CPU與簡單模型機設(shè)計 實驗報告

1、精選文檔計算機科學(xué)與技術(shù)系 實 驗 報 告專業(yè)名稱 計算機科學(xué)與技術(shù) 課程名稱 計算機組成與結(jié)構(gòu) 項目名稱 CPU與簡單模型機設(shè)計實驗 班 級 學(xué) 號 姓 名 同組人員 無 實驗日期 2015-11-15 一、實驗?zāi)康?.掌握一個簡單CPU的組成原理；2.在掌握部件單元電路的基礎(chǔ)上，進一步將其構(gòu)造一臺基本模型計算機；3.為其定義五條機器指令，編寫相應(yīng)的微程序，并上機調(diào)試掌握整機概念。二、實驗邏輯原理圖與分析2.1 實驗邏輯原理圖及分析本實驗要實現(xiàn)一個簡單的CPU，并且在此CPU的基礎(chǔ)上，繼續(xù)構(gòu)建一個簡單的模型計算機。CPU由運算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（RO）、指令寄存器

2、（IR）、程序計數(shù)器（PC）和地址寄存器（AR）組成，如圖下圖所示。這個CPU在寫入相應(yīng)的微指令后，就具備了執(zhí)行機器指令的功能，但是機器指令一般存放在主存當中，CPU必須和貯存掛接后，才有實際的意義，所以還需要在該CPU的基礎(chǔ)上增加一個主存和基本的輸入輸出部件，以構(gòu)成一個簡單的模型計算機。基本CPU構(gòu)成原理圖系統(tǒng)的程序計數(shù)器（PC）和地址寄存器（AR）集成在一片CPLD芯片中。CLR連接至CON單元的縱情斷CLR，按下CLR按鈕，將是PC清零，LDPC和T3相與后作為計數(shù)器的計數(shù)時鐘，當LOAD為低時，計數(shù)時鐘到來后將CPU內(nèi)總線的數(shù)據(jù)打入PC。程序計數(shù)器(PC)原理圖2.2 邏輯原理圖分析

3、本模型機；和前面微程序控制器實驗相比，新增加一條跳轉(zhuǎn)指令JMP，供有五條指令：IN（輸入）、ADD（二進制加法）、OUT（輸出）、JMP（無條件轉(zhuǎn)移）、HLT（停機）、其指令格式瑞霞（高4為為操作碼）：助記符機器指令碼說明IN0010 0000IN-ROADD0000 0000RO+RO-ROOUT0011 0000RO-OUTJMP addr1110 0000*addr-PCHLT0101 0000停機 其中JMP為雙字節(jié)指令，其余均為單字節(jié)指令，*為addr對應(yīng)的二進制地址碼。微程序控制器實驗的指令是通過手動給出的，現(xiàn)在要求CPU自動從存儲器讀取指令并執(zhí)行。系統(tǒng)涉及到的微程序流程如下圖所示

4、，當擬定“取指”微指令時，該微指令的判別測試字段為P測試。由于“取指”微指令是所有微程序都使用的公用微指令，因此P的測試結(jié)果出現(xiàn)多分支。本機用指令寄存器的高6位（IR7IR2）作為測試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個固定為地址單元，剩下的其他地方就可以一條微指令占用控制一個微地址單元隨意填寫，微程序流程圖上的但愿地址為16進制。當全部為程序設(shè)計完畢后，應(yīng)將每條微指令代碼化，下表即為將下圖的微程序流程圖按微指令格式轉(zhuǎn)化而成的“二進制微代碼表”。 簡單模型機微程序流程圖二進制微代碼表地址十六進制高五位S3S0A字段B字段C字段MA5-MA00000 00 01000000000000000000000

5、0010100 6D 430000000001101101010000110310 70 700001000001110000011100000400 24 050000000000100100000001010504 B2 010000010010110010000000011D10 51 410001000001010001010000013000 14 040000000000010100000001003218 30 010000000000110000000000013328 04 010000000000000100000000013500 00 35000000000000000

