计算机组成原理课程设计(模型机)

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1、模型机详细介绍1.模型机的结构模型机主要由运算器、控制器、存储器、数据总线、输入输出和时序产生器组成，模型机的结构图如图1所示。图1模型机结构图（1）运算器。运算器又由运算逻辑单元、数据暂存器、通用寄存器组成。在图1模型机的结构图中，ALU、ALU_G和74299组成运算逻辑单元，其中ALU是由2个4位的74LS181串联成8位的运算器，ALU_G是ALU-G实现用于控制ALU的运算结果的输出，74299用74LS299实现用于对ALU的运算结果进行移位运算；数据暂存器在图1中由DR1和DR2组成，DR1和DR2都是用74LS273实现，它们用于存储运算器进行运算的两个操作数；

2、通用寄存器在图1中由R0、R1和R2组成，R0、R1和R2都是用74LS374实现，它们用作目的寄存器和源寄存器。（2）控制器。控制器由微程序控制器、指令寄存器、地址寄存器和程序计数器组成。在图1中微程序控制器表示为MControl，它里面存放了指令系统对应的全部微程序，微程序控制器是由微控制存储器和3个138译码器实现（A138、B138和P138），用于产生控制信号来控制各个组件的工作状态；在图1中指令寄存器表示为IR，指令寄存器由一个74LS273实现，用于存放当前正在执行的指令；在图1中地址寄存器表示为AR，地址寄存器由一个74LS273实现，在读取或者写入存储器时用于

3、指明要读取或写入的地址；程序计数器在图1中由PC_G和PC组成，其中PC是由八位二进制同步计数器实现，用于产生程序指针pc的下一个值，PC_G由PC-G实现，用于存储程序的程序指针pc的值。（1）存储器。存储器在图1中表示为MEN，存储器用静态随机存储器6116实现，用来存储用户程序和数据。（2）数据总线。数据总线用于连接运算器、存储器、输入输出等模块，数据总线由ccp_DataBus实现。（3）输入输出。输入输出类似于键盘和显示器。（4）时序产生器。在图1中T1、T2、T3和T4等控制信号都是由时序产生器生产，时序产生器由时序电路实现如图2所示，时序产生器一个周期中产生四个脉

4、冲信号T1~T4，这四个脉冲信号用于控制组件的执行顺序，组件在这些信号的控制下有序的执行，一个周期中完成一条微指令的执行。图2时序产生器2.模型机的工作过程模型机的工作过程可以归纳如下：(1)控制器把PC中的指令地址送往地址寄存器AR，并发出读命令。存储器按给定的地址读出指令，经由存储器数据寄存器MDR送往控制器，保存在指令寄存器IR中。(2)指令译码器ID对指令寄存器IR中的指令进行译码，分析指令的操作性质，并由控制电路向存储器、运算器等有关部件发出指令所需要的微命令。(3)当需要由存储器向运算器提供数据时，控制器根据指令的地址部分，形成数据所在的存储单元地址，并送往地址寄存

5、器AR，然后向存储器发出读命令，从存储器中读出的数据经由存储器数据寄存器MDR送往运算器。(4)当需要由运算器向存储器写入数据时，控制器根据指令的地址部分，形成数据所在的存储单元地址，并送往存储器地址寄存器AR，再将欲写的数据存入存储器数据寄存器MDR，最后向存储器发出写命令，MDR中的数据即被写入由MAR指示地址的存储单元中。(5)一条指令执行完毕后，控制器就要接着执行下一条指令。为了把下一条指令从存储器中取出，通常控制器把PC的内容加上一个数值，形成下一条指令的地址，但在遇到“转移”指令时，控制器则把“转移地址”送入PC。控制器不断重复上述过程的(1)到(5)，每重复一次，

6、就执行了一条指令，直到整个程序执行完毕。3.中央处理器中央处理器（CPU）是计算机系统的核心组成部件，它通常包括控制器和运算器两大部分。CPU所能完成的基本功能是读取并执行指令。这里将中央处理器作为一个整体来讨论。介绍了中央处理器的功能、计中央处理器的组成、指令周期。1）中央处理器的功能计算机必须要有一个控制并执行指令的部件，该部件不仅要与计算机的其他功能部件进行信息交换，还要能控制它们的操作，这个部件就是中央处理器（CPU）。CPU硬件组织所完成的基本功能是：读取并执行指令。对于整个计算机系统，它有如下几方面功能：（1）指令控制：控制指令按一定顺序执行。（2）操作控制：控制其

7、他功能部件按指令要求进行操作。（3）时间控制：整个计算机系统程序的执行及各种操作实施都在严格的时间控制下有条不紊地自动工作。（4）数据加工：对数据进行各种运算。2）中央处理器的组成根据计算机对CPU的要求，CPU必须做如下事情：（1）取指令：读取某一主存单元的内容，并将其装入CPU的某个寄存器中。（2）解释指令：对指令进行译码，以确定所需要的动作。（3）取数据：一条指令的执行可能要求存储器或I/O模块读取数据。（4）处理数据：一条指令的执行可能要求对数据完成某些算术或逻辑运算。（5）写数据：