专业： 计算机科学与技术
指导教师： 许高攀。
计算机科学与技术系。
通过该课程设计的学习，总结计算机组成原理课程的学习内容，利用td－cma教学实验系统提供的软硬件操作平台掌握层次化设计方法、运用计算机组成原理知识，设计并实现一台完整的计算机，从而巩固课堂知识、深化学习内容、完成教学大纲要求，学好计算机科学与技术的专业基础课。
本课程设计的题目分为必做题和选做题。必做题是每个学生都得掌握的题目，必做题到时用抽签的方式决定每个学生的考核题目，必做题主要是考核学生对计算机的基本组成部件的掌握情况，明白所的实验目的，能说出其基本原理和工作方式，有自己的见解，达到理解的程度；选做题是每个学生任选其中一个题目就可以了，目的是在搞清楚计算机基本组成的情况下，能够有所提高对计算机整机的认识。
必做题：1. 基本运算器的实验。
2. 存储器读写实验。
3. cache控制器设计。
4. 微程序控制器设计。
5. 硬布线控制器设计。
6. 简单模型机设计。
选做题：1. 精简指令计算机系统设计（1-10）
2. 复杂指令计算机系统设计（11-20）
3. 重叠处理机设计(21-30)
4. 流水线处理机设计(31-40)
5. 带中断处理的模型机设计(41-60)
利用所学过的理论知识，特别是微程序设计的思想，写出要设计的指令系统的微程序。设计环境为td－cma计算机组成原理实验系统和cop2000计算机组成原理实验系统、微机、虚拟软件。将所设计的微程序在此环境中进行调试，并给出测试思路和具体程序段，最后撰写出符合要求的课程设计说明书，完成答辩。
必选题：1. 基本运算器的实验。
运算器的基本功能是进行算术运算和逻辑运算，该实验旨在验证运算器的组成部件和工作原理。
2. 存储器读写实验。
存储器是计算机主机的重要组成部分，它的两个基本操作是存储器读操作和存储器写操。该实验旨在掌握存储器的读写时序和存储器的基本组成。
3. cache控制器设计。
cache是为了解决存储器与cpu速度差异过大而设置的。该实验旨在验证cache与主存之间的地址映射问题，还有cache与主存之间的传送方式，相联存储器的表的容量问题。
4. 微程序控制器设计。
该指令系统能够实现数据传送，进行加、减运算和无条件转移，具有寄存器寻址、寄存器间接寻址、存储器直接寻址、立即数寻址等四种寻址方式。
5. 硬布线控制器设计。
依据硬布线控制器的原理设计八条指令，写出每条指令的方框图，并依据td－cma硬布线的模型机指令每个机器周期哪个信号有效，修改硬件语言描述文件并进行编译，修改完后再**到扩展板中进行测试。
6. 简单模型机设计。
指令系统至少要包括六条不同类型的指令：如一条输入指令，一条减法指令，一条加法指令，一条存数指令，一条输出指令和一条无条件转移指令。
基于td-cma计算机组成原理教学实验系统，设计一个简单的计算机整机系统模型机，分析其工作原理。根据模型机的数据通路以及微程序控制器的工作原理，设计完成以下几条机器指令和相应的微程序，输入程序并运行。
in r0; in->r0
sub 0dh; r0-[0dh]->r0,直接寻址。
shl r0;将r0寄存器中的内容逻辑左移。
sta 0eh,r0;r0－>[0eh]，直接寻址。
lda ofh,r0; [0fh]->r0,直接寻址。
lop:dec r0;r0-1->r0
bzc exit; 当fc或fz为1时，转到exit
jmp lop
exit:out oeh,r0;[0eh]->led,直接寻址。
odh、oeh、ofh单元内容分别为03h、04h、02h.
