计算机组成原理实验教程

使用开源的网络虚拟实验系统

循序渐进，注重思维引导，鼓励独立思考

突出培养动手能力、设计能力和解决实际问题的能力

计算机组成原理是高等院校计算机相关专业一门重要的专业基础课程，讲授计算机系统的组成和工作原理。本书作为计算机组成原理课程的实验指导教程，旨在通过循序渐进的实验过程，帮助学生深入理解课堂讲授内容，培养学生的动手能力、设计能力和独立思考能力。

本教程是针对多思计算机组成原理网络虚拟实验系统编写的。该系统由本书主编设计开发，支持电路设计，采用GPL开源许可协议，能够以B/S模式运行，也可单机运行。使用该系统，不需要任何实验箱，只要1台计算机就可以随时随地做实验。

本教程遵从循序渐进的原则，首先进行计算机单个部件或多部件的组合实验，掌握各大部件的工作原理，然后进行简单模型机整机实验，使学生对计算机的组成和运行原理有一个全面的了解，最后的模型机课程设计属于综合性、设计性实验，主要培养学生解决问题的能力。本教程注重思维的启发与引导，实验中的提问和设计性元素较多，每个实验后面都有思考分析题。

为使理论与实践紧密结合，方便学生学习相关理论知识，本教程的第二部分对相关概念和知识点进行了详细介绍，以指导学生在实验之前进行温习，在实验中查阅解惑，在实验后总结和复习。

本书内容分为两大部分。第一部分为“实验与课程设计”，共11章。第1章为实验平台介绍，说明了系统的安装和使用方法；第2～10章分别为全加器、运算器、存储器、总线与微命令、累加器、程序计数器、微程序控制器、简单模型机、微程序设计九个实验的实验指导，每个实验都包括实验目的、实验要求、实验电路、实验原理、实验内容与步骤、思考与分析等内容；第11章为模型机课程设计，使用实验系统提供的各个组件，根据给定的指令集，搭建一台模型机，设计其微指令系统，编写程序并运行。第二部分为“相关知识点”，共6章。第12章“计算机系统概述”主要介绍计算机硬件组成和计算机的工作过程；第13章“运算方法和运算器”主要介绍加法器和算术逻辑运算单元的原理；第14章“存储器系统”主要介绍存储器的组成和读写原理等；第15章“总线系统”主要介绍总线结构和仲裁；第16章“中央处理器”主要介绍CPU的结构、指令周期、数据通路、微程序控制器的组成以及微程序设计技术；第17章“指令系统”主要介绍指令格式、寻址方式等。

本书由张雯雰主编，负责全书的编排、统稿和定稿工作，朱卫平和肖娟任副主编。主要编写人员分工如下：张雯雰编写了第1～11、15、17章以及附录，朱卫平和肖娟编写了第16章，陆武魁编写了第14章，刘华艳编写了第13章，廖隽婷编写了第12章。

由于时间仓促和编者水平有限，书中不足之处敬请读者批评指正。

编 者

2016年3月

第一部分 实验与课程设计

第1章 实验平台介绍 2
1.1 系统安装 2
1.2 电路绘制 3
1.3 文件操作 4
1.4 电路运行 5
1.5 使用工具 5
1.6 实验指导 7
1.7 帮助 7
第2章 全加器实验 8
2.1 实验目的 8
2.2 实验要求 8
2.3 实验电路 8
2.4 实验原理 9
2.5 实验内容与步骤 9
2.6 思考与分析 10
第3章 运算器实验 11
3.1 实验目的 11
3.2 实验要求 11
3.3 实验电路 11
3.4 实验原理 12
3.5 实验内容与步骤 13
3.6 思考与分析 15
第4章 存储器实验 16
4.1 实验目的 16
4.2 实验要求 16
4.3 实验电路 16
4.4 实验原理 17
4.5 实验内容与步骤 18
4.6 思考与分析 19
第5章 总线与微命令实验 20
5.1 实验目的 20
5.2 实验要求 20
5.3 实验电路 20
5.4 实验原理 22
5.5 实验内容与步骤 22
5.6 思考与分析 25
第6章 累加器实验 26
6.1 实验目的 26
6.2 实验要求 26
6.3 实验电路 26
6.4 实验原理 27
6.5 实验内容与步骤 28
6.6 思考与分析 30
第7章 程序计数器实验 31
7.1 实验目的 31
7.2 实验要求 31
7.3 实验电路 31
7.4 实验原理 32
7.5 实验内容与步骤 33
7.6 思考与分析 36
第8章 微程序控制器实验 37
8.1 实验目的 37
8.2 实验要求 37
8.3 实验电路 37
8.4 实验原理 38
8.5 实验内容与步骤 41
8.6 思考与分析 42
第9章 简单模型机实验 43
9.1 实验目的 43
9.2 实验要求 43
9.3 实验电路 43
9.4 实验原理 44
9.5 实验内容与步骤 46
9.6 思考与分析 49
第10章 微程序设计实验 50
10.1 实验目的 50
10.2 实验要求 50
10.3 实验电路 50
10.4 实验原理 51
10.5 实验内容与步骤 51
10.6 思考与分析 53
第11章 模型机课程设计 54
11.1 实验目的 54
11.2 实验要求 54
11.3 实验任务 54
11.4 设计思路与难点分析 55
11.5 实验内容与步骤 55

