计算机组成原理实验复习纲要

【推荐笔记】

笔记 | 计算机组成原理实验知识小结

软件工程专业计算机组成原理实验下半部分小结

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【数字逻辑部分】

• 基本逻辑：与、或、非、与非、或非、异或

• 组合逻辑与时序逻辑的区别
组合逻辑电路的输出仅仅和当前输入有关，输出和输入是唯一对应的；
时序逻辑的输出不仅仅与当前状态有关，还与电路的先前状态有关。
现态（当前的状态Qn）和次态（输入发生变化后的输出状态Qn+1）

• 译码器工作原理
译码器的定义：将每一组编码序列信号转换为一个特定的输出信号。
译码器的工作原理：当某组编码进入输入端时，相应的译码线输出为低电平，与此同时，其他所有译码线输出保持为高电平。
译码器的输出端与输入端的数量关系为（:n，单进多出）

• 选择器工作原理
选择器的定义：在选择（地址）信号的控制下，从多路输入数据中选择其中的一路数据作为输出
多进单出

• 半加器与全加器
半加器：两个1位二进制数相加，求和及进位的逻辑电路，不考虑来自低位的进位
全加器：两个1位二进制数进行相加，并考虑来自低位的进位，求和及进位的逻辑电路

• 基本RS触发器工作原理



逻辑功能表：

R（RD）	S（SD）	状态
0	0	不定
0	1	置0
1	0	置1
1	1	保持





工作原理如上：①先讨论两个稳定状态②分析保持态，分为先前状态为高低两种情况③不定状态，Q与~Q同时为0.

• JK触发器和D触发器的工作特点
JK触发器可以进行翻转，比较适合于做计数器
D触发器不可翻转，适合做存储器；
逻辑功能表如下：

• 计数器工作原理，同步和异步计数器的区别
计数器是用来累计电路输入脉冲个数的时序电路。
计数器按照脉冲的输入方式可分为同步计数器（时钟脉冲接在所有的计数器上）和异步计数器（时钟脉冲不接在所有计数器上）
同步计数器的时钟脉冲接到所有的触发器CP端，各个触发器的翻转是同时进行的

• 任意进制计数器的设计方法
包括反馈清零法、反馈置数法以及级联法（实现在小芯片上实现大的置数）。

【组成原理部分】

• 计算机组成五大部件的作用
1. 运算器：执行各种算术运算和逻辑运算，对数据进行加工处理（处理各种算术和逻辑运算）
2. 控制器：负责指挥计算机内部所有部件的活动（控制器是计算机的核心部件，计算机的所有硬件都是在控制器的控制下，完成程序规定的操作。）
3. 存储器：计算机各种信息存储与交换的中心
4. 输入设备：把原始数据和程序输入到计算机中
5. 输出设备：输出计算机处理结果。

• 时序发生器的作用
把原始的时钟脉冲转换成节拍信号
计算机的工作是按照时序分步地执行。这就需要能产生周期节拍、脉冲等时序信号的部件，称为时序发生器。
环形脉冲：每一个节拍的下降沿就是下一个节拍的上升沿，彼此链接，循环往复

• 运算器、存储器、微程序控制器的组成原理
见附录/课本

• 通用寄存器和专用寄存器（AR、IR、PC）：中文名称、作用
R0：通用寄存器，存放临时数据和运算结果
AR：地址寄存器，存放当前正在执行的机器指令的地址
IR：指令寄存器，存放当前正在执行的机器指令
PC：程序计数器，存放下一条即将要执行的机器指令的地址

• 微程序控制器里的μIR、μAR的中文名称、作用
μIR：微指令寄存器，存放正在执行的微指令
μAR：微地址寄存器，存放下一条微指令的微地址

• 各部件相关的控制信号的作用：LD** 、 ？_B、（WR、RD、IOM）
LD**：管部件的进口，高电平有效
?_B：管部件的出口，低电平有效
IOM：IO设备与MEM设备的切换点，IOM=0，IO有效；IOM=1，MEM有效
WR与RD控制写与读，为1时执行相应操作
存储器与IO之间不可以进行数据之间的直接交换

• 实验过程中装载代码的目的是什么？
①往存储器中装程序和数据
②在控制存储器中装载微指令与微代码段

• 单节拍、单周期、单机器指令执行的区别
一周期（单周期）四拍（单节拍），
单节拍执行一条微命令，
单周期执行一条微指令
单机器指令执行会将一条机器指令执行完，

• 微指令24位格式，微指令代码表





MA：后继微地址（54）（3210）
C字段中的 P<1>为测试字位，其功能是根据机器指令及相应微代码进行译码，使微程序转入相应的微地址入口，从而实现完成对指令的识别，并实现微程序的分支。指令寄存器中的内容就是机器指令，指令译码的内容就是机器指令的高6位



不同机器指令进入会产生不同的微程序入口地址

• 微程序流程图的含义



一个矩形方框表示一条微指令，方框中的内容为该指令执行的微操作，右上角的数字是该条指令的微地址，右下角的数字是该条指令的后续微地址，所有微地址均用 16 进制表示。向下的箭头指出了下一条要执行的指令。P<1>为测试字，根据条件使微程序产生分支。
若后续微地址为01：这是本条机器指令的最后一条微指令，即将开始执行新的一条机器指令。

