重庆大学本科学生毕业设计论文

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1、1 绪论12 Logisim仿真软件33 计算机组成原理实验53.1实验简介5运算器实验5静态随机存储器实验6微程序控制器实验6简单模型机实验8复杂模型机实验93.2指令系统9简单模型机指令9复杂模型机指令103.3微指令设计123.4时序单元134 仿真实现154.1运算器实验154.2存储器实验184.3微程序控制器实验194.4模型机实验24简单模型机24复杂模型机275 结论325.1体会325.2总结32附录 A：实验微程序351 绪论计算机组成原理是计算机科学与技术及其相关专业的一门非常重要的专业基础课程，课程配套的实验对该课程内容的掌握至关重要。教学反映，该课程对初学者难度较大，

2、它要求学生熟练掌握计算机各子系统的组成原理、设计方法、相互关系以及各子系统互相连接构成整机系统的技术。受到总学时、实验场所和实验设备的限制，实验课上同学们要在实验中观察得到正确的结果，必须具有扎实的基础、清晰的概念、正确的逻辑设计以及合理的操作步骤。目前国内大部分高校采用的实验方式主要是利用一些现有的计算机组成原理1平台，此平台由一个教学实验箱、 FPGA 开发板和动态图形调试软件组成。 实验箱已将计算机的各个逻辑组成部件芯片全部做好并焊接在实验板上，学生只需按实验指导书中的要求进行连线并拨动相应开关，然后观察实验结果就能完成实验1 。这种实验过程简单死板，仅有验证没有设计，并且实验箱的费用高

3、，淘汰快，易损坏且难维护，学生对实验设备利用率低，实验效果也不太理想。同时，这种实验方式离不开实验箱，所以学生只能在指定的实验室中完成实验，在短暂的实验时间内，学生第一次接触实验箱就要完成连线和操作，难度较大，如果实验前没有预习，实验效果将大打折扣。种种弊端说明计算机组成原理实验中引入 EDA 技术是实验方式改革的必然 1 。EDA 技术的进步使得构建虚拟实验室也成为了可能，虚拟实验 2 是一种用虚拟仪器、设备代替传统的实验仪器和设备进行的实验，虚拟实验技术大大降低了实验成本， 使实验更加 “自由”。实现虚拟实验必须有一套交互性强、 开放程度高、易操作的设计软件 2 。目前，具备这一功能的软件

4、很多，最受欢迎的是加拿大 Interactive Image Technologies 公司推出的电路仿真与绘制软件 Multisim 2 。基于 multisim 的虚拟实验系统可以更好的开发学生的潜力， 随着仿真技术的发展， 将来有望代替实验室教学。现今主流的计算机组成原理实验仿真技术有两种：一种是基于EDA+PLD 技术的实验方式，此方式一般都是利用软件供应商提供的 EDA 工具软件（例如 quartus ）进行模拟仿真；另一种是基于 multisim 的虚拟实验系统。这两种方式都具有验证设计方案的正确性与合理性、发现并纠正原理图中错误、识别由于电路连接或控制不当导致的数据冲突、利用课外

5、学时和支持多样化设计性实验的功能，同时两种方式各有各的特点。1基于 EDA+PLD 技术的实验方式 1 所需要的实验环境比较复杂， 不但要提供硬件的实验仪器平台还需要提供计算机仿真软件，因此实验成本会比较高。除此之外，学生在做实验之前不但要熟悉掌握EDA 仿真软件 4 的使用，还需要掌握某种硬件描述语言，因此对学生要求较高，学生上手会比较慢。基于 multisim 的虚拟实验系统使用multisim 软件，该软件用户界面友好，操作简单，上手容易。并且，这种实验方式只需要在普通机房安装仿真软件即可实现，实验的通用性好，实验成本低1 。在实验过程中，学生可以自由地探讨实验的优化方案，用不同的方案实

6、现统一功能，能激发学生的设计和创新能力。但是，计算机组成原理单元实验比较复杂，某些单元实验所需要的功能元件Multisim 并没有直接提供，它只能辅助计算机组成原理教学，而不能代替实验教学1 。本课题利用Logisim 软件完成计算机组成原理实验仿真，以提高实验的成功率，帮助学生更好的理解实验原理和完成实验。基于logisim 的计算机组成原理实验移植类似于multisim 虚拟实验，此方式具备了multisim 虚拟实验的优点。相对multisim 仿真软件， Logisim 软件运行时占用的内存资源更小，对逻辑电路设计和逻辑单元仿真更具有针对性，而 multisim 适用于模拟和数字电路的

