面向计算机组成原理数学的MML模拟器

摘要

“计算机组成原理”是计算机相关专业学生需要学习的基础课程之一。对于学生而言，他们想要真正了解“计算机组成原理”这门课程的精髓，并掌握计算机内部的工作原理，这是有一定难度的。
　　为了使学生能够将学习到的理论知识运用于实践之中，并且可以从实践的过程中进一步验证和深化所学习到的理论知识，国内外的许多大学已经开始研发各种实验教学平台。这些实验教学平台主要可以分为以下两种类型:基于硬件的集成电路平台和基于软件的模拟实验平台。
　　本文对现有的基于硬件的集成电路平台和基于软件的模拟实验平台分别进行探讨，进而得出这两类实验教学平台各自的优缺点。在得出它们各自的优缺点之后，本文引进了一种新的实验教学平台MML，全称Multimedia Logic，该平台结合了已有硬件平台和软件平台的优势，进而弥补了它们各自的不足之处。本文利用该实验教学平台，所做的主要研究工作如下:
　　(1)在“计算机组成原理”实验课程的教学过程中，研究并设计了3个基础实验，它们分别是总线设计实验、存储器设计实验和运算器设计实验。
　　(2)在设计3个基础实验之后，本文又利用MML实验教学平台，研究并设计冯诺依曼体系结构模拟器，使其能够实现冯诺依曼体系结构的相关功能。冯诺依曼体系结构最主要的特点是其将程序指令和数据存储在同一个存储器中。因此，本文设计的基于MML实验教学平台的冯诺依曼体系结构模拟器的工作原理是:控制器首先到存储器地址寄存器中读取相关地址;再根据相关地址内容从存储器数据寄存器中读取相关指令;并对指令进行译码，根据译码内容执行相关程序;最后从存储器数据寄存器中读取指令执行过程中需要用到的数据，并进行下一步的运算。本文通过运行前在存储器数据寄存器中存储特定的数值，进而使模拟器在运行时能够实现相关功能。
　　(3)在设计了冯诺依曼体系结构模拟器之后，本文又利用MML实验教学平台，研究并设计了哈佛体系结构模拟器，使其具有哈佛体系结构的相关功能。哈佛体系结构最主要的特点是其将程序指令和数据存储在不同的存储器中。因此，本文设计的基于MML实验教学平台的哈佛体系结构模拟器的工作原理是:控制器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，根据指令中操作数的地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的运算。本文通过运行前在指令存储器和数据存储器中分别存储特定的数值，进而使模拟器在运行时能够实现相关功能。
　　全文首先简单介绍了MML实验教学平台，并利用该实验教学平台设计了3个基础实验。在此基础上，又利用该实验教学平台设计了冯诺依曼体系结构模拟器和哈佛体系结构模拟器。最后给出了设计过程中存在的不足之处和下一步的研究方向。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 计算机组成原理实验教学的研究内容及主要方法

1．3．1 计算机组成原理实验教学的研究内容

1．3．2 计算机组成原理实验教学的研究方法

1．4 本文主要研究工作和章节安排

1．4．1 本文的主要研究工作

1．4．2 本文的章节安排

2 基础实验的研究与设计

2．1 MML实验教学平台简介

2．1．1 MML实验教学平台的功能及特点

2．1．2 MML实验教学平台的下载

2．1．3 MML实验教学平台的操作环境

2．2 总线设计实验

2．2．1 实验目的

2．2．2 实验内容

2．2．3 实验步骤

2．2．4 实验报告

2．3 存储器设计实验

2．3．1 实验目的

2．3．2 实验内容

2．3．3 实验步骤

2．3．4 实验报告

2．4 运算器设计实验

2．4．1 实验目的

2．4．2 实验内容

2．4．3 实验步骤

2．4．4 实验报告

3 基于MML的冯诺依曼体系结构模拟器

3．1 模拟器的总体结构和指令

3．1．1 总体结构

3．1．2 指令系统

3．2 各个重要模块介绍

3．2．1 与门

3．2．2 或门

3．2．3 存储器

3．2．4 运算器

3．2．5 数据选择器

3．3 冯诺依曼体系结构模拟器中的相关设计

3．3．1 时钟控制信号设计

3．3．2 程序计数器设计

3．3．3 稳压电路设计

3．3．4 指令设计

3．3．5 存储器设计

3．4 应用

3．5 本章小结

4 基于MML的哈佛体系结构模拟器

4．1 模拟器结构和指令

4．1．1 总体结构

4．1．2 指令系统

4．2 模拟器设计

4．2．1 数据寄存器设计

4．2．2 存储器设计

4．2．3 指令设计

4．3 应用

4．4 本章小结

5 总结和展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢

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