计算机组成原理学习指导与课程设计.pdf

普通高等教育“十一五”国家级规划教材配套参考书 高等学校工程创新型“十二五”规划计算机教材 计算机组成原理 学习指导与课程设计 罗克露 纪禄平 吉家成 编 内 容 简 介 本书是普通高等教育“十一五”国家级规划教材 计算机组成原理（第 2 版）（ISNB 978-7-121-09546-7）的配套辅导书。全书分为 4 章，内容包括：计算机组成原理的实验和课程设计介绍；创新活动，涉及参加电子设计大赛等的建议和简单的指导；主教材各章的重点、难点解析，以及各章的习题解答及解题思路；考研辅导，包括考研内容复习和考研真题题解。本书可以作为高等学校学习“计算机组成原理”课程的辅导教材，也可供相关专业学生考研参考。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目(CIP)数据 计算机组成原理学习指导与课程设计/罗克露，纪禄平，吉家成编.北京：电子工业出版社，2011.6 高等学校工程创新型“十二五”规划计算机教材 ISBN 978-7-121-13748-8 I计 II罗 纪 吉 III计算机组成原理高等学校教学参考资料 IVTP301 中国版本图书馆 CIP 数据核字(2011)第 103353 号 策划编辑：章海涛 责任编辑：章海涛 印 刷：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 经 销：各地新华书店 开 本：7871092 1/16 印张：11 字数：269 千字 印 次：2011 年 6 月第 1 次印刷 印 数：3 000 册 定价：25.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：(010)88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：(010)88258888。前 言 本书是与普通高等教育“十一五”国家级规划教材计算机组成原理（第 2 版）（电子工业出版社 2010 年 2 月出版，ISNB 978-7-121-09546-7）配套的辅助教材。本书内容丰富，主要有 4 章内容。第 1 章，计算机组成原理的实验和课程设计介绍。第 2 章，创新活动，涉及参加电子设计大赛等的建议和简单的指导。第 3 章，主教材各章的习题解答及解题思路。第 4 章，考研辅导，包括考研内容复习和考研真题题解。期望本书能够为增强读者的实践能力、创新能力、分析问题和解决问题的能力提供帮助。本书第 1 章由吉家成编写，第 2 章由纪禄平编写，第 3 章、第 4 章由罗克露编写，全书由罗克露统稿。鉴于作者水平有限，经验不足，书中一定存在不少错误与疏漏之处，恳请同行和读者批评指正。作 者 于成都电子科技大学 目 录 第 1 章 实验及课程设计1 1.1 实验平台及说明1 1.1.1 嵌入式硬件平台1 1.1.2 软件集成开发环境1 1.2 实验4 1.2.1 运算器 ALU 设计实验4 1.2.2 存储器设计实验6 1.3 课程设计及指导8 第 2 章 创新活动 14 2.1 全国大学生电子设计竞赛 14 2.1.1 嵌入式系统专题邀请赛 15 2.1.2 信息安全技术专题邀请赛 16 2.2 毕昇杯全国电子创新设计竞赛 17 2.3 电子设计竞赛指导 17 2.3.1 赛前技能训练 17 2.3.2 比赛过程中的注意事项 19 2.3.3 参赛经验交流 23 2.4 相关技术交流网站 25 第 3 章 主教材的习题解答 27 3.1 第 1 章习题解答及解题思路 27 3.1.1 第 1 章重点和难点解析 27 3.1.2 第 1 章习题解答与解题思路 28 3.2 第 2 章习题解答及解题思路 31 3.2.1 第 2 章重点和难点解析 31 3.2.2 第 2 章习题解答与解题思路 39 3.3 第 3 章习题解答及解题思路 48 3.3.1 第 3 章重点和难点解析 48 3.3.2 第 3 章习题解答与解题思路 51 3.4 第 4 章习题解答及解题思路 74 3.4.1 第 4 章重点和难点解析 74 3.4.2 第 4 章习题解答与解题思路 86 VI 3.5 第 5 章习题解答及解题思路 103 3.5.1 第 5 章重点和难点解析 103 3.5.2 第 5 章习题解答与解题思路 108 3.6 第 6 章习题解答及解题思路 126 3.6.1 第 6 章重点和难点解析 126 3.6.2 第 6 章习题解答与解题思路 131 第 4 章 考研辅导 136 4.1 计算机组成原理考研复习 136 4.1.1 数据的表示和运算 136 4.1.2 存储子系统 140 4.1.3 CPU 子系统 144 4.1.4 总线 150 4.1.5 输入/输出系统 152 4.2 考研真题解答 155 4.2.1 电子科技大学 2009 年计算机组成原理复试 155 4.2.2 电子科技大学 2003 年计算机组成原理考试 162 1 第 1 章 实验及课程设计“计算机组成原理”是计算机专业的基础课和必修课，通常包括两个教学环节：理论教学和实验教学。其中，实验教学是本课程的一个重要组成部分，只有通过亲自动手做实验，才能熟悉和掌握计算机的基本工作原理，加深对书本上知识的理解和认识，同时为后续课程的学习打下良好的基础。每个学校的教学计划、实验条件和学时数各不相同，选用的实验平台也各异，主要的平台有两类，一类是“基于 EDA 技术的组成原理实验箱”，另一类是“专用的组成原理实验箱”。目前，国内很多高校选用基于 EDA 技术的实验平台。EDA（Electronic Design Automation）技术是近年来发展迅猛的一种新的设计硬件电路的方法，它利用硬件描述语言 Verilog HDL或 VHDL 对电路进行开发设计，其开发流程是：先在计算机上进行建模和仿真，然后通过相应的接口下载到实验箱上的 FPGA/CPLD 芯片上进行验证。