计算机组成原理论文3000字

计算机系统结构是计算机专业本科生的一门专业必修课程。课程的目标是提高学生从系统和总体结构的层次来理解和研究计算机系统的能力。下面是我给大家推荐的计算机系统结构论文范文，希望大家喜欢!

《计算机系统结构教学探索》

摘要：计算机系统结构是计算机专业的一门专业基础课，本文根据计算机结构的课程特点，从教学方法、教学手段、实践环节方面，提出以学生为主体，利用多媒体教学等手段来提高学生的学习兴趣和主动性，从而提高了学习效果。

关键词：计算机系统结构动画演示法联系比较法实践环节

0 引言

计算机系统结构是计算机专业本科生的一门专业必修课程。课程的目标是提高学生从系统和总体结构的层次来理解和研究计算机系统的能力，帮助学生建立整机系统的概念;使学生掌握计算机系统结构的基本知识，原理和性能评价的方法，了解计算机系统的最新发展。使学生领会系统结构设计的思想和方法、提高分析和解决问题的能力。但是在教学中一直存在教学内容中原理和概念较多，综合性强，比较抽象，难学难懂，实验的硬件条件缺乏，学生学习兴趣等不高问题。笔者在多年的教学过程中，不断吸取其它高校的教学经验，对计算机系统结构教学进行改进和总结。

1 课程的内容和特点

1.1 课程内容

计算机系统结构课程本科教学时长安排为50学时，实验为22学时。根据国内外其它院校的教学思路，结合对计算机人才知识结构的要求，课程内容包括概论;指令系统;输入输出系统;存储体系;流水线技术;并行处理机;多处理机和课程实习。重点讲授内容为存储体系和指令级并行技术，存储系统是体系结构设计中的瓶颈问题，是系统成败的关键;指令级并行技术为计算机体系结构中的经典问题流水线、并行性等设计。而对并行计算机，多处理机只作简单介绍。从而突出了基本知识，注意和先修课程内容的贯通。

1.2 课程特点

(1)综合性强。计算机系统结构开设在第7学期，先修课程有：汇编语言程序设计、数据结构、计算机组成原理、操作系统、编译原理等课程。教学中要求学生综合应用各课程知识，教学难度较大。(2)理论性强。内容抽象复杂，概念多，学生感到学习难度大，教学处理不好的话，学生的学习积极性不高。(3)缺乏实验环境，学生无法获得对计算机系统结构性能改进的直观认识。由于大多数高校硬件条件不满足，故许多高校在开设这门重要课程时，仅仅停留在理论讲授上，相应的实践教学是空白，学生面对枯燥理论，学习兴趣缺乏，不利于提高教学质量。

2 教学的探讨

根据本课程的特点，教学大纲的要求，从培养学生能力的目标出发，明确目标，积极引导学生，采取动画演示、联系比较、启发式教学法，加强实践教学，提高了学生学习的兴趣和主动性，从而有效地提升了教学效果。

2.1 明确学生的认识

要想提高学生的学习的主动性，首先要让学生明确该课程的重要性。一部分学生认为该课程与计算机组成原理，操作系统等课程存在一定的重叠，认为只是前面知识的重复。另一部分学生由于面临就业和考研压力，只求通过考试而忽略能力的培养。针对第一部分在学习本课程时阐明该课程与其它课程的关系和区别。计算机组成原理从硬件系统方面来解释计算机各组成部分的工作原理。而计算机系统结构跨越了硬件和软件层次，让学生理解计算机系统结构的基本原理，这样编程时才能考虑更周全，编写更加高效的程序。针对第二部分学生让其认识到学习不只是为了考试，我们不仅要提高程序和系统的开发设计能力，还应提高从总体的架构去分析和解决问题的能力。

2.2 明确教学目标

计算机系统结构就是通过采用不同的软硬件技术设计高性价比的计算机系统，面临硬件性能达到极限，我们主要从存储系统、指令系统、指令并行性来分析和评价计算机系统设计，使学生理解计算机性能的提高的方法。例如， 提高CPU计算速度可以采用方法： 一种是提高处理器的主频;第二种方法是提高指令执行的并行度，当前CPU中都采用超标量超流水线技术，流水线结构其实就是一种提高并行度的方法。CPU不像以前通过提升主频来提升速度，因为硬件速度的提高是有限的，最大只能是光速，所以CPU还通过多核的技术来提升速度。这样，学生在学习时运用所学的知识来分析，有利于培养他们发现问题、分析问题、解决问题的能力。

