Cpu与简单模型机
CPU与简单模型机设计实验
CPU与简单模型机设计实验1.实验目的和背景CPU是计算机的核心部件，负责执行各种运算和指令。
在现代计算机系统中，CPU的设计日益复杂和精密，其中包含了大量的逻辑单元、寄存器、控制器等组件。
本实验旨在通过设计一个简单的模型机，使学生们对CPU的基本原理和运作方式有一个直观的理解，并通过实际操作加深对计算机系统的理解。
2.实验内容和步骤本实验将分为以下几个步骤来完成：1）硬件设计：首先，根据CPU的基本原理和结构，设计一个简单的模型机，包括运算单元、寄存器、控制器等组件。
可以参考经典的冯·诺伊曼结构，根据实际需要添加一些功能模块。
2）指令设计：设计若干简单的指令集，包括算术运算、逻辑运算、跳转等指令。
指令集的设计应考虑到CPU的硬件结构，使其能够有效地执行这些指令。
3）程序编写：编写一些简单的程序，包括对指令集的测试、算术运算、逻辑运算等，以验证CPU的正确性和性能。
4）实验报告：总结实验中的设计过程、实现方法、遇到的问题以及解决方案，对设计的CPU进行性能评估和改进。
3.实验材料和工具1）计算机：用于进行程序编写和模拟实验，可以选择使用现有的模拟器或者在线平台。
2）模型机器材料：包括集成电路芯片、面包板、导线、电阻、电容等，用于搭建实验平台。
3）编程工具：用于程序编写和调试，可以选择使用C语言、Python 等高级语言。
4.实验预期结果和意义通过本次实验，学生们将能够深入了解CPU的基本原理和工作原理，掌握计算机系统的设计和实现方法。
同时，通过实际操作，学生们可以锻炼自己的设计能力、解决问题的能力和团队合作能力。
这对于深入理解计算机科学的理论知识、提高实践能力和培养创新思维具有重要意义。
5.实验总结通过本次实验，我对CPU的工作原理和计算机系统的设计有了更深入的理解，掌握了一定的设计和实现方法。
在实验过程中遇到了一些问题，如指令集设计不够合理、硬件连接错误等，通过团队合作和思考，最终得以解决。
CPU-与简单模型机设计实验
评语: 课中检查完成的题号及题数：课后完成的题号与题数：成绩: 自评成绩: 85实验报告实验名称：CPU 与简单模型机设计实验日期：2015.11.17 班级： 2 学号：13 姓名：周小多一、实验目的：1. 掌握一个简单CPU 的组成原理。
2. 在掌握部件单元电路的基础上，进一步将其构造一台基本模型计算机。
3. 为其定义五条机器指令，编写相应的微程序，并上机调试掌握整机概念。
二、实验内容：1.要实现一个简单的CPU，并且在此CPU 的基础上，继续构建一个简单的模型计算机。
CPU 由运算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0），指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）组成,如图2-1-1 所示。
这个CPU 在写入相应的微指令后，就具备了执行机器指令的功能，但是机器指令一般存放在主存当中，CPU 必须和主存挂接后，才有实际的意义，所以还需要在该CPU 的基础上增加一个主存和基本的输入输出部件，以构成一个简单的模型计算机。
2.本模型机和前面微程序控制器实验相比，新增加一条跳转指令JMP，共有五条指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），HLT（停机），其指令格式如下（高４位为操作码）：助记符机器指令码说明IN 0010 0000 IN→R0ADD 0000 0000 R0 + R0→R0OUT 0011 0000 R0→OUTJMP addr 1100 0000 addr→ PCHLT 0101 0000 停机3. 设计一段机器程序，要求从IN 单元读入一个数据，存于R0，将R0 和自身相加，结果存于R0，再将R0 的值送OUT 单元显示。
根据要求可以得到如下程序，地址和内容均为二进制数。
