计算机组成原理课程设计报告 - 图文

计算机组成原理课程设计报告

2014计算机组成原理课程设计报告 班级：计科1202 组号2-3

北京化工大学计算机科学与技术专业

计算机组成原理课程设计报告

院 系： 信息科学与技术学院 专 业： 计算机科学与技术 班 级： 计科 组 号： 2-3

序号 组长 组员1 组员2 姓名 尹 杨 李 学号 考试号 成绩

指导教师： 张杰

2015年 1月 8日

计算机组成原理课程设计报告

目录

目录 ............................................................................................................................................................. 2 第1部分 小组报告 ................................................................................................................................... 3

1.1设计任务一 ................................................................................................................................... 3

1.1.1实验要求 ............................................................................................................................ 3 1.1.2实验目的 ............................................................................................................................ 3

1.1.3实验电路 ............................................................................................................................ 3 1.1.4实验结论 ............................................................................................................................ 5 1.2设计任务二 ................................................................................................................................... 6

1.2.0实验目的 ............................................................................................................................ 6 1.2.1实验1：数据传送实验/输入输出实验 ............................................................................ 6 1.2.2实验2：数据运算实验（加/减/与/或） .......................................................................... 7

1.2.3实验3：移位/取反实验 .................................................................................................... 8 1.2.4实验4：转移实验 ............................................................................................................. 9 1.2.5实验5：调用实验 ........................................................................................................... 11 1.2.6实验6：中断实验 ........................................................................................................... 12 1.2.7实验7：中断实验 ........................................................................................................... 13 1.2.8实验8：RISC模型机 ..................................................................................................... 13 1.2.9实验9：用小键盘调试实验 ........................................................................................... 14 1.3设计任务三 ................................................................................................................................. 15

1.3.1实验目的 .......................................................................................................................... 15 1.3.2实验内容 .......................................................................................................................... 15 1.3.2实验结果 .......................................................................................................................... 16 1.4设计任务四 ................................................................................................................................. 18

1.4.1功能说明 .......................................................................................................................... 18

1.4.2源程序代码 ...................................................................................................................... 18 1.4.3程序流程图 ...................................................................................................................... 21 1.4.3测试结果 .......................................................................................................................... 22 综合设计思考题 ............................................................................................................................... 37

实验1.1 数据传送实验/输入输出实验综合思考题 ............................................................ 37 实验1.2 数据运算实验（加/减/与/或）综合思考题 ........................................................ 37 实验1.7 指令流水实验综合思考题 ...................................................................................... 38

第2部分

个人报告 ............................................................................................................. 40

2.1组长个人报告 ............................................................................................................................. 40 2.2组员1个人报告 ......................................................................................................................... 40 2.3组员2个人报告 ......................................................................................................................... 40 参考文献 ................................................................................................................................................... 41 致谢 ........................................................................................................................................................... 41

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第1部分 小组报告

1.1设计任务一

模型机中断实验

1.1.1实验要求

利用CPTH实验仪器上的开关做控制信号，实现中断功能。

1.1.2实验目的

了解模型机的中断功能的工作原理及终端过程中，申请、响应、处理、返回各阶段时序。

1.1.3实验电路

中断电路有两个D触发器，分别用于保存中断请求信号(IREQ)及中断响应信号（IACK)。INT有上升沿时，IREQ触发器被置为1。当下一条指令取指时（IREN=0)，存贮器EM的读信号（EMRDP）被关闭，同时产生读中断指令（ICEN）信号，程序的执行被打断而去执行B8指令响应中断。在取B8的同时置IACK触发器被置为1，禁止新的中断响应。EINT信号置0，IACK，IREQ触发器为0，中断电路可以响应新的中断。