2.3 采取合理的教学方法和教学手段

(1)动画演示。教学中采用大量的动画来系统解析教学内容，包括系统的结构、工作的原理、工作流程以及一些算法等，把以往抽象、枯燥的解说变为形象生动的动画动态展示和讲解。这些动画动态的把讲解内容展现在学生面前，突出知识的核心思想和关键知识点，容易理解和提升学习的兴趣。(2)联系比较法。把本课程中的一些概念、策略和思想与现实生活中的事例进行联系比较，如与生产流水线相联系。目的是使学生更好地理解和掌握教学内容，抓住关键思想，联系实际，从而提高了教学效果。(3)启发式教学法。由于高年级学生都有很好的自学能力，在教学中积极地根据学习的内容提出一些问题，让学生通过查阅资料，讨论学习某个问题。如RISC和CISC相比较，在理论上RISC处理器占有优势，但在实际微处理器中主要是CISC处理器;计算机处理器的发展提高到一定的主频后，主要过多核设计来提升CPU性能等。极大地提高了学生的学习的兴趣和积极性。

2.4 加强实践教学

国内外高校计算机系统结构的实验一般分为偏重软件的程序员角度和偏重硬件设计人员角度。计算机科学专业开设的实验课程一般偏重软件人员，强调从程序员的角度去了解整个计算机系统如何运行，为程序的优化，可靠性的保证等提供基础知识，实验课程一般用高级程序语言和模拟器实现。而计算机工程专业开设的实验课程一般偏重硬件，强调从硬件设计人员的角度如何设计和实现整个处理器系统，实验课程要求用相关的硬件描述语言实现系统，在FPGA上测试验证。①我们是偏重于软件的，为了让学生应用流水线技术，尝试改进流水线性能的新技术，提高学生对现代计算机系统的认识，引进了DLX虚拟处理器实验。利用DLX虚拟处理器可以进行处理器指令系统的设计，流水线的设计与实现、并行处理的设计与实现等带有新一代处理器思想和技术的实验。从而充分调动学生的能动性，提高了学生的学习兴趣，以及分析问题、解决问题的能力。

3 结束语

本课程具有内容综合性强、理论多、难度大等特点，教师对课程明确教学目标和定位的基础上，重视教学方法和多媒体手段，加强了实践教学，积极引导学生，提高了学生对本课程的兴趣，达到了较好的教学效果。

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组成原理课程设计论文

当代，论文常用来指进行各个学术领域的研究和描述学术研究成果的文章，简称之为论文。它既是探讨问题进行学术研究的一种手段，又是描述学术研究成果进行学术交流的一种工具。它包括学年论文、毕业论文、学位论文、科技论文、成果论文等。接下来我为你带来组成原理课程设计论文，希望对你有帮助。

一、 实验名称：运算器实验

二、 实验目的：

1.学习数据处理部件的工作方式控制。 2. 学习机器语言程序的运行过程。

三、 实验原理：

CP226实验仪的运算器由一片CPLD实现，包括8种运算功能。运算时先将数据写到寄存器A和寄存器W中，根据选择的运算方式系统产生运算结果送到直通门D。

实验箱上可以向DBUS送数据的寄存器有：直通门D、左移门L、右移门R、程序计数器PC、中断向量寄存器IA、外部输入寄存器IN和堆栈寄存器ST。它们由138译码器的

四、 实验内容：

1. 计算37H+56H后左移一位的值送OUT输出。 2. 把36H取反同54H相与的值送人R1寄存器。

五、 实验步骤：

实验内容(一):

1. 关闭电源。用8位扁平线把J2和J1连接。

2. 用不同颜色的导线分别把K0和AEN、K1和WEN、K2和S0、K3和S1、K4和S2、

K6和X0、K7和X1、K8和X2、K9和OUT连接。 3. K15～K0全部放在1位，K23 ~K16放0位。

4. 注视仪器，打开电源，手不要远离电源开关，随时准备关闭电源，注意各数码管、

发光管的稳定性，静待10秒，确信仪器稳定、无焦糊味。 5. 设置实验箱进入手动模式。

6. 设置K0=0，K8K7K6=000，K23 ~K16=0011 0111。 7. 按下STEP键，在A寄存器中存入37。 8. 设置K0=1，K1=0，K23 ~K16=0101 0110。 9. 按下STEP键，在W寄存器中存入56。