第二部分 相关知识点

第12章 计算机系统概述 62
12.1 计算机系统的基本组成 62
12.2 计算机的硬件 63
12.3 计算机的工作过程 64
第13章 运算方法和运算器 67
13.1 全加器 67
13.2 串行加法器 68
13.3 并行加法器 69
13.4 多功能算术逻辑运算单元 72
第14章 存储器系统 77
14.1 存储器概述 77
14.1.1 存储器分类 77
14.1.2 存储系统层次结构 78
14.2 SRAM存储器 79
14.2.1 SRAM基本结构及其存储系统的
工作原理 79
14.2.2 静态半导体存储系统举例 81
14.3 DRAM存储器 83
14.3.1 DRAM基本结构和工作原理 83
14.3.2 动态RAM存储器芯片举例 83
14.4 只读存储器 87
14.4.1 掩膜ROM 87
14.4.2 可编程的ROM 88
14.4.3 可擦除可编程的EPROM 88
14.5 存储器扩展及其举例 91
14.5.1 位扩展 91
14.5.2 字扩展 91
14.5.3 位、字同时扩展 92
14.6 并行访问及交叉访问存储器 93
14.6.1 双端口RAM 93
14.6.2 多体交叉存储器 93
第15章 总线系统 96
15.1 总线概述 96
15.1.1 总线的基本概念 96
15.1.2 总线的分类 96
15.1.3 总线的性能指标 97
15.2 总线互联结构 97
15.2.1 单总线结构 97
15.2.2 多总线结构 97
15.3 总线仲裁 99
15.3.1 集中式仲裁 99
15.3.2 分布式仲裁 101
第16章 中央处理器（CPU） 102
16.1 CPU的功能和基本结构 102
16.1.1 CPU的主要功能 102
16.1.2 CPU的一般结构 102
16.1.3 CPU中的主要寄存器 103
16.2 指令周期 105
16.2.1 CLA指令的指令周期 105
16.2.2 用方框图语言表示指令周期 106
16.3 数据通路的功能和基本结构 107
16.4 微程序控制器 109
16.4.1 微命令和微操作 109
16.4.2 微指令和微程序 110
16.4.3 机器指令与微指令的关系 112
16.4.4 微程序控制器的组成原理 112
16.4.5 微程序控制器的工作过程 113
16.5 微程序设计技术 114
16.5.1 微指令的编码方式 114
16.5.2 微指令格式 116
16.5.3 微地址的形成方式 118
第17章 指令系统 120
17.1 指令系统概述 120
17.2 指令集结构分类 120
17.3 指令格式 122
17.3.1 操作码 122
17.3.2 地址码 123
17.3.3 指令字长 124
17.3.4 指令格式举例 125
17.4 寻址方式 126
17.4.1 指令寻址 126
17.4.2 数据寻址 127
17.5 CISC与RISC技术 131
附录A 常用数字功能器件 133
附录B 实验系统源程序简介 140
参考文献 146

1. 庭院风骨—树、灌、篱 [创意房主 著]
2. Python语言程序设计教程 [郭其标 房宜汕]
3. 微积分（经管类）教程篇（下册） [曹海军 王海棠 周玲丽]
4. 微积分（经管类）教程篇（上册） [曹海军 王海棠 周玲丽]
5. 微积分（经管类）导学篇（上册） [王海棠 曹海军 周玲丽]
6. 网站前端技术案例教程（HTML+CSS+JavaScript）（第二版） [黄华升]
7. 线性代数 [主编 史昱 陈凤欣]
8. 电力电子技术课程学习及实验指导 [主编 陈荣]
9. 成长对话：青春的榜样 [主编　施端银　黄武刚　应巨林]
10. 人工智能应用基础 [主编 杨缨 李佳]
11. 中华水文化（慕课版）（第二版） [毕雪燕 杨华轲 罗玲谊 等编著]
12. 电路与电子技术Ⅱ——电路分析基础 [主编 陈晓 金哲]
13. 飞机维修专业英语——飞机系统（第二版） [赵迎春]
14. 英语大爆炸：跟趣味情景剧学口语（微课版） [秦然　编著]
15. 机械工程制图任务跟踪训练 [主编 王瑞清 赵金考 周彦云 ]
16. 机械工程制图 [主编 覃国萍 刘百顺 禹晨]
17. 平面设计与制作项目化教程 [主编　李晨]
18. 后期影像剪辑技术 [主编　郭建伟]
19. 人工智能概论（第二版） [主编　任云晖　丁红　徐迎春 ]
20. 信息时代美育之道 [主编　刘宏宇　黎娅]
21. 数字媒体交互设计项目式教程（微课版） [主编　苏陆]
22. 动画运动规律项目实例解析（微课版） [孙珊珊　袁维坤]
23. 自然语言处理 [主编　冯建周]
24. 新媒体内容创作实务（微课版） [主编　覃思源]
25. 人工智能基础 [主编 余平 张春阳]
26. 人工智能导论 [主编 王飞 潘立武]
27. Amazing！儿童英语自然拼读分级教材（全8册） [王玲　编著]
28. Spark大数据处理技术 [主编　刘仁山　周洪翠　庄新妍]
29. 毫无PS痕迹—你的第一本Photoshop书（第二版） [赵鹏 著]
30. 电视新闻制作（活页式） [主编 王晓翠 刘传琳]