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中断控制器原理图

图（1）

连接线表

连接 1 2 3 4 置控信号为： 信号孔 IREN EINT INT CK 接入孔 K0 K1 已连 已连 表（1）

作用 状态说明（手动模式） IR,UPC写允许 低电平有效 清中断寄存器 低电平有效 中断输入 上升沿有效 时钟输入 上升沿有效 K1(EINT) 1 表（2）

K0(IREN) 0 短路块选择端JINT指向RG侧，按RG脉冲键，产生中断请求，此时REQ指示灯亮，同时B8输出红色指示灯。

按STEP脉冲键，产生取指脉冲，黄色ACK指示灯亮。 置控信号为： K1(EINT) K0(IREN) 0 1 表（3）

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REQ,ACK灯灭。

1.1.4实验结论

当EINT为高电平即清中断寄存器无效时，产生中断有效，中断指示灯亮；当EINT为低电平即清中断寄存器有效时，中断请求无效。

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1.2设计任务二

模型机综合实验（微程序控制器）

1.2.0实验目的

（1）在综合实验中，模型机作为一个整体来工作的，利 用本实验，获得对计算机组成的实际认识，并由此深化计算 机的基本组成原理和结构。

（2）熟练掌握CPTH集成开发环境的使用。

1.2.1实验1：数据传送实验/输入输出实验

1.2.1.1实验内容

在CPTH软件中的源程序窗口输入下列程序

MOV A,#12h

MOV A,R0

MOV A,@R0

MOV A,01H

IN

OUT

END

将程序另存为EX1.ASM，将程序汇编成机器码，调试窗口会显示出程序地址、机器码、反汇编指令，详见图（2）。

按快捷键图标的F7，执行“单微指令运行”功能，观察执行每条微指令时，寄存器的输入/输出状态，各控制信号的状态，PC及uPC如何工作，详见图（2）。

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图（2）

1.2.1.2实验结论

本实验涉及到三种传送方式：立即寻址，即将立即数12打入累加器A，立即数直接在存储器里面送往A；寄存器直接寻址，即将寄存器里的数据直接送往A；寄存器间接寻址，即先将寄存器的数据送往地址寄存器MAR，在将存储器M的数据送往A。

实验的输入方式IN是将IN端口里面的数据送到A；输出方式OUT是将累加器A的数据送往输出端口OUT。

1.2.2实验2：数据运算实验（加/减/与/或）

1.2.2.1实验内容

在CPTH软件中的源程序窗口输入下列程序

ADDC A,R1

SUB A,@R1

AND A,#55H

OR A,02H

END

将程序另存为EX2.ASM，将程序汇编成机器码，调试窗口会显示出程序地址、机

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器码、反汇编指令，详见图（3）。

按快捷键图标的F7，执行“单微指令运行”功能，观察执行每条微指令时，寄存器的输入/输出状态，各控制信号的状态，PC及uPC如何工作，详见图（3）。

图（3）

1.2.2.2实验结论

执行ADDC A，R1指令，将R1中的数据送到累加器W中，将A和W中的数据相加结果打入A中，如产生进位，则加的过程中要加上进位。执行SUB A,@R1指令时，R1作间指，首先将R1的数据打入到地址寄存器当中，再讲对应的存储单元的数据打入到W当中，再用累加器A和W中的数据相减，不带进位送到累加器A中。执行AND A,#55h先将立即数从存储器打入累加器W当中，再将A和W中的数据作与运算结果打入到累加器A当中。OR A，02H先将存储器当中的02H打入到地址寄存器MAR当中，再找到对应的存储单元中的数据打入到W当中，最后将A和W中的数据作或运算，结果打入到A中。