地址内容助记符说明00000000 00100000 ; START: IN R0 从IN 单元读入数据送R000000001 00000000 ; ADD R0,R0R0 和自身相加，结果送R000000010 00110000 ; OUT R0R0 的值送OUT 单元显示00000011 11100000 ; JMP START跳转至00H 地址00000100 0000000000000101 01010000 ; HLT停机三、项目要求及分析：1. 试修改现有的指令系统，将加法指令的功能修改为R0的内容和某个存储单元的内容相加;增加存数、取数和减法三条机器指令，指令助记符分别为STA、LAD 和SUB，指令操作码分别为十六进制的60、70和80。
简单模型机操作方法
简单模型机操作方法简单模型机是一种用于教学和研究的计算机模拟工具，用于演示和理解计算机运行原理。
下面是简单模型机的基本操作方法：1. 加载程序：打开模型机软件，点击“文件”或“加载”选项，选择要加载的程序文件。
程序文件通常是一个文本文件，包含一条或多条指令。
2. 设置内存：在模型机中，程序和数据都存储在内存中。
点击“内存”或“设置内存”选项，可以设置内存的大小和初始值。
3. 运行程序：点击“运行”或“开始”选项，模型机将从内存的指定地址开始执行程序。
程序会逐条执行指令，并对数据进行处理。
4. 查看寄存器：模型机中有一些特殊的寄存器，用于存储计算过程中的中间结果和控制信息。
可以点击“寄存器”或“查看寄存器”选项，查看寄存器的值。
5. 调试程序：如果程序出现错误或不正常的运行状态，可以使用模型机的调试功能。
可以逐条执行程序，查看指令的执行情况，并进行相应的调整和修复。
6. 修改程序：如果需要修改程序，可以点击“编辑”或“修改程序”选项，将程序加载到编辑器中进行修改。
修改完成后，可以重新加载程序并运行。
7. 查看输出：程序执行过程中，可能会产生一些输出结果。
可以点击“输出”或“查看输出”选项，查看程序的输出结果。
8. 保存和导出：如果需要保存当前的模拟结果或程序状态，可以点击“保存”或“导出”选项，将结果保存到指定的文件中。
这样可以方便后续的查看和分析。
总的说来，简单模型机的操作方法主要包括加载程序、设置内存、运行程序、查看寄存器、调试程序、修改程序、查看输出和保存导出等几个基本步骤。
不同的模型机软件可能有一些差异，具体操作方法可以根据软件的使用手册进行参考。
计算机组成原理之模型机的详细介绍
模型机详细介绍1. 模型机的结构模型机主要由运算器、控制器、存储器、数据总线、输入输出和时序产生器组成，模型机的结构图如图1所示。
图1 模型机结构图（1）运算器。
运算器又由运算逻辑单元、数据暂存器、通用寄存器组成。
在图1模型机的结构图中，ALU、ALU_G和74299组成运算逻辑单元，其中ALU是由2个4位的74LS181串联成8位的运算器，ALU_G是ALU-G实现用于控制ALU的运算结果的输出，74299用74LS299实现用于对ALU的运算结果进行移位运算；数据暂存器在图1中由DR1和DR2组成，DR1和DR2都是用74LS273实现，它们用于存储运算器进行运算的两个操作数；通用寄存器在图1中由R0、R1和R2组成，R0、R1和R2都是用74LS374实现，它们用作目的寄存器和源寄存器。
（2）控制器。
控制器由微程序控制器、指令寄存器、地址寄存器和程序计数器组成。
在图1中微程序控制器表示为MControl，它里面存放了指令系统对应的全部微程序，微程序控制器是由微控制存储器和3个138译码器实现（A138、B138和P138），用于产生控制信号来控制各个组件的工作状态；在图1中指令寄存器表示为IR，指令寄存器由一个74LS273实现，用于存放当前正在执行的指令；在图1中地址寄存器表示为AR，地址寄存器由一个74LS273实现，在读取或者写入存储器时用于指明要读取或写入的地址；程序计数器在图1中由PC_G和PC组成，其中PC是由八位二进制同步计数器实现，用于产生程序指针pc的下一个值，PC_G由PC-G实现，用于存储程序的程序指针pc的值。
（3）存储器。
存储器在图1中表示为MEN，存储器用静态随机存储器6116实现，用来存储用户程序和数据。