任选题：1.精简指令计算机系统设计。
设计不少于8条指令的指令系统。其中，包含算术逻辑指令，访问内存指令，程序控制指令，输入输出指令，停机指令。
基于td-cma计算机组成原理教学实验系统，设计一个精简指令计算机整机系统模型机，分析其工作原理，让所设计的指令尽量在一个机器周期内完成。根据模型机的数据通路以及微程序控制器的工作原理，设计完成以下几条机器指令和相应的微程序，输入程序并运行。
in r0; in->r0
sub 0dh; r0-[0dh]->r0,直接寻址。
shl r0;将r0寄存器中的内容逻辑左移。
sta 0eh,r0;r0－>[0eh]，直接寻址。
lda ofh,r0; [0fh]->r0,直接寻址。
lop:dec r0;r0-1->r0
bzc exit; 当fc或fz为1时，转到exit
jmp lop
exit:out oeh,r0;[0eh]->led,直接寻址。
odh、oeh、ofh单元内容分别为04h、05h、06h.
2. 复杂指令计算机系统设计。
设计不少于10条指令的指令系统。其中，包含算术逻辑指令，访问内存指令，程序控制指令，输入输出指令，停机指令。重点是要包括直接、间接、变址和相对寻址等多种寻址方式。
基于td-cma计算机组成原理教学实验系统，设计一个复杂计算机整机系统模型机，分析其工作原理。根据模型机的数据通路以及微程序控制器的工作原理，设计完成以下几条机器指令和相应的微程序，输入程序并运行。
in r1，00h; 从端口00（in单元）读入数据送r1
ldi r2,0fh;将立即数ofh装入r2
and r1,r2;r1*r2－>r1
sta [10h],r1;r1->[10h]],间接寻址。
out 40h,10h；10h单元的内容在out单元显示，直接寻址。
dec 12h；12h单元内容减1，直接寻址。
lop:bzc exit;
jmp lop;
exit:hlt
10h、12h单元内容分别为12h、03h
3. 重叠处理机设计。
一条指令的执行过程可以分为多个阶段，一般可以把它们归并为取指令、分析和执行三个阶段。其中，“取指令”就是按指令计数器的内容访问主存储器，取出一条指令送到指令寄存器。“分析”是指对指令的操作码进行译码，按照给定的寻址方式和地址字段中的内容形成操作数的地址，并用这个地址读取操作数，操作数可能在主存储器中，也可能在寄存器中。
“执行”是根据操作码的要求，完成指令规定的功能，在此期间，要把运算结果写到寄存器或主存储器中。下面为了便于分析，把指令的执行过程分为两个步骤：取指令、分析和执行。
重叠执行方式。指在解释第k条指令的操作完成之前，就可开始解释第k+1条指令。
采用重叠控制方式的主要优点有两个，一个是缩短了程序的执行时间，另一个是功能部件的利用率明显提高，主存储器基本上处于忙碌状态。缺点是需要增加一些硬件，控制过程也复杂一些。
本实验设计的模型机指令分为两大类，由于所设计的指令格式中操作码有四位，可以设计十六条不同的指令，我们给出其中常用的八条指令的设计，有兴趣的读者可以通过在此模型机的基础上扩充指令来构建自己的模型机。模型机指令格式如下，其中括号中的1表示指令的第一字节，2表示指令的第二字节，op-code为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，p为操作目标的地址，占用一个字节。
单字节指令（mov、add、not、and、or）格式如下：
其中，op-code为操作码，rs为源寄存器，rd为目的寄存器，并规定：
双字节指令（in、out、jmp）格式如下：
根据上述指令格式，表1列出了本模型机的八条机器指令的具体格式、汇编符号和指令功能：
表1 本模型机的八条机器指令的具体格式、汇编符号和指令功能。
系统采用外设和主存储器统一编码的编址方式，译码单元由采用地址总线高两位作二四译码来实现，原理图如图所示。
由于采用地址总线的高两位进行译码，i/o地址空间被分为四个区，如表2所示：
表2 i/o地址空间。
其中00-3f分配给主存储器，40-7f分配给输入设备，80-bf分配给输出设备，c0-ff留做扩展。
4. 流水线处理机设计。
流水可以看作是重叠的引申，一次重叠是一种简单的指令流水线。一次重叠是把一条指令分解为“分析”和“执行”两个子过程，这两个子过程分别在执行分析部件和指令执行部件中完成。如图3.