这种实验方法主要以算法方式对硬件电路进行描述，要求设计者具有基本的硬件知识，由于硬件描述语言 Verilog HDL 与普通的C 语言在语法上有很多相似之处，因此这对于掌握了一定编程方法的学生来说非常容易上手。而且，硬件描述语言也是IC（集成电路）设计的重要工具，通过学习和使用，使学生在硬件、软件设计上得到了锻炼，对学生今后的就业是大有益处的。1.1 实验平台及说明实验平台及说明 1.1.1 嵌入式硬件平台嵌入式硬件平台（1）核心适配板 实验用的可编程逻辑芯片是美国 XILINX 公司的 SPARTAN XC2S200，属于 FPGA 型可编程逻辑器件，内含 20 万门电路，具有可编程接口（JTAG），通过并口与计算机相连，该芯片的内容可以反复擦写。（2）输入/输出接口 按键开关：按下为低电平，弹起为高电平，用于输入单个脉冲信号。拨码开关：开关向上为高电平，向下为低电平，用于输入高低电平信号。发光二极管：高电平点亮，低电平熄灭，用于观察输出信号的高低电平。40 MHz 的时钟基准信号，用于各种信号的分频时钟。1.1.2 软件集成开发环境软件集成开发环境 本实验系统的开发软件采用美国 XILINX 公司的 ISE 集成开发环境。下面以一个实例来介绍其软件的开发流程。1创建工程 双击桌面上的“Xilinx ISE 7.1”图标；选择“File”中的“New Project”，显示如图1.1 2 所示的对话框，从中填写“工程项目名”和文件存放的路径；单击“下一步”按钮，显示如图1.2 所示的对话框，正确选择所用芯片的类型、封装形式、I/O 引脚的数目等信息，再选择综合工具（Synthesis Tool）。图 1.1 建立项目工程 图 1.2 配置芯片信息 2设计文件的输入 在如图1.3所示的对话框中输入文件名，同时选择左框中的“Verilog Module”；然后输入所编写的源程序代码。3约束（“引脚绑定”），定位I/O引脚的具体编号（1）在“Process View”框中单击“User Constraints”前的“+”，双击“Assign Package Pins”。（2）在“Design Browser”框中，选择“I/O Pins”。（3）在“Design Object List”中的“Loc”栏内填入芯片的引脚编号。注意，在引脚编号前加上字母 p。3 图 1.3 文件配置 4综合（Synthesize），检查所输入的源程序是否有语法错误 在“Process View”框中选择“Synthesize-XST”。5实现（Implement），检查引脚约束是否有错误 在“Process View”框中选择“Implement Design”。6将程序下载至芯片（1）在“Process View”框中选择“Configure Device（Impact）”。（2）选择“Boundary-Scan Mode”。（3）再选择“Automatically connect to cable.”（注意此时必须将实验目标板用电缆与计算机并口相连，同时打开实验设备的电源），显示如图1.4所示。图 1.4 程序下载（4）双击“XC2S200 芯片”图标，在弹出的对话框中选取需要下载的 Bit 文件。（5）在“XC2S200 芯片”图标上单击右键，选择“Programme”，即可将程序下载到 FPGA芯片中。4 1.2 实验实验 1.2.1 运算器运算器ALU设计实验设计实验 1实验目的（1）熟悉运算器（ALU）的组成结构及工作原理。（2）掌握运算器模块的设计方法。（3）掌握多个 ALU 级联和进位的连接方法。（4）熟悉数据的暂存和分时传送的控制方法。2实验内容（1）设计一个 4 位运算器，要求该运算器具有算术运算（加、减）和逻辑运算（与、或、异或、清零）功能。（2）调用上面已调试好的 4 位 ALU 模块，把它扩展成 8 位 ALU，实现 8 位算术运算和逻辑运算功能。（3）用一个数据通道（8 位数据宽度）和相应的控制信号，实现两个 8 位数据的分时输入。（4）编写和调试相应的程序模块并下载到实验箱进行测试。运算器实验整体框图如图1.5所示。3实验原理 运算器实验原理图如图1.6 所示。图 1.6 运算器实验原理图 图 1.5 运算器实验框图 5 4实验核心代码 module alu8(d8in,m8,se8,en,wr,c8out,d8out);parameter D_WIDTH=8;input D_WIDTH-1:0 d8in;/数据输入 input m8;/运算模式输入：算术/逻辑 input en;/数据输入控制电平 input wr;/数据输入控制脉冲 input 1:0 se8;/运算方式输入：加、减/与、或、异或、清零 output c8out;/进位输出 output D_WIDTH-1:0 d8out;/运算数据输出 reg D_WIDTH-1:0 ra;/数据暂存器 reg D_WIDTH-1:0 rb;/数据暂存器 wire rcout;/下面程序说明：由于数据输入通道只有 8 位，因此只有采用分时的方式输入数据。/即：第一个节拍，当 en=0 时，由控制脉冲 wr 将外部输入数据打入暂存器 ra;/第二个节拍，当 en=1 时，由控制脉冲 wr 将外部输入数据打入暂存器 rb;always(posedge wr)if(!en)ra=d8in;else rb=d8in;/下面程序说明：通过两条实例化语句，调用 4 位运算器模块，实现一个 8 位的运算器 alu4 alu8l(.a(ra3:0),.b(rb3:0),.m(m8),.cin(0),.se(se8),.cout(rcout),.d(d8out3:0);alu4 alu8h(.a(ra7:4),.b(rb7:4),.m(m8),.cin(rcout),.se(se8),.cout(c8out),.d(d8out7:4);下面是 4 位运算器模块的源程序：module alu4