6、0001101013C00 6D 5D000000000110110101011101三、 數(shù)據(jù)通路圖及分析 (畫出數(shù)據(jù)通路圖并作出分析)數(shù)據(jù)通路圖 四、實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果分析 4.1 實驗結(jié)果數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)分析如圖所示聯(lián)機寫入的程序如下： ;/*/ ;/ / ;/ 微控器實驗指令文件 / ;/ / ;/ ByTangDuCO.,LTD / ;/ / ;/*/ ;/*EndOfMainMemoryData*/ $P 00 20 ;START:IN RO 從IN單元讀入數(shù)據(jù)送RO $P 01 00 ;ADD RO,RO RO和自身相加，結(jié)果送RO $P 02 30 ;OUT RO RO的值送OUT單

7、元顯示 $P 03 E0 ;JMP START 跳轉(zhuǎn)至00H地址 $P 04 00 $P 05 50 ;HLT 停機 ;/*End OfMainMemory Data*/ ;/*StartOfMicroControllerData*/ $M00000001;NOP $M01007070;CON(INS)-IR,P $M04002405;R0-B $M0504B201;A加B-R0 $M30001404;R0-A $M32183001;IN-R0 $M33280401;R0-OUT $M35000035;NOP ;/*EndOfMicroControllerData*/聯(lián)機寫入和校驗后，得如下結(jié)

8、果： （1）從IN單元讀入數(shù)據(jù)送至AR。首先，AR地址為00，計數(shù)器PC加1，機器指令代碼送至MEM單元，MEM=20。（2）MEM中的機器指令代碼送至IR單元，再到控制器，進行譯碼操作。 (3)RO寄存器讀入IN單元輸入的數(shù)據(jù)（4）AR地址為01，計數(shù)器PC加1，機器指令代碼送至MEM單元，MEM=00。（5）MEM中的機器指令代碼送至IR單元，再到控制器，進行譯碼操作。（6）將讀入的數(shù)據(jù)送到A暫存器，再送到B暫存器。最后將RO和自身相加，結(jié)果送到RO。（7）進行計數(shù)譯碼操作，將RO的值送至OUT單元，輸出。（8）再進行計數(shù)譯碼，跳轉(zhuǎn)到00，返回第一條機器指令 4.2 結(jié)果數(shù)據(jù)分析 從IN單

9、元輸入的數(shù)據(jù)是02，最后輸出的數(shù)據(jù)是04，結(jié)果是正確的。五、實驗問題分析、思考題與小結(jié)5.1實驗問題分析 實驗要完整無錯誤的進行，首先要確保實驗接線圖連線的正確性才能確保在進行實驗時數(shù)據(jù)通路流向以及數(shù)據(jù)的的正確性，這樣才能到達實驗的目的；在進行實驗過程中需要理解每一步驟的原因，也加強自己的理解性和掌握程度；實驗前要理解實驗原理,以便于提高實驗效果速率。5.2 小結(jié) 本次實驗是CPU與簡單模型機設(shè)計實驗，剛開始可能是真的不懂該實驗要干什么，對一些知識點很陌生，完全不知道怎么下手，后來通過老師和同學(xué)的幫助，慢慢知道了實驗的目的。難怪別人都說計算機組成原理不懂的通過做實驗也就明白了。當然，在學(xué)習實驗

10、之前，預(yù)習是一定要的，這樣更能掌握實驗的主要部分，以及操作流程，也能讓自己很快的上手，達到老師布置給我們的任務(wù)。還有一次實驗就要結(jié)束了，希望自己能夠做到更好。得分（百分制） 實驗報告分析評價課程名稱計算機組成與結(jié)構(gòu)班 級實驗名稱CPU與簡單模型機設(shè)計實驗時 間2015-11-15實驗報告情況分析： 實驗報告分為五大部分：實驗?zāi)康模粚嶒炦壿嬙韴D與分析；數(shù)據(jù)通路圖及分析；實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果分析；實驗問題分析、思考題與小結(jié)。其主要核心部分在第四節(jié)：實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果分析，包含了實驗的操作流程及數(shù)據(jù)的結(jié)果分析。當然，其他部分也介紹了實驗?zāi)康?，原理及實驗步驟，并且加了一些原理圖使其更好地理解。 在實驗報告最后還添加了實驗問題分析和小結(jié)部分，介紹了在實驗過程中自己遇到的問題及注意事項。經(jīng)驗總結(jié)及進一步改進措施： 本次實驗是CPU與簡單模型機設(shè)計實驗，剛開始可能是真的不懂該實驗要干什