• 后续微地址如何产生（地址转移逻辑）？
T2 节拍微控器将后续微地址（下条执行的微指令的地址）打入微地址寄存器，当前微指令打入微指令寄存器，并产生执行部件相应的控制信号；如果测试位有效，T3（接受机器指令，将其写入指令寄存器中）、T4 节拍根据 T2 节拍产生的控制信号做出相应的执行动作，还要根据机器指令及当前微地址寄存器中的内容进行译码，使微程序转入相应的微地址入口，实现微程序的分支（T4）。

• 机器指令和微指令的关系：机器指令从哪里开始，到哪里结束，经历了哪几条微指令
（结合图）从01开始，到后续微地址为01时结束；注意分支指令不是微指令。
置 IN 单元数据为 00100011，按动 ST 按钮，当 MC 单元后续微地址显示为 000001 时，在 CON 单元的 SD27…SD20 模拟给出 IN 指令 00100000 并继续单步执行，当 MC 单元后续微地址显示为 000001 时，说明当前指令已执行完；在 CON 单元的 SD27…SD20 给出 ADD 指令00000000，该指令将会在下个 T3 被打入指令寄存器（IR），它将 R0 中的数据和其自身相加后送R0；接下来在 CON 单元的 SD27…SD20 给出 OUT 指令 00110000 并继续单步执行，在 MC 单元后续微地址显示为 000001 时，观查 OUT 单元的显示值是否为 01000110。
35是停机指令，陷入死循环。ADD：01、30、04、05四个周期执行完

• 如何创建或修改一条机器指令？
创建：创建一条机器指令，需要根据该机器指令在控制器中进行分析译码后，得到一个后续微程序的入口地址，以此产生新的微程序分支；再根据指令的要，用多个微指令将其完成，直至最后一个微指令的后续微地址为01，则完成指令设计。
修改：结合具体要求进行修改。

• 简述机器周期工作过程：取指令，分析指令，执行指令

• 运算器
运算器内部含有三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，要处理的数据存于暂存器 A 和暂存器 B，三个部件同时接受来自 A 和 B 的数据（有些处理器体系结构把移位运算器放于算术和逻辑运算部件之前，如 ARM），各部件对操作数进行何种运算由控制信号 S3…S0和 CN 来决定，任何时候，多路选择开关只选择三部件中一个部件的结果作为 ALU 的输出。如果是影响进位的运算，还将置进位标志 FC，在运算结果输出前，置 ALU 零标志。



在运算器中，T4节拍产生判进位与判零标志，同时也是A、B两个暂存器进口控制的节拍。
实验步骤：接线-》置数A-》置数B-》修改S3-S0、CN数值，观察运算结果

• 存储器
存储器是计算机各种信息存储与交换的中心。在程序执行过程中，所要执行的指令是从存储器中获取，运算器所需要的操作数是通过程序中的访问存储器指令从存储器中得到，运算结果在程序执行完之前又必须全部写到存储器中，各种输入输出设备也直接与存储器交换数据。把程序和数据存储在存储器中，是冯·诺依曼型计算机的基本特征，也是计算机能够自动、连续快速工作的基础。
6116芯片（2Kx8bit）构成MEM中的RAM（静态存储器）
在T3节拍给出读写控制逻辑（IOM/WR/RD）
地址寄存器为 8 位，接入 6116 的地址 A7…A0，6116 的高三位地址 A10…A8 接地，所以其实际容量为 256 字节。
RD、WR 高有效，MR 和 MW 低有效，LDAR 高有效。
实验步骤：接线-》给存储器不同地址写不同数据（先写地址【T3,LDAR=1】,再写数据【WR=1,RD=0,IOM=0】）-》读出存储器单元中内容

• 控制器
控制器是计算机的核心部件，计算机的所有硬件都是在控制器的控制下，完成程序规定的操作。控制器的基本功能就是把机器指令转换为按照一定时序控制机器各部件的工作信号，使各部件产生一系列动作，完成指令所规定的任务。
计算机的工作是按照时序分步地执行。这就需要能产生周期节拍、脉冲等时序信号的部件，称为时序发生器。
微程序控制器的作用：将当前指令的功能转换成可以控制的硬件逻辑部件工作的微命令序列，完成数据传送和各种处理操作。



主要部件：控存、微指令寄存器（判别测试P(C字段)、操作控制字段（B字段））、地址转移逻辑（对后续微地址进行修正转移）
严格按照系统时序来工作
T2 时刻打入微地址寄存器的内容即为下一条微指令地址，同时也将微指令放入微指令寄存器中。
T4时刻进行测试判别，转移条件满足后输出的负脉冲通过强置端将某一触发器置为“1”状态，完成地址修改

• 总线实验
总线是计算机中连接各个功能部件的纽带，是计算机各部件之间进行信息传输的公共通路。总线不只是一组简单的信号传输线，它还是一组协议。分时与共享是总线的两大特征。所谓共享，在总线上可以挂接多个部件，它们都可以使用这一信息通路来和其他部件传送信息。所谓分时，同一总线在同一时刻，只能有一个部件占领总线发送信息（但可以多个收），其他部件要发送信息得在该 部件发送完释放总线后才能申请使用。总线结构是决定计算机性能、功能、可扩展性和标准化程度的重要因素。
输入-》R0-》MEM存储器-》R0-》输出

• 模型计算机



PC是在T3节拍+1的（同时进行存储器的写）
哪一条微指令后面有判别测试（P<1>），则该微指令为公共取址指令