10. 设置K0=1，K1=1，K8K7K6=110，K4K3K2=000。 11. 按下STEP键，L寄存器显示1A。 12. 设置K9=0,其他保持不变。

13. 按下STEP键，OUT寄存器显示1A。 14. 关闭实验箱电源。

实验内容(二):

1. 基本与实验内容(一)的前5个步骤相同(去掉连接OUT寄存器的导线)。 2. 连接K10和SA,K11和SB，K12和RWR。

3. 设置K0=0，K8K7K6=000，K23~K16=0011 0110。 4. 按下STEP键，A寄存器显示36。 5. 设置K8K7K6=100，K4K3K2=110。 6. 按下STEP键，A寄存器显示9C。

7. 设置K1K0=01，K8K7K6=000，K4K3K2=111，K23~K16=0100 0101。 8. 按下STEP键，W寄存器显示45。

9. 设置K1K0=11，K8K7K6=100，,4K3K2=011，K10K11=10，K12=0。 10. 按下STEP键，D寄存器和R1寄存器显示40。 11. 关闭实验箱电源。

六、 实验结论：

实现数据处理部件的工作方式控制和机器语言程序的运行过程。

七、 体会：

通过本次试验，我对运算器实验了解更深了并进一步巩固了第一周所学的内容。

八、 思考题：

如何计算3456H+12EFH的值？ 答：

通过CP226实验仪，把S2S1S0设置为100，可以使用带进位加法运算。由于是四位16进制，可以把它拆开，从个位开始计算，一位一位向上计算通过带进位加法器，即算(64H*64H+64H*10H*3H+64H*3H+10H*9H+8h)+(64H*10H*4H+64H*8H+10H*4H+7H)

【实验环境】

1. Windows 2000 或 Windows XP

2. QuartusII、GW48-PK2或DE2-115计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。

【实验目的】

1、熟悉原理图和VHDL语言的编写。2、验证全加器功能。

【实验原理】

设计一个一位全加器，能完成两个二进制位的加法操作，考虑每种情况下的进位信号，完成8组数据的操作。

【实验步骤】

1.1建立工程项目

1.1.4  原理图设计

新建项目后，就可以绘制原理图程序了。下面以一位全加器如图1-12所示为例，讲解原理图的编辑输入的方法与具体步骤。

图1-12 一位全加器原理图

（1）执行菜单“File”→“New…”，或在工具栏中单击图标，弹出如图1-13所示的“New”对话框。在此对话框的“Design Files”项中选择“Block Diagram/Schematic File”，在单击“OK”按钮，QuartusⅡ10.0的主窗口进入如图1-14所示的原理图工作环境界面。

图1-13 “New”对话框

（2）在如图1-14所示的原理图工作环境界面中单击图标或在原理图编辑区的空白处双击鼠标或在原理图编辑区的空白处右键单击在弹出的菜单中选择“Insert”中的任意一个，弹出如图1-15所示的元件输入对话框，在“Name”栏中直接输入所需元件名或在“Libraries: ”的相关库中找到合适的元件，再单击“OK”按钮，然后在原理图编辑区中单击鼠标左键，即可将元件调入原理图编辑区中。为了输入如图1-12所示的原理图，应分别调入and2、xor2、or3、input、output。对于相同的器件，可通过复制来完成。例如3个and2门，器操作方法是，调入一个and2门后，在该器件上单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“Copy”命令将其复制，然后在合适的位置上右键，在弹出的菜单中选择“Paste”命令将其粘帖即可。1

图1-14 原理图工作环境界面

图1-15 元件输入对话框

如果元件放置好后，需要改元件的位置时，对于单个器件而言，在该器件上按住鼠标左键，拖到合适的位置后再松开鼠标左键即可；对于多个器件而言，应该按下鼠标左键框选需要移动的所有器件，然后将光标移动到选择的器件上，待光标变成可移动的“十”字光标，此时按住鼠标左键将其拖到合适的位置即可。

