计数器时，可以使用这些逻辑门来改变计数器的行为，例如在达到特定值时重置计数器。 - **组合逻辑设计**: 根据所需计数器的功能，设计合适的逻辑电路来满足需求。 **4. 实验器材** - 数字逻辑实验箱 - 74HC04（非门） - 74HC32（或门） - 74HC00（与非门） - 74HC86（异或门） - 74HC153（数据选择器、多路复用器） - 74HC161 计数器 2 片 **5. 实验步骤** - **查阅资料**: 查阅74x161的数据手册，了解其功能。 - **连接电路**: 根据实验内容连接输入和输出导线。 - **观察结果**: 观察指示灯的显示是否符合预期。 - **组合逻辑设计**: 设计输出的与或式，根据实验箱上的实际芯片进行逻辑表达式的变换。 - **测试功能**: 测试电路是否完成了相应的逻辑功能。 **6. 实验数据记录** - 对于每种计数器的设计，都需要记录实际的测试数据，并与理论值进行对比。 **7. 结论** 通过本次实验，学生不仅掌握了74x161计数器的基本功能和使用方法，还学会了如何利用该计数器和其他逻辑门设计出不同模值的计数器。此外，实验还锻炼了学生的实践能力和逻辑思维能力，为进一步学习更复杂的时序逻辑电路打下了坚实的基础。

### 电子科技大学计算机组成原理实验课1—实验3：Verilog组合逻辑设计 #### 实验概述 本次实验主要围绕组合逻辑电路的设计与实现展开，利用Verilog硬件描述语言结合ISE软件进行具体操作。通过三个典型实例——3-8译码器、4位并行进算加法器以及两输入4位多路选择器的设计与仿真，深入理解组合逻辑电路的工作原理及其在实际应用中的重要性。 #### 实验目的 1. 掌握使用ISE软件进行硬件电路设计的基本流程。 2. 熟悉Verilog语言，并能够运用其完成组合逻辑电路的设计。 3. 学会编写仿真测试代码，验证电路功能的正确性。 #### 实验内容详解 ##### 1. 3-8译码器的设计与实现 - **原理**：3-8译码器是一种常见的数字电路组件，用于将三位二进制输入转换为八个独立的输出线之一。当输入特定的三位二进制码时，对应的输出线被激活，其余输出线保持非活动状态。本次实验使用的74x138译码器是一种输出低有效的3-8译码器，即当输入有效时，输出端中仅有一个为低电平(0)，其他均为高电平(1)。 - **真值表**： | G1 | G2A_L | G2B_L | C | B | A | Y7_L | Y6_L | Y5_L | Y4_L | Y3_L | Y2_L | Y1_L | Y0_L | |----|-------|-------|---|---|---|------|------|------|------|------|------|------|------| | x | 1 | x | x | x | x | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | | 1 | x | 1 | x | x | x | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | | ...| ... | ... |...|...|...| ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... | - **函数表达式**： - \(Y0_L=(G \cdot C’ \cdot B’ \cdot A’)\) - \(Y1_L=(G \cdot C’ \cdot B’ \cdot A)\) - \(Y2_L=(G \cdot C’ \cdot B \cdot A’)\) - \(Y3_L=(G \cdot C’ \cdot B \cdot A)\) - \(Y4_L=(G \cdot C \cdot B’ \cdot A’)\) - \(Y5_L=(G \cdot C \cdot B’ \cdot A)\) - \(Y6_L=(G \cdot C \cdot B \cdot A’)\) - \(Y7_L=(G \cdot C \cdot B \cdot A)\) - **逻辑电路图**：根据上述函数表达式，绘制出3-8译码器的逻辑电路图。 ##### 2. 4位并行进位加法器的设计与实现 - **原理**：并行进位加法器是一种能够同时计算多位数字加法的组合逻辑电路。4位并行进位加法器由多个一位全加器级联而成，每个全加器接收两个输入位及一个来自低位的进位位，并产生一个输出位和一个新的进位位。本次实验中，进位生成函数和进位传递函数分别为\(G_n = A_nB_n\)和\(P_n=A_n+B_n\)。 - **函数表达式**： - 进位生成函数：\(G_n = A_nB_n\) - 进位传递函数：\(P_n=A_n+B_n\) - 进位信号：\(C_n=G_n+P_nC_{n-1}\) - 结果信号：\(S_n=C_{n-1}⊕(A_n⊕B_n)\) - **逻辑电路图**：根据以上公式，设计出4位并行进位加法器的逻辑电路图。 ##### 3. 两输入4位多路选择器的设计与实现 - **原理**：多路选择器是一种可以根据控制信号从多个输入中选择一个输出的组合逻辑电路。本实验中的2输入4位多路选择器有两条数据输入通道和一条控制信号输入，根据控制信号的不同选择一条数据通道作为输出。 - **真值表**： | D0 | D1 | S | Y | |----|----|---|---| | 0 | 0 | 0 | 0 | | 0 | 0 | 1 | 0 | | 0 | 1 | 0 | 0 | | 0 | 1 | 1 | 1 | | 1 | 0 | 0 | 1 | | 1 | 0 | 1 | 0 | | 1 | 1 | 0 | 1 | | 1 | 1 | 1 | 1 | - **函数表达式**：\(Y = S' \cdot D_0 + S \cdot D_1\) - **逻辑电路图**：根据上述真值表和函数表达式，绘制出两输入4位多路选择器的逻辑电路图。 #### 实验器材 - PC机 - Windows XP操作系统 - Xilinx ISE 14.7开发工具 #### 实验步骤 1. **建立新工程**：在ISE软件中创建新的工程项目。 2. **原理图或代码输入**：根据实验内容，使用Verilog语言编写相应的电路设计代码。 3. **设计仿真**：编写仿真测试代码，对电路进行功能验证。 #### 关键源代码 - **74X138 译码器** - **设计代码**：直接在ISE中输入3-8译码器的Verilog代码。 - **仿真测试代码**：编写测试代码，设置不同的输入值并观察输出变化。 - **仿真结果**：通过仿真结果分析译码器的功能是否正确。 - **4位并行进位加法器 74X283** - **设计代码**：使用Verilog语言编写4位并行进位加法器的代码。 - **仿真测试代码**：编写测试代码，验证加法器的功能正确性。 - **仿真结果**：通过仿真结果分析加法器的功能是否正确。 通过这次实验，学生不仅能够掌握Verilog语言的基本语法，还能深入了解组合逻辑电路的设计原理和工作方式，为进一步学习更复杂的数字系统设计打下坚实的基础。