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1、计算机组成原理实验的实现与研究作者：魏世康摘要：本文介绍了计算机组成原理课中的存储器、运算器、微程序控制器以及整机概念的理解。本文介绍了通过进行计算机组成原理实验的研究深入对计算机组成原理课中对上述概念的理解和利用现有设备开设设计性实验的研究。关键词：计算机组成原理，设计性，实验1引言计算机组成原理是计算机专业的一门核心课程,因为它在计算机类专业起着承上启下、软硬件兼容的重要作用。随着科学技术的发展,核心技术已经愈来愈集中在集成电路芯片和软件这两项技术,其中CPU和OS设计技术是最核心的两项技术。然而,我国在CPU和计算机系统设计方面十分落
2、后,具有成熟的自主知识产权的8bit/16bitCPU产品基本没有。而在实践方面:调研表明,国内除诸如中国科技大学、复旦大学、哈尔滨工业大学等少数高校十分重视计算机系统设计课程群建设,深入广泛地采用EDA技术与硬件描述语言完成实验和设计训练,并将计算机组成原理和计算机体系结构课的实验明确为CPU设计,其他大多数学校组成原理的实验是在一些由分立元件构成的实验平台,完成简单的验证式的单个功能的实验,最多是完成简单模型CPU的验证性实验。而《计算机组成原理》这门课是一门实践性很强的课程，综合性、设计性实验是这门课中的重要环节。本文就笔者实践过的三
3、次实验的方法与实现做扼要介绍。2实验内容简介运算器：以74LSl81运算器芯片为核心设计电路，能够实现多种运算，并能使用历史结果数据进行累计运算，运算结果可以使用LED灯来显示。1、基本功能：支持累加、支持有符号数和无符号数运算、支持补码加/减运算以及支持有符号数溢出检测。2、溢出检测：可以检测有符号加减法溢出、无符号加减发溢出并通过LED灯显示有无溢出.存储器：以RAM6116静态存储器芯片为核心采用各数据位分别异或产生写校验码，将写校验码与数据位异或生成读校验码。读写模式控制开关与读写操作控制开关求与非产生冲突报警信号和冲突处理信号的静
4、态半导体存储器。微程序控制器：先完成运算器的数据通路部分，在运算器部分能够正确完成各类运算的基础上，再增加存储器通路，并能通过带三态控制的数据开关，存入要用的初始数据。最终的结果能够在指示灯上显示。实验要求先将多个运算数据事先存入存储器中，再由地址选中，选择不同的运算指令，进行运算，并将结果显示，还可以进行简单的微程序控制，实现取数、加法、或操作等运算最后将最终结果写入到存储器中。本电路以运算和存储部分为核心，然后借助锁存信息部分实现累加，并观察运算结果是否正确。最后通过溢出检测部分判断是否有溢出。三次实验的具体设计思路一致，具体包括以下几
5、个部分：（1）根据实验原理以及运算规则，画出相应实验逻辑电路图（2）查阅资料，设计出实现各部分功能的元器件（3）掌握元器件性能，设计各个功能模块的实验电路图（4）处理好各个功能模块（时序、控制等关系），画出完整的实验电路图，并按照电路图在实验台上进行接线（注意美观、整齐、正确）（5）逐步调试电路，并用实际数据操作验证实验电路图及具体连线的正确性（6）整理出论文式的实验报告3实验方法为了尽快掌握控制信号的概念及综合设计的能力,并能灵活运用，而我们计算机组成原理实验的课时又十分有限的情况下，我们的实验主要采取了循序渐进的方法。第一个实验:运算器
6、系统实验。让学生学会如何把已给定的原理图变成逻辑表达式,并且用实际的门电路去实现它，实验侧重点放在画逻辑接线图上。第二个实验:存储器系统实验侧重点放在设计时序图上。它除了涉及数据线、地址线、控制线外,还涉及了控制器的一些基本概念。尽管上述实验称之为系统实验,但它仍没有实现整机实验,它的控制信号是局部的,不是由操作码产生的。为此,我们又开设了第三次实验,即运算器、存储器、控制器联调,即微程序控制器系统实验，实验侧重点放在了综合设计上。在原理课中微程序控制器及控制信号的基本概念也属于学生很难在课堂上理解弄懂的章节之一。而这几个系统实验都有一个较
7、突出的特点就是,它涉及原理课的知识面广且综合性、关联性强。因此,我们开设的原理实验课,既培养了学生们的动手、动脑能力,又能检验出其掌握理论知识的水平,同时也加深了他们对原理课的理解,并促使他们更加努力地学习原理课。老师提出的主要设计要求是完成取指令、分析指令、执行指令并且用单周期实现。其设计的主要步骤是:①制定指令系统,并确定操作码。②根据指令系统,再确定运算器以及控制器的硬件结构并粗略画出框图,同时选定芯片。③据框图结构画出时序表,同时画出每条指令的流程图。④后再画出实际的逻辑接式图(包括时序信号连线)。⑤完成系统接线。这三次实验循序渐进
8、，难度也一步步加大，而且实验的内容环环相扣，最后一次实验更是将前两次的实验完整的结合了起来并且加入了指令系统将我们在汇编语言和数字逻辑课程中学到的知识加以应用和升华。同学们都深感