如果要删除元件时，应先将元件选中，然后按“Del”键或右键在弹出的菜单中选择“Del”。

如果要旋转元件时，应先将元件选中，然后右键在弹出的菜单中可选“Filp Horizontal”(水平翻转)、“Filp Vertical”(垂直翻转)、“Rotate by Degrees”(逆时针方向旋转，可选90°、180°、270°)等命令。

（3）将光标指向元件的引脚上，光标变成“十”字形状，按下鼠标左键并拖动，就会有导线引出，连接到另一端的元件上后，松开鼠标左键，即可绘制好一根导线，按此方法绘制好全部导线，如图1-16所示。

2

图1-16 导入元件和绘制导线（注意：用鼠标拖出的导线只能最多转一个弯）

图1-17 修改引脚名对话框

（4）双击或右键单击“pin_name”输入引脚，将弹出如图1-17所示的对话框。在此对话框的“Gerneral”页的“Pin name(s) ”项中输入引脚名，如：S，然后单击“确定”按钮，即可将“pin_name”输入引脚名改为“S”。按此方法依次修改其他引脚。修改后如图1-16所示。

（5）执行菜单命令“File”→ “Save…”，或在工具栏中单击

名并单击“保存”按钮即可（此时最好不要更改存储路径）。

图标，弹出“Save AS”对话框，在此对话框中输入文件

2.1 顶层VHDL文件设计

2.1.1  创建工程和编辑设计文件

首先建立工作库，以便设计工程项目的存储。任何一项设计都是一项工程（Project），都必须首先为此工程建立一个放置与此工程相关的所有文件的文件夹，此文件夹将被EDA软件默认为工作库（Work Library）。

在建立了文件夹后就可以将设计文件通过QuartusII的文本编辑器编辑并存盘，详细步骤如下：

1、新建一个文件夹。利用资源管理器，新建一个文件夹,如：e : eda 。注意，文件夹名不能用中文。

2、输入源程序。打开QuartusII，选择菜单“File”“New”，在New窗中的“Device Design Files”中选择编译文件的语言类型，这里选“VHDL Files”（如图2-1所示）。然后在VHDL文本编译窗中键入VHDL程序（如图2-2所示）。3

图2-1 选择编辑文件的语言类型

图2-2编辑输入设计文件（顶层设计文件ADD1.VHD）

图2-3利用“New Preject Wizard”创建工程

一、 实验目的与要求

(1) 掌握Cache 控制器的原理及其设计方法。

(2) 熟悉CPLD 应用设计及EDA 软件的使用。

二、 实验设备

PC 机一台，TD-CM3+或TD-CMX 实验系统一套。

三、 实验原理

本实验采用的地址变换是直接映象方式，这种变换方式简单而直接，硬件实 现很简单，访问速度也比较快，但是块的冲突率比较高。其主要原则是：主存中一块只能映象到Cache 的一个特定的块中。

假设主存的块号为B，Cache 的块号为b，则它们之间的映象关系可以表示 为：b = B mod Cb

其中，Cb 是Cache 的块容量。设主存的块容量为Mb，区容量为Me，则直接 映象方法的关系如图2-2-1 所示。把主存按Cache 的大小分成区，一般主存容量为Cache 容量的整数倍，主存每一个分区内的块数与Cache 的总块数相等。直接映象方式只能把主存各个区中相对块号相同的那些块映象到Cache 中同一块号的那个特定块中。例如，主存的块0 只能映象到Cache 的块0 中，主存的块1 只能映象到Cache 的块1 中，同样，主存区1 中的块Cb（在区1 中的相对块号是0）

也只能映象到 Cache 的块0 中。根据上面给出的地址映象规则，整个Cache 地址与主存地址的低位部分是完全相同的。

直接映象方式的地址变换过程如图2-2-2 所示，主存地址中的块号B 与Cache 地址中的块号b 是完全相同的。同样，主存地址中的块内地址W 与Cache 地址中的块内地址w 也是完全相同的，主存地址比Cache 地址长出来的部分称为区号E。

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在程序执行过程中，当要访问 Cache 时，为了实现主存块号到Cache 块号的变换，需要有一个存放主存区号的小容量存储器，这个存储器的容量与Cache 的块数相等，字长为主存地址中区号E 的.长度，另外再加一个有效位。

