CPU與簡(jiǎn)單模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系實(shí)驗(yàn)報(bào)告專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)課程名稱(chēng)計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)項(xiàng)目名稱(chēng)CPU與簡(jiǎn)單模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)班級(jí)學(xué)號(hào)姓名同組人員無(wú)實(shí)驗(yàn)日期2015-11一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握一個(gè)簡(jiǎn)單CPU的組成原理；2.在掌握部件單元電路的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將其構(gòu)造一臺(tái)基本模型計(jì)算機(jī)；3.為其定義五條機(jī)器指令，編寫(xiě)相應(yīng)的微程序，并上機(jī)調(diào)試掌握整機(jī)概念。二、實(shí)驗(yàn)邏輯原理圖與分析2.1實(shí)驗(yàn)邏輯原理圖及分析本實(shí)驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的CPU，并且在此CPU的基礎(chǔ)上，繼續(xù)構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的模型計(jì)算機(jī)。CPU由運(yùn)算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（RO）、指令寄存器（IR）、程序計(jì)數(shù)器（PC）和地址寄存器（AR）組成，如圖下圖所示。這個(gè)CPU在寫(xiě)入相應(yīng)的微指令后，就具備了執(zhí)行機(jī)器指令的功能，但是機(jī)器指令一般存放在主存當(dāng)中，CPU必須和貯存掛接后，才有實(shí)際的意義，所以還需要在該CPU的基礎(chǔ)上增加一個(gè)主存和基本的輸入輸出部件，以構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的模型計(jì)算機(jī)。基本CPU構(gòu)成原理圖系統(tǒng)的程序計(jì)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(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘，當(dāng)LOAD為低時(shí)，計(jì)數(shù)時(shí)鐘到來(lái)后將CPU內(nèi)總線的數(shù)據(jù)打入PC。程序計(jì)數(shù)器(PC)原理圖2.2邏輯原理圖分析本模型機(jī)；和前面微程序控制器實(shí)驗(yàn)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(jìn)制加法）、OUT（輸出）、JMP（無(wú)條件轉(zhuǎn)移）、HLT（停機(jī)）、其指令格式瑞霞（高4為為操作碼）：助記符機(jī)器指令碼說(shuō)明IN00100000IN->RO ADD00000000RO+RO->ROOUT00110000RO->OUTJMPaddr11100000********addr->PCHLT01010000停機(jī)其中JMP為雙字節(jié)指令，其余均為單字節(jié)指令，********為addr對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制地址碼。微程序控制器實(shí)驗(yàn)的指令是通過(guò)手動(dòng)給出的，現(xiàn)在要求CPU自動(dòng)從存儲(chǔ)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，當(dāng)擬定“取指”微指令時(shí)，該微指令的判別測(cè)試字段為P<1>測(cè)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<1>的測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)多分支。本機(jī)用指令寄存器的高6位（IR7—IR2）作為測(cè)試條件，出現(xiàn)5路分支，占用5個(gè)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(gè)微地址單元隨意填寫(xiě)，微程序流程圖上的但愿地址為16進(jìn)制。當(dāng)全部為程序設(shè)計(jì)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(jìn)制微代碼表”。簡(jiǎn)單模型機(jī)微程序流程圖

二進(jìn)制微代碼表地址十六進(jìn)制高五位S3—S0A字段B字段C字段MA5-MA00000000100000000000000000000000101006D4300000000011011010100001103107070000100000111000001110000040024050000000000100100000001010504B2010000010010110010000000011D105141000100000101000101000001300014040000000000010100000001003218300100000000001100000000000133280401000000000000010000000001350000350000000000000000001101013C006D5D000000000110110101011101數(shù)據(jù)通路圖及分析(畫(huà)出數(shù)據(jù)通路圖并作出分析)數(shù)據(jù)通路圖四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果分析4.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)分析如圖所示聯(lián)機(jī)寫(xiě)入的程序如下：;

//*************************************//

;

//

//

;

//

微控器實(shí)驗(yàn)指令文件//

;

//

//;

//

By

TangDu

CO.,LTD//;

//

//;

//*************************************//;