1.2.3实验3：移位/取反实验

1.2.3.1实验内容

在CPTH软件中的源程序窗口输入下列程序

MOV A,#55H

RR A

RLC A CPL A END 8 / 41 计算机组成原理课程设计报告

将程序另存为EX3.ASM，将程序汇编成机器码，调试窗口会显示出程序地址、机器码、反汇编指令，详见图（4）。

按快捷键图标的F7，执行“单微指令运行”功能，观察执行每条微指令时，寄存器的输入/输出状态，各控制信号的状态，PC及uPC如何工作，详见图（4）。

图（4）

1.2.3.2实验结论

立即寻址，是直接将存储器当中的数据打入到A中。RR操作对应的是

X2X1X0=111；RLC操作对应的是X2X1X0=110；CPL对应的是S2S1S0=110。

1.2.4实验4：转移实验

1.2.4.1实验内容

在CPTH软件中的源程序窗口输入下列程序

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LO:MOV A,#01 LOOP: SUB A,#01 JC LOOP JZ LOOP JMP LO END

将程序另存为EX4.ASM，将程序汇编成机器码，调试窗口会显示出程序地址、机器码、反汇编指令，详见图（5）。

按快捷键图标的F7，执行“单微指令运行”功能，观察执行每条微指令时，寄存器的输入/输出状态，各控制信号的状态，PC及uPC如何工作，详见图（5）。

图（5）

1.2.4.2实验结论

转移指令判断标志寄存器的值是否为1，若为1，则将跳转地址送往PC；若不为1，则执行下一条指令；JMP指令无须判断直接跳转。

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1.2.5实验5：调用实验

1.2.5.1实验内容

在CPTH软件中的源程序窗口输入下列程序

MOV A,#00H

LOOP：

CALL INCA

JMP LOOP

INCA:

ADD A,#01

RET

END

将程序另存为EX5.ASM，将程序汇编成机器码，调试窗口会显示出程序地址、机器码、反汇编指令，详见图（6）。

按快捷键图标的F7，执行“单微指令运行”功能，观察执行每条微指令时，寄存器的输入/输出状态，各控制信号的状态，PC及uPC如何工作，详见图（6）。

图（6）

1.2.5.2实验结论

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CALL指令执行时先将当前地址写入堆栈，然后跳转到子程序地址，子程序执行完后，再将堆栈中的地址打入PC，继续执行原来的指令。

1.2.6实验6：中断实验

1.2.6.1实验内容

在CPTH软件中的源程序窗口输入下列程序

MOV A,#00

LOOP：

JMP LOOP

ORG 0E0H

ADD A,#01

RETI

END

将程序另存为EX6.ASM，将程序汇编成机器码，调试窗口会显示出程序地址、机器码、反汇编指令，详见图（7）。

在IA单元模块中，将拨码开关设置为“11100000”，短路块选择端JINT指向RG侧，按快捷键图标的F7，执行“单微指令运行”功能，在跟踪程序时，按下实验仪上中断请求按键[RG]，中断请求灯亮，在每个指令的最后一条微指令执行完，就会响应中断，中断响应灯亮。

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图（7）

1.2.6.2实验结论

中断信号产生后，将当前地址存到堆栈当中，转而执行中断，中段程序完成以后，在取堆栈段中的地址执行原指令。

1.2.7实验7：中断实验

1.2.7.1实验内容

在CPTH软件中，用菜单的[文件|调入指令系统/微程序]功能，打开CPTH下的“INSFILE2.MIC”。

在CPTH软件中，用菜单的[文件|打开文件]功能，打开CPTH下的“EX1.ASM”源程序。

按快捷图标的F7，执行“单微指令运行”功能，观察。 1.2.7.2实验结论

并行流水可以使多条微命令同时进行，但这些微命令不能占用同一条总线。

1.2.8实验8：RISC模型机

1.2.8.1实验内容

在CPTH软件中，用菜单的[文件|调入指令系统/微程序]功能，打开CPTH下的

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“RISCFILE.MIC”。

在CPTH软件中，用菜单的[文件|打开文件]功能，打开CPTH下的“EX7.ASM”源程序。

按快捷图标的F7，执行“单微指令运行”功能，观察。 1.2.8.2实验结论

比较非RICS指令系统，可以看出RISC指令系统简单很多。

1.2.9实验9：用小键盘调试实验

1.2.9.1实验内容

按TV键选择EM，顺序输入机器码：7C 12 70 74 78 01 V0 C4，输完按RST复位。 按七次STEP键，分别完成七个时钟，执行七条微指令。 1.2.9.2实验结论