7、设计，应用面广，针对性弱。除此之外，Logisim 在电路的封装上更为灵活，它可以随意改变引脚排列和封装的形状， 这是 multisim 无法实现的。所以我们选取 Logisim 软件来实现计算机组成原理实验的仿真。Logisim 是一个开源跨平台的软件，界面友好上手容易，易于仿真，在这样一个形象逼真的软件平台上预习，再到实验室进行实验，能够大大提高实验效率。针对设计性的实验，学生可以在实验前利用logisim 软件，自主设计实验方案和实验步骤来仿真，从而避免了实验时的盲目操作，锻炼和拓展了学生的逻辑电路设计能力和创新设计思维。引入软件仿真使同学们突破时间和空间的限制，无需在实验室也可以进行组

8、成原理实验，从而大大提高了实验设施的利用率。22 Logisim仿真软件logisim 软件 5 是一个基于 java 的开源软件，是用于设计和模拟数字逻辑电路的教育工具，它的简单的工具栏界面和模拟电路构建，使其非常适合初学者学习最基本的概念与逻辑电路。由于能够从较小的子电路构建更大的电路，并能用鼠标拖动画出电路， Logisim 软件还可以在教学上用来设计和模拟整个CPU。logisim 软件在世界各地的大学和学院的学生中得到了广泛使用，一般用于普通教育领域的计算机科学研究，大学二年级的计算机组成原理相关课程或大三及大四的计算机体系结构课程中。 logisim 软件界面如下图所示。图 2.1

9、 Logisim 软件界面软件界面上部分是菜单栏，一共有六个菜单选项分别为：文件、编辑、工程、仿真、窗口和帮助。文件菜单提供打开、创建、保存、打印和退出项目等功能。编辑菜单提供复制、剪切、粘贴、全选、撤销等功能。工程菜单支持创建新的子电路，并且可以给项目加载或卸载库，这里的库有三种：内置的 logisim 库文件； logisim 建立并保持在本地磁盘上的工程项目；也可以是 java 开发的并未加入到logisim 中的 jar 文件。另外，工程菜单还提供电路分析和统计的功能，电路分析功能可以得到当前电路的真值表和相应的逻辑表达式，两者显示在组合分析窗口中，需要注意的是电路分析只能用于组合电路

10、；电路统计功能显示出一个包含有当前查看的电路的元件数据的对话框，该对话框中有一个表格，表格具有以下五个属性：该组件的名称、该组件来自的库的名称、该组件直接出现在电路中的次数、 该组件出现在电路的次数 （相同子电路只计算一次） 、该组件出现在电路及所有子电路的次数（每个子电路都要计算） 。3仿真菜单提供仿真过程中的控制功能，包括开始仿真、电路复位、单步仿真、进入 /退出子电路、单脉冲、连续脉冲和选择时钟频率等功能，为电路的仿真提供了多样化的有效的控制操作。窗口菜单支持窗口最大化、窗口最小化、关闭窗口、组合分析窗口和多个窗口相互切换等功能。众所周知，电路分为两种：组合电路和时序电路。组合电路中，所

11、有的电路输出是一个当前电路输入的严格组合，而在时序电路中，一些电路输出取决于过去的输入，即输出和时序也有关系。组合分析窗口用三种技术描述了组合电路的行为：逻辑电路、布尔表达式和真值表。三者可以相互转化，即画出逻辑电路可以自动得到电路的布尔表达式和真值表，也可以给出布尔表达式或真值表，让软件自动生成逻辑电路。这给电路的设计和分析带来了便利。帮助菜单提供了一个 logisim 参考指南，该指南提供了 Logisim 的功能的官方参考，几乎涵盖了 logisim 软件的每个细节，可以引导新手快速入门，即学即用。软件界面右侧是工具栏，提供一些逻辑电路构造中常用的工具，包括与或非逻辑门、输入输出引脚和连