//**

End

Of

Main

Memory

Data

**//$P0020;START:INRO從IN單元讀入數(shù)據(jù)送RO$P0100;ADDRO,RORO和自身相加，結(jié)果送RO$P0230;OUTRORO的值送OUT單元顯示$P03E0;JMPSTART跳轉(zhuǎn)至00H地址$P0400$P0550;HLT停機(jī);

//*****

EndOf

Main

MemoryData

*****//;

//*****

Start

Of

MicroController

Data

*****//$M

00

000001

;

NOP$M

01

007070

;

CON(INS)->IR,

P<1>$M

04

002405

;

R0->B$M

05

04B201

;

A加B->R0$M

30

001404

;

R0->A$M

32

183001

;

IN->R0$M

33

280401

;

R0->OUT$M

35

000035

;

NOP;

//**

End

Of

MicroController

Data

**//聯(lián)機(jī)寫(xiě)入和校驗(yàn)后，得如下結(jié)果：（1）從IN單元讀入數(shù)據(jù)送至AR。首先，AR地址為00，計(jì)數(shù)器PC加1，機(jī)器指令代碼送至MEM單元，MEM=20。（2）MEM中的機(jī)器指令代碼送至IR單元，再到控制器，進(jìn)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(jì)數(shù)器PC加1，機(jī)器指令代碼送至MEM單元，MEM=00。（5）MEM中的機(jī)器指令代碼送至IR單元，再到控制器，進(jìn)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(jìn)行計(jì)數(shù)譯碼操作，將RO的值送至OUT單元，輸出。

（8）再進(jìn)行計(jì)數(shù)譯碼，跳轉(zhuǎn)到00，返回第一條機(jī)器指令4.2結(jié)果數(shù)據(jù)分析從IN單元輸入的數(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(shí)驗(yàn)問(wèn)題分析、思考題與小結(jié)5.1實(shí)驗(yàn)問(wèn)題分析實(shí)驗(yàn)要完整無(wú)錯(cuò)誤的進(jìn)行，首先要確保實(shí)驗(yàn)接線圖連線的正確性才能確保在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)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(dá)實(shí)驗(yàn)的目的；在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要理解每一步驟的原因，也加強(qiáng)自己的理解性和掌握程度；實(shí)驗(yàn)前要理解實(shí)驗(yàn)原理,以便于提高實(shí)驗(yàn)效果速率。5.2小結(jié)本次實(shí)驗(yàn)是CPU與簡(jiǎn)單模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，剛開(kāi)始可能是真的不懂該實(shí)驗(yàn)要干什么，對(duì)一些知識(shí)點(diǎn)很陌生，完全不知道怎么下手，后來(lái)通過(guò)老師和同學(xué)的幫助，慢慢知道了實(shí)驗(yàn)的目的。難怪別人都說(shuō)計(jì)算機(jī)組成原理不懂的通過(guò)做實(shí)驗(yàn)也就明白了。當(dāng)然，在學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)之前，預(yù)習(xí)是一定要的，這樣更能掌握實(shí)驗(yàn)的主要部分，以及操作流程，也能讓自己很快的上手，達(dá)到老師布置給我們的任務(wù)。還有一次實(shí)驗(yàn)就要結(jié)束了，希望自己能夠做到更好。得分（百分制）實(shí)驗(yàn)報(bào)告分析評(píng)價(jià)課程名稱(chēng)計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)班級(jí)實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)CPU與簡(jiǎn)單模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)間2015-1實(shí)驗(yàn)報(bào)告情況分析：實(shí)驗(yàn)報(bào)告分為五大部分：實(shí)驗(yàn)?zāi)康?；?shí)驗(yàn)邏輯原理圖與分析；數(shù)據(jù)通路圖及分析；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果分析；實(shí)驗(yàn)問(wèn)題分析、思考題與小結(jié)。其主要核心部分在第四節(jié)：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果分析，包含了實(shí)驗(yàn)的操作流程及數(shù)據(jù)的結(jié)果分析。當(dāng)然，其他部分也介紹了實(shí)驗(yàn)?zāi)康模砑皩?shí)驗(yàn)步驟，并且加了一些原理圖使其更好地理解。在實(shí)驗(yàn)報(bào)告最后還添加了實(shí)驗(yàn)問(wèn)題分析和小結(jié)部分，介紹了在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中自己遇到的問(wèn)題及注意事項(xiàng)。