1-1所示。由于在指令分析部件和指令执行部件的输出端各有一个锁存器，可以分别保存指令分析和指令执行的结果，因此，指令分析和指令执行部件可以完全独立并行地工作，而不必等一条指令的“分析”、“执行”子过程都完成之后才送入下一条指令。分析部件在完成一条指令“分析”并将结果送入指令执行部件的同时，就可以开始分析下一条指令。
上图中如果指令分析部件分析一条指令所用的时间△t1与指令执行部件执行一条指令所用的时间△t2相等，即△t1=△t2=△t，就一条指令的解释来看还是需要2△t，但是从机器的输出来看，每过△t就有一条指令执行完成。因此，机器执行指令的速度提高了一倍。
如果把“分析”子过程再细分成“取指令”、“指令译码”和“取操作数”3个子过程，并加快“执行”子过程，使4个子过程都能独立地工作，且经过的时间都是△t。如图3.1-2（a）所示，则可以描述出流水的时空图如图3.
1-2（a）。
在时空图中，横坐标表示时间，也就是输入到流水线中的各个任务在流水线中所经过的时间。纵坐标表示空间，即流水线的各个子过程。在时空图中，流水线的一个子过程通常成为“功能段”。
从时空图中，可以很清楚的看出各个任务在流水线的各段中的流动的过程。从横坐标方向看，流水线中的各个功能部件逐个连续地完成自己的任务；从纵坐标看，在同一时间段内有多个功能段在同时工作。
在上面的流水线中，对于“取指令”、“指令译码”、“取操作数”、“执行”每个子过程都需要△t时间完成，这样，虽然完成一条指令所需的时间还是一个t，但是每隔一个△t（t/4）时间就会一条指令结果输出，这样的执行效率比顺序方式提高了3倍。
采用流水线方式的处理机与传统的顺序执行方式相比，具有如下特点：
1．流水线中处理的必须是连续的任务，只有连续不断地提供任务才能发挥流水线的效率。流水线从开始启动到流出第一个结果需要一个“装入时间”，在这段时期内并没有流出任何结果，所以，对第一条指令来说，和顺序执行没有区别。
2．在流水线每个功能部件的后面都要有一个缓冲寄存器，用于保存本段的执行结果，以保证各部件之间速度匹配及各部件独立并行的运行。
3．流水线是把一个大的功能部件分解为多个独立的功能部件，并依靠多个功能部件并行工作来缩短程序执行时间。流水线中各段的执行时间应尽量相等，否则将引起“堵塞”、“断流”等。执行时间最长的一段将成为整个流水线的“瓶颈”，在流水线中应尽量解决“瓶颈”。
课程设计指导书
2014年春季学期。沈阳城市建设学院。课程设计名称单向板肋梁楼盖设计 适用年级 专业 安全12级。指导教师 张晚来 田悦。2014 年 6 月 1 日。一 基本思路 此课程设计必须是在已学 土木工程结构 有关章节的基础下进行的，所以在设计前要通读教材中 受弯构件承载力计算 和 钢筋混凝土梁板结构设计...
课程设计指导书
暖通空调 空调部分。集美大学机械工程学院。制冷空调教研室。2007年12月。暖通空调 空调部分课程设计指导书。一 题目。北京市某综合大楼空调系统设计。二 建筑资料。1.该大楼各层建筑平面图。2.建筑参数 该建筑共分为三部分 地下室为空调机房和车库。一至二层为商场，层高5米。梁高0.6米。三至六层为客...
课程设计指导书
材料成型工艺课程设计指导书。本课程设计包括以下内容 一 编制焊接工艺规程 二 编制焊接工艺卡片 三 编制装配工艺过程卡片 四 设计焊接工装夹具。一 编制焊接工艺规程 按行业标准 1 范围。2 规范性引用文件。3 焊接工艺规程内容。3.1 材料。3.1.1 母材。3.1.2 焊接材料。3.2 主要设备...