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《计算机组成实验》教学课件欢迎来到《计算机组成实验》课程。本课程将带领各位同学深入了解计算机硬件系统的工作原理，通过动手实践了解计算机的基本组成部分是如何协同工作的。我们将从基础的逻辑门电路开始，逐步构建出完整的计算机系统，包括算术逻辑单元、寄存器、存储器、控制单元等核心组件。在实验过程中，你将获得硬件设计、系统集成和故障排除的宝贵经验。这门课程强调理论与实践相结合，希望通过这一系列实验，帮助你建立扎实的计算机硬件知识基础，为未来深入学习计算机架构奠定基础。

课程概述课程目标掌握计算机组成原理基本概念及实践技能1学习成果能独立设计并实现基本计算机硬件模块2评估方法实验报告、操作考核与最终项目评估相结合3本课程旨在通过一系列精心设计的实验，帮助学生深入理解计算机硬件系统的工作原理与设计方法。通过实践操作，学生将掌握从基本逻辑门到完整CPU系统的设计与实现技术。课程评估采用多元化方式，包括实验报告质量评定（50%）、实验操作过程考核（30%）以及最终综合项目评估（20%）。我们特别注重学生的动手能力和解决问题的创新思维培养。

计算机组成基础冯·诺依曼架构存储程序原理，将指令和数据统一存储于同一存储空间中，通过指令周期实现程序执行中央处理单元包括运算器和控制器，负责数据处理和指令执行控制存储系统包括主存储器和各级缓存，负责数据与指令的存储输入输出系统负责计算机与外部世界的信息交换现代计算机系统虽然在技术实现上有了巨大进步，但基本结构仍然遵循冯·诺依曼架构的核心原则。我们的实验将围绕这一架构的各个组成部分，逐步深入地理解和实现这些核心组件。理解计算机基本组成是进行后续实验的理论基础，在后续实验中我们将把这些抽象概念转化为具体的硬件实现。

数字逻辑基础布尔代数布尔代数是数字逻辑设计的理论基础，它定义了一系列基本运算（与、或、非）及其运算规则和定律。布尔代数的基本定律包括交换律、结合律、分配律等，掌握这些规则可以帮助我们进行逻辑表达式的化简。在实验中，我们将应用布尔代数来分析和优化数字电路的设计，减少门电路的使用数量，提高电路效率。逻辑门电路逻辑门是数字电路的基本单元，包括与门(AND)、或门(OR)、非门(NOT)、与非门(NAND)、或非门(NOR)、异或门(XOR)等。每种门电路实现特定的逻辑功能，可以通过组合这些基本门构建复杂的数字系统。在后续实验中，我们将使用这些基本逻辑门构建更复杂的功能模块，如加法器、译码器、多路选择器等。

实验环境介绍数字电路实验箱配备各类TTL或CMOS集成电路芯片，包括基本逻辑门、触发器、计数器、译码器等，支持面包板快速搭建原型电路。FPGA开发板配备Xilinx或AlteraFPGA芯片，丰富的外设接口和扩展功能，支持通过HDL语言实现复杂数字系统设计。开发软件工具电路仿真软件（如Multisim、Proteus）、HDL开发环境（如Vivado、QuartusPrime）、波形分析工具等，支持设计、仿真和验证。我们的实验室环境提供了从传统数字电路搭建到现代FPGA开发的完整工具链。学生将有机会使用多种开发平台，体验不同层次的硬件设计方法。实验室配备充足的测量设备，包括数字示波器、逻辑分析仪等，便于学生对设计进行测试和调试。

实验安全注意事项1电气安全确保设备正确接地，避免触摸带电电路。操作前应切断电源，更换元器件时必须断电。实验过程中发现异常（如烟雾、异味）应立即切断电源并报告实验室管理员。2静电防护处理CMOS器件和FPGA等静电敏感元件时，应佩戴防静电手环，使用防静电垫。避免在干燥环境下直接接触电子元件的引脚，防止静电放电损坏元件。3设备保护避免电路短路，注意电源极性，防止过压和过流。实验结束后按规定整理工位，归还工具和元件。不得擅自将实验室设备带出实验室，确保设备完好。安全是实验过程中最重要的考虑因素。请严格遵守实验室规章制度，听从指导教师的安排。在进行实验前，确保你已经熟悉了相关安全知识和应急措施。遇到不清楚的情况，请立即咨询实验指导教师，不要擅自操作。

实验一：逻辑门电路设计1设计与实现基本逻辑门电路使用TTL或CMOS集成电路芯片，搭建AND、OR、NOT、NAND、NOR、XOR等基本逻辑门电路，观察并记录其逻辑功能和电气特性。2组合逻辑电路设计根据给定的逻辑函数，设计并实现相应的组合逻辑电路，要求使用最少的门电路完成设计，并通过卡诺图等方法进行电路优化。3功能验证与性能测试使用逻辑分析仪和示波器对实现的电路进行功能验证和性能测试，测量传播延迟、上升/下降时间、噪声容限等参数。本实验旨在帮助学生掌握基本逻辑门电路的工作原理和特性，建立数字逻辑设计的基础。通过亲手搭建和测试各种逻辑门电路，学生将加深对数字电路基本原理的理解，为后续更复杂的数字系统设计打下基础。

实验一：设计步骤需求分