使用開源的網絡虛擬實驗系統

循序漸進，注重思維引導，鼓勵獨立思考

突出培養動手能力、設計能力和解決實際問題的能力

計算機組成原理是高等院校計算機相關專業一門重要的專業基礎課程，講授計算機系統的組成和工作原理。本書作為計算機組成原理課程的實驗指導教程，旨在通過循序漸進的實驗過程，幫助學生深入理解課堂講授內容，培養學生的動手能力、設計能力和獨立思考能力。

本教程是針對多思計算機組成原理網絡虛擬實驗系統編寫的。該系統由本書主編設計開發，支持電路設計，采用GPL開源許可協議，能夠以B/S模式運行，也可單機運行。使用該系統，不需要任何實驗箱，只要1臺計算機就可以隨時隨地做實驗。

本教程遵從循序漸進的原則，首先進行計算機單個部件或多部件的組合實驗，掌握各大部件的工作原理，然后進行簡單模型機整機實驗，使學生對計算機的組成和運行原理有一個全面的了解，最后的模型機課程設計屬于綜合性、設計性實驗，主要培養學生解決問題的能力。本教程注重思維的啟發與引導，實驗中的提問和設計性元素較多，每個實驗后面都有思考分析題。

為使理論與實踐緊密結合，方便學生學習相關理論知識，本教程的第二部分對相關概念和知識點進行了詳細介紹，以指導學生在實驗之前進行溫習，在實驗中查閱解惑，在實驗后總結和復習。

本書內容分為兩大部分。第一部分為“實驗與課程設計”，共11章。第1章為實驗平臺介紹，說明了系統的安裝和使用方法；第2～10章分別為全加器、運算器、存儲器、總線與微命令、累加器、程序計數器、微程序控制器、簡單模型機、微程序設計九個實驗的實驗指導，每個實驗都包括實驗目的、實驗要求、實驗電路、實驗原理、實驗內容與步驟、思考與分析等內容；第11章為模型機課程設計，使用實驗系統提供的各個組件，根據給定的指令集，搭建一臺模型機，設計其微指令系統，編寫程序并運行。第二部分為“相關知識點”，共6章。第12章“計算機系統概述”主要介紹計算機硬件組成和計算機的工作過程；第13章“運算方法和運算器”主要介紹加法器和算術邏輯運算單元的原理；第14章“存儲器系統”主要介紹存儲器的組成和讀寫原理等；第15章“總線系統”主要介紹總線結構和仲裁；第16章“中央處理器”主要介紹CPU的結構、指令周期、數據通路、微程序控制器的組成以及微程序設計技術；第17章“指令系統”主要介紹指令格式、尋址方式等。

本書由張雯雰主編，負責全書的編排、統稿和定稿工作，朱衛平和肖娟任副主編。主要編寫人員分工如下：張雯雰編寫了第1～11、15、17章以及附錄，朱衛平和肖娟編寫了第16章，陸武魁編寫了第14章，劉華艷編寫了第13章，廖雋婷編寫了第12章。

由于時間倉促和編者水平有限，書中不足之處敬請讀者批評指正。

編 者

2016年3月

第一部分 實驗與課程設計

第1章 實驗平臺介紹 2
1.1 系統安裝 2
1.2 電路繪制 3
1.3 文件操作 4
1.4 電路運行 5
1.5 使用工具 5
1.6 實驗指導 7
1.7 幫助 7
第2章 全加器實驗 8
2.1 實驗目的 8
2.2 實驗要求 8
2.3 實驗電路 8
2.4 實驗原理 9
2.5 實驗內容與步驟 9
2.6 思考與分析 10
第3章 運算器實驗 11
3.1 實驗目的 11
3.2 實驗要求 11
3.3 實驗電路 11
3.4 實驗原理 12
3.5 實驗內容與步驟 13
3.6 思考與分析 15
第4章 存儲器實驗 16
4.1 實驗目的 16
4.2 實驗要求 16
4.3 實驗電路 16
4.4 實驗原理 17
4.5 實驗內容與步驟 18
4.6 思考與分析 19
第5章 總線與微命令實驗 20
5.1 實驗目的 20
5.2 實驗要求 20
5.3 實驗電路 20
5.4 實驗原理 22
5.5 實驗內容與步驟 22
5.6 思考與分析 25
第6章 累加器實驗 26
6.1 實驗目的 26
6.2 實驗要求 26
6.3 實驗電路 26
6.4 實驗原理 27
6.5 實驗內容與步驟 28
6.6 思考與分析 30
第7章 程序計數器實驗 31
7.1 實驗目的 31
7.2 實驗要求 31
7.3 實驗電路 31
7.4 實驗原理 32
7.5 實驗內容與步驟 33
7.6 思考與分析 36
第8章 微程序控制器實驗 37
8.1 實驗目的 37
8.2 實驗要求 37
8.3 實驗電路 37
8.4 實驗原理 38
8.5 實驗內容與步驟 41
8.6 思考與分析 42
第9章 簡單模型機實驗 43
9.1 實驗目的 43
9.2 實驗要求 43
9.3 實驗電路 43
9.4 實驗原理 44
9.5 實驗內容與步驟 46
9.6 思考與分析 49
第10章 微程序設計實驗 50
10.1 實驗目的 50
10.2 實驗要求 50
10.3 實驗電路 50
10.4 實驗原理 51
10.5 實驗內容與步驟 51
10.6 思考與分析 53
第11章 模型機課程設計 54
11.1 實驗目的 54
11.2 實驗要求 54
11.3 實驗任務 54
11.4 設計思路與難點分析 55
11.5 實驗內容與步驟 55