程序装入模型机后，按step可以顺序执行；按TV可以查找不同单元内的内容。

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1.3设计任务三

设计指令/微指令系统

1.3.1实验目的

了解指令/微指令系统的设计。

1.3.2实验内容

LD A,#00 LOOP： ADD A,#01 OUT A GOTO LOOP (1)创建指令系统（助记符、机器码）。 (2)根据指令的功能设计相应微程序。

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1.3.2实验结果

图（8）

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图（9）

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1.4设计任务四

基于CPTH模型机的冒泡排序实验

1.4.1功能说明

输入4个16进制数据，临近的数字两两进行比较,按照从小到大或者从大到小的顺序进行交换，这样一趟过去后,最大或最小的数字被交换到了最后一位，然后再从头开始进行两两比较交换,直到倒数第二位时结束,其余类似。经程序处理，进行冒泡排序，最后由小到大依次输出。

1.4.2源程序代码

MOV R0,#0F0H ;将首地址存入到R0中

IN ;读入数据，读入的数据为排序的总共的数据，在试验中我们用的是4个数据 MOV @R0,A ;将累加器A的值即4存到R0的间址存储器中 MOV R1,A ;将累加器A的值送到R1中

AGAIN: ;汇编的标识符，到时候的循环好跳回来 MOV A,#01; 将01送到累加器A中

ADD A,R0 将寄存器R0的值送到累加器A中A=A+1，地址加一 MOV R0,A

IN ;输入要排序的数据 MOV @R0,A MOV A,R1

SUB A,#01H ;将A中的值剪一后送到A中即A=A-1，地址减一 MOV R1,A

JZ AGAIN1 ;若零标志位置为1，则跳转到AGAIN1 JMP AGAIN ;跳转到AGAIN AGAIN1:

;以上是数据的输入,下面开始排序

MOV R0,#0F0H MOV A,#1 ADD A,R0 MOV R3,A MOV A,0F0H

MOV R1,A ;把累加器A的值给R1；即把第一层的循环的次数给R1

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LOOP1: ;汇编中的循环标识，开始执行第一层循环 MOV A,R1 SUB A,#01H

MOV R2,A ;把累加器A的值给R2；即把第二层的循环的次数给R2 MOV A,R1

SUB A,#01H ;将A中的值剪一后送到A中即 MOV R1,A ;A=A-1，地址减一

MOV A,#0F1H ;把0F1H的地址送给累加器A

MOV R3,A ;在第二层循环之前把累加器A的第一个数的首地址给R3 JZ END ;第一层的循环结束，

LOOP2: ;汇编中的标识符，标识开始执行第二层循环 CMP:

MOV A,#01H ;给A赋地址 ADD A,R3 ;A的地址加一 MOV R3,A MOV A,@R3

MOV 0EEH,A ;将累加器A的值送到存储器）0EEH MOV A,R3

SUB A,#1 ;A的地址减一 MOV R3,A MOV A,0EEH

SUB A,@R3 ;比较相邻两个数的大小，在这里即是R3和R3+1

JC NEXT1 ;若进位标识为1，则跳转到NEXT1，即若R3>R3+1,则交换 JMP NEXT2 ;跳转到NEXT2，即不执行交换 END:

JMP NEXT3 NEXT2:

;一次比较结束R3=R3+1，R2=R2-1 MOV A,#01H ADD A,R3 MOV R3,A MOV A,R2 SUB A,#01H MOV R2,A

JZ LOOP1 ;若零标志为1，则跳到LOOP1，即若第二层循环结束，则跳到第一层循环 JMP LOOP2 ;跳到LOOP2，继续第二层的循环 NEXT3: JMP NEXT NEXT1:

;执行交换的代码 MOV A,#01H

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ADD A,R3 MOV R3,A MOV A,@R3 MOV 0E0H,A MOV A,R3 SUB A,#01H MOV R3,A MOV A,@R3 MOV 0E1H,A MOV A,0E0H MOV @R3,A MOV A,#01H

ADD A,R3 ;A=A+1地址加一 MOV R3,A MOV A,0E1H MOV @R3,A MOV A,R3 SUB A,#01

MOV R3,A ;A=A-1地址减一 JMP NEXT2 NEXT:

;执行输出的代码 MOV A,0F0H MOV R1,A

NEXT4:;汇编标识符 MOV A,#01H ADD A,R0 MOV R0,A MOV A,@R0 OUT;输出 MOV A,R1 SUB A,#01H MOV R1,A JZ OVER

JMP NEXT4;循环跳到NEXT4直到输出所有的排好序的数据 OVER: JMP OVER END

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1.4.3程序流程图

start 设置初始地址0f0h给R0 , , 设置存储排序数的首地址0f0h 输入要排序的个数为4 输入参加排序的数

把数据个数n=4送给R0，第一个数首地址0f0h给R3 YES If（n==0） NO R1的地址减一 给R2送入R1的地址 R3的地址加一 R3中两个相邻的数相比较 if R3R3+1 Change（R3，R3+1） R2的地址减一 NO If（R2==0） output 21 / 41

YES END 计算机组成原理课程设计报告

1.4.3测试结果

指令集

图（10）

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图（11）

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图（12）

未输入数据

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图（13）

输入数据4，表示有四个要排序的数

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图（14）

输入第一个要排序的数5

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图（15）

输入第二个要排的数8

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图（16）

输入第三个数1

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图（17）

输入第四个数据3

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图（18）

实验结束时箭头指在了over

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图（22）

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综合设计思考题

实验1.1 数据传送实验/输入输出实验综合思考题

1)控制位EMRD、PCOE、IREN的功能是什么？ 答：EMRD：程序存储器EM读信号。

PCOE：将程序计数器PC的值送到地址总线ABUS上。

IREN：将程序存储器EM读出的数据打入指令寄存器IR和微指令计数器uPC。

2)实验中IN指令的功能是将数据输入到哪个寄存器？输入的数据是什么？本实验的输出是如何实现的？

答：IN指令是将端口IN内容送入A寄存器； 输入的数据是从01H存储单元取出的数据； 输出是将A寄存器中的内容送到OUT端口。

3)在微程序控制方式中，uM的主要功能是什么？结合本实验简述其工作原理。

答：uM是微程序存储器，用来存储微程序内容，使能端标识符1为无效，0为有效，总共有24个控制信号来确定微指令的内容，实现微程序的操作功能。

4)在微程序执行过程中，PC和uPC的功能是什么？它们是怎样工作的?

答：PC为程序计数器，uPC微程序计数器。PC指出下一条机器指令的地址，uPC指出下一条微指令的地址。PC的地址送EM中，找到EM中对应地址的内容，EM的内容送到uPC，找到第一条微指令的地址。

实验1.2 数据运算实验（加/减/与/或）综合思考题

1)什么是直通运算？在本实验中，哪些地方用到了直通运算?

答：直通运算是将累加器A中的数据直接输出，不经过运算和移位。在本实验中，将运算结果传回A的过程是直通的 。

2)MAR在本实验中的功能是什么？如何测试？

答：MAR的功能是存储存储单元的地址，实验中用到间接寻址的地方都是先将地址打入到地址寄存器中，然后找到存储器中相应的存储单元。通过单微指令的操作进行可以看到数据的流向。

3)执行运算指令ADDC、SUB、AND、OR是否会影响标志位?各影响了哪些标志位？ 答：ADDC、SUB会影响标志位，影响了进位标志位。 4)结合本实验说明PC和uPC的功能和工作原理。