在主存地址到Cache 地址的变换过程中，首先用主存地址中的块号去访问区号存储器（按地址访问）。把读出来的区号与主存地址中的区号E 进行比较，根据比较结果和与区号在同一存储字中的有效位情况作出处理。如果区号比较结果相等，有效位为‘1’，则Cache 命中，表示要访问的那一块已经装入到Cache 中了，这时Cache 地址（与主存地址的低位部分完全相同）是正确的。用这个Cache 地址去访问Cache，把读出来的数据送往CPU。其他情况均为Cache没有命中，或称为Cache 失效，表示要访问的那个块还没有装入到Cache 中，这时，要用主存地址去访问主存储器，先把该地址所在的块读到Cache 中，然后CPU 从Cache 中读取该地址中的数据。

本实验要在CPLD 中实现Cache 及其地址变换逻辑（也叫Cache 控制器），采用直接相联地址变换，只考虑CPU 从Cache 读数据，不考虑CPU 从主存中读数据和写回数据的情况，Cache和CPU 以及存储器的关系如图2-2-3 所示。

Cache 控制器顶层模块如图2-2-4 所示，主存地址为A7A0,共8 位，区号E 取3 位，这样Cache 地址还剩5 位，所以Cache 容量为32 个单元，块号B 取3 位，那么Cache 分为8 块，块内地址W 取2 位，则每块为4 个单元。图2-2-4 中，WCT 为写Cache 块表信号，CLR 为系统总清零信号，A7A0 为CPU 访问内存的地址，M 为Cache 失效信号，CA4CA0 为Cache 地址，

2

MD7MD0 为主存送Cache 的数据，D7D0 为Cache 送CPU 数据，T2 为系统时钟， RD 为CPU 访问内存读信号，LA1 和LA0 为块内地址。

在 QuartusII 软件中先实现一个8 位的存储单元（见例程中的MemCell.bdf），然后用 这个8位的存储单元来构成一个32 X 8 位的Cache（见例程中的CacheMem.bdf）,这样就实现了Cache的存储体。

再实现一个4 位的存储单元（见例程中的TableCell.bdf），然后用这个4 位的存储单

元

来构成一个8 X 4 位的区表存储器，用来存放区号和有效位（见例程中的CacheTable.bdf）,在这个文件中，还实现了一个区号比较器，如果主存地址的区号E 和区表中相应单元中的区号相等，且有效位为1，则Cache 命中，否则Cache 失效，标志为M，M 为0 时表示Cache 失效。

当Cache 命中时，就将Cache 存储体中相应单元的数据送往CPU，这个过程比较简单。 当Cache 失效时，就将主存中相应块中的数据读出写入Cache 中，这样Cache 控制器就要产生访问主存储器的地址和主存储器的读信号，由于每块占四个单元，所以需要连续访问四次主存，这就需要一个低地址发生器，即一个2 位计数器（见例程中的Counter.vhd），将低2 位和CPU 给出的高6 位地址组合起来，形成访问主存储器的地址。M 就可以做为主存的读信号，这样，在时钟的控制下，就可以将主存中相应的块写入到Cache 的相应块中，

最后再修改区表（见例程中的（CacheCtrl.bdf）。

四、 实验步骤

1、实验接线：

3

2、实验步骤：

(1) 使用Quartus II 软件编辑实现相应的逻辑并进行编译，直到编译通过，Cache 控

制

器在EPM1270 芯片中对应的引脚如图2-2-5 所示，框外文字表示I/O 号，框内文字表示该引脚的含义（本实验例程见‘安装路径Cpld CacheCtrlCacheCtrl.qpf’工程）

(2) 关闭实验系统电源，按图2-2-6 连接实验电路，并检查无误，图中将用户需要连接的信号用圆圈标明。

(3) 打开实验系统电源，将生成的POF 文件下载到EMP1270 中去，CPLD 单元介绍见实验1.2。

(4) 将时序与操作台单元的开关KK3 置为‘运行’档，CLR 信号由CON 单元的CLR 模拟给出，按动CON 单元的CLR 按钮，清空区表。

(5) 预先往主存写入数据：联机软件提供了机器程序下载功能，以代替手动读写主存，机器程序以指定的格式写入到以TXT 为后缀的文件中。