第二部分 相關知識點

第12章 計算機系統概述 62
12.1 計算機系統的基本組成 62
12.2 計算機的硬件 63
12.3 計算機的工作過程 64
第13章 運算方法和運算器 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 多功能算術邏輯運算單元 72
第14章 存儲器系統 77
14.1 存儲器概述 77
14.1.1 存儲器分類 77
14.1.2 存儲系統層次結構 78
14.2 SRAM存儲器 79
14.2.1 SRAM基本結構及其存儲系統的
工作原理 79
14.2.2 靜態半導體存儲系統舉例 81
14.3 DRAM存儲器 83
14.3.1 DRAM基本結構和工作原理 83
14.3.2 動態RAM存儲器芯片舉例 83
14.4 只讀存儲器 87
14.4.1 掩膜ROM 87
14.4.2 可編程的ROM 88
14.4.3 可擦除可編程的EPROM 88
14.5 存儲器擴展及其舉例 91
14.5.1 位擴展 91
14.5.2 字擴展 91
14.5.3 位、字同時擴展 92
14.6 并行訪問及交叉訪問存儲器 93
14.6.1 雙端口RAM 93
14.6.2 多體交叉存儲器 93
第15章 總線系統 96
15.1 總線概述 96
15.1.1 總線的基本概念 96
15.1.2 總線的分類 96
15.1.3 總線的性能指標 97
15.2 總線互聯結構 97
15.2.1 單總線結構 97
15.2.2 多總線結構 97
15.3 總線仲裁 99
15.3.1 集中式仲裁 99
15.3.2 分布式仲裁 101
第16章 中央處理器（CPU） 102
16.1 CPU的功能和基本結構 102
16.1.1 CPU的主要功能 102
16.1.2 CPU的一般結構 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 用方框圖語言表示指令周期 106
16.3 數據通路的功能和基本結構 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 機器指令與微指令的關系 112
16.4.4 微程序控制器的組成原理 112
16.4.5 微程序控制器的工作過程 113
16.5 微程序設計技術 114
16.5.1 微指令的編碼方式 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 指令系統 120
17.1 指令系統概述 120
17.2 指令集結構分類 120
17.3 指令格式 122
17.3.1 操作碼 122
17.3.2 地址碼 123
17.3.3 指令字長 124
17.3.4 指令格式舉例 125
17.4 尋址方式 126
17.4.1 指令尋址 126
17.4.2 數據尋址 127
17.5 CISC與RISC技術 131
附錄A 常用數字功能器件 133
附錄B 實驗系統源程序簡介 140
參考文獻 146

1. 庭院風骨—樹、灌、籬 [創意房主 著]
2. Python語言程序設計教程 [郭其標 房宜汕]
3. 微積分（經管類）教程篇（下冊） [曹海軍 王海棠 周玲麗]
4. 微積分（經管類）教程篇（上冊） [曹海軍 王海棠 周玲麗]
5. 微積分（經管類）導學篇（上冊） [王海棠 曹海軍 周玲麗]
6. 網站前端技術案例教程（HTML+CSS+JavaScript）（第二版） [黃華升]
7. 線性代數 [主編 史昱 陳鳳欣]
8. 電力電子技術課程學習及實驗指導 [主編 陳榮]
9. 成長對話：青春的榜樣 [主編　施端銀　黃武剛　應巨林]
10. 人工智能應用基礎 [主編 楊纓 李佳]
11. 中華水文化（慕課版）（第二版） [畢雪燕 楊華軻 羅玲誼 等編著]
12. 電路與電子技術Ⅱ——電路分析基礎 [主編 陳曉 金哲]
13. 飛機維修專業英語——飛機系統（第二版） [趙迎春]
14. 英語大爆炸：跟趣味情景劇學口語（微課版） [秦然　編著]
15. 機械工程制圖任務跟蹤訓練 [主編 王瑞清 趙金考 周彥云 ]
16. 機械工程制圖 [主編 覃國萍 劉百順 禹晨]
17. 平面設計與制作項目化教程 [主編　李晨]
18. 后期影像剪輯技術 [主編　郭建偉]
19. 人工智能概論（第二版） [主編　任云暉　丁紅　徐迎春 ]
20. 信息時代美育之道 [主編　劉宏宇　黎婭]
21. 數字媒體交互設計項目式教程（微課版） [主編　蘇陸]
22. 動畫運動規律項目實例解析（微課版） [孫珊珊　袁維坤]
23. 自然語言處理 [主編　馮建周]
24. 新媒體內容創作實務（微課版） [主編　覃思源]
25. 人工智能基礎 [主編 余平 張春陽]
26. 人工智能導論 [主編 王飛 潘立武]
27. Amazing！兒童英語自然拼讀分級教材（全8冊） [王玲　編著]
28. Spark大數據處理技術 [主編　劉仁山　周洪翠　莊新妍]
29. 毫無PS痕跡—你的第一本Photoshop書（第二版） [趙鵬 著]
30. 電視新聞制作（活頁式） [主編 王曉翠 劉傳琳]