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答：PC是程序计数器，指出下一条指令的地址；uPC是微程序计数器，指出下一条微指令的地址；在程序的取址阶段，PC通过增量或断定方式得到，第一条微指令的地址由指令的内容决定。

5)总结本实验中所使用的模型机寻址方式。是否可以自行设计一个实验完成一些简单的数据传送、赋值、运算、数据传送、赋值、再运算?？

答 ：本实验依次用到了寄存器直接寻址，寄存器间接寻址，立即寻址，存储器直接寻址。实验代码如下： AGAIN:

MOV A,#01 //赋值

MOV R0,A //数据传送 SUB A,R0 //运算 JMP AGAIN END

实验1.7 指令流水实验综合思考题

1)什么是指令流水？指令流水有什么特点？

答：流水指令是指指令并行执行，指令流水的特点是速度快，效率高。

2)指令流水的理论和实验基础是什么？结合本实验说明。

答：实验中的指令流水操作，就是在微指令执行的过程中，在T1状态，如果ABUS和IBUS空闲，则可以利用这个空闲来进行预取指令，让ABUS、IBUS和DBUS并行工作。

3)在本实验中是如何实现指令流水的？你通过什么方法来测试？

答：本实验是将取址指令和其他指令并行执行来实现指令流水的，通过下面的单微指令操作的数据通路图可以看到。

助记符 状态 微地址 微程序 数据输出 数据输入 地址输出 uPC PC T0 00 CBFFFF 指令寄存器IR PC输出 写入 1

MOV A，#12 T1 7C C7FFF7 存储器值EM 寄存器A PC输出 1 1 T0 7D CBFFFF 指令寄存器IR PC输出 写入 1

MOV A,R0 T0 70 CBF7F7 寄存器值R？ 寄存器A，指令寄存器IR PC输出 写入 1 MOV A,@R0 T2 74 FF77FF 寄存器值R？ 地址寄存器MAR 1 T1 75 D7BFF7 存储器值EM 寄存器A MAR输出 1 T0 76 CBFFFF 指令寄存器IR PC输出 写入 1

MOV A,01 T2 78 C77FFF 存储器值EM 地址寄存器MAR PC输出 1 1 T1 79 D7BFF7 存储器值EM 寄存器A MAR输出 1 T0 7A CBFFFF 指令寄存器IR PC输出 写入 1

IN T0 C0 CBFF17 用户IN 寄存器A，指令寄存器IR PC输出 写入 1

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OUT T0 C4 CBDF9F ALU连通 指令寄存器IR PC输出 写入 1

4)本实验中控制信号OUTEN、X2X1X0、S2S1S0起到了怎样的控制作用？本实验中系统是如何实现取指令及取下条指令的？

答：OUTEN控制是将累加器A的数打入到OUT端口中； X2X1X0确定数据是否移位还是直通输出； S2S1S0确定ALU执行哪种运算；

通过PC自增的方式取址和确定下一条指令。

5)你认为本实验中的指令流水效率怎样？如何评价？

答：本实验的指令之间要求用到的总线不同再能并行操作，还不是很好。

6)结合本实验，你认为一个指令流水线的效率与哪些因素有关？通常可以通过哪些方法优化？

答：资源相关，和控制相关。可以使用多处理器，还有就是多条共享的总线。

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第2部分 个人报告

1.实验1.1思考题 2.设计任务一

3.设计任务二 实验7-9 4.参与设计任务四

1.完成ppt

2.完成1.2思考题

3.设计任务二 实验1-3 4.设计任务三

5.参与设计任务四

1.完成报告

2.完成1.7思考题

3.设计任务二 实验4-6 4.参与设计任务四

2.1组长个人报告

2.2组员1个人报告

2.3组员2个人报告

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参考文献

[1]白中英.计算机组成原理（第五版 立体化教材）.北京：科学出版社，2008

致谢

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/tp2o.html