（4）数据总线。
数据总线用于连接运算器、存储器、输入输出等模块，数据总线由ccp_DataBus实现。
（5）输入输出。
输入输出类似于键盘和显示器。
（6）时序产生器。
简单模型机实验报告
简单模型机实验报告篇一：模型机实验报告HUNAN UNIVERSITY课程实习报告题目：模型机学生姓名学生学号 XX0801328专业班级计算机科学与技术（3）班指导老师方恺晴完成日期思考题：1. 给定一个复合运算式子以及指令码IR[7..5]与八位BUS总线对应情况。
要求写出七条指令新的指令码并写出复合运算执行mif文件。
修改模型机电路调试程序以实现复合运算。
例：已知A=55H，B=8AH，C=F0H；IR[7..5]对应BUS8,BUS1,BUS3；写出(Aplus/B)^(/(/CplusB))的mif文件，并在模拟机上实现。
答：模拟机电路修改如下：存储器预设指令重设：计算结果：(A+/B)^(/(/C+B))=42H2. Microcomputer.vhd代码中进程ct1，ct2，ct3，ct4功能划分依据是什么？ct1：微序列控制器下址跳转。
ct2：实现各种指令，主要集中在实现从存储器或者寄存器释放数据到总线上。
ct3：完成各种指令，从总线上装载数据到相应的存储器或者寄存器中。
ct4：生成下址，判断下址生成方式，根据不太那个的方式生成下址。
3. Microcomputer.vhd代码中如何定义并初始化RAM？type ram is array(0 to 37)of std_logic_vector(7 downto 0); --38*8ramsignal ram8:ram:=(x”20”, x”1e”, x”80”, x”40”, x”20”, x”20”, x”1d”, x”c0”, x”20”, x”40”, x”21”, x”20”, x”1f”, x”80”, x”40”, x”22”, x”20”, x”1e”, x”c0”, x”22”, x”80”, x”e0”, x”21”, x”40”, x”23”, x”60”, x”23”, x”a0”, x”00”, x”55”, x”8a”, x”f0”,others=>x”00”) –initialize ram44. Microcomputer.vhd代码中bus_reg_t2 将ram8存储器中对应于ar中地址单元的数据取出来放到bus_reg_t2寄存器中。
计算机组成原理-简单模型机设计课设
目录摘要 (2)前言 (3)正文 (4)一、设计目的和设计原理 (4)1.1设计目的 (4)1.2设计原理 (4)二、总体设计 (7)三、详细设计 (8)3.1运算器的物理结构 (8)3.2存储器系统的组成与说明 (11)3.3指令系统的设计与指令分析 (12)3.4微程序控制器的逻辑结构及功能 (14)3.5微程序的设计与实现 (18)四、系统调试 (27)总结 (29)参考文献 (30)致谢 (31)摘要根据设计任务书要求，本设计要实现完成一个简单计算机的设计，主要设计部分有运算器，存储器，控制器以及微指令的设计。
其中运算器由运算芯片和寄存器来完成,存储器由总线和寄存器构成，使用硬布线的方式实现控制器，从而完成设计要求。
:关键词：基本模型机的设计；运算器；存储器；控制器；前言计算机组成原理是计算机科学技术学科的一门核心专业基础课程。
从课程的地位来说，它在先导课程和后续课程之间起着承上启下的作用。
计算机组成原理讲授单处理机系统的组成和工作原理，课程教学具有知识面广，内容多，难度大，更新快等特点。
此次课程设计目的就是为了加深对计算机的时间和空间概念的理解, 增强对计算机硬件和计算机指令系统的更进一步了解。
计算机组成原理课程设计目的是为加深对计算机工作原理的理解以及计算机软硬件之间的交互关系。
不仅能加深对计算机的时间和空间的关系的理解，更能增加如何实现计算机软件对硬件操作，让计算机有条不紊的工作。
正文一、设计目的和设计原理1.1设计目的融会贯通计算机组成原理课程中各章的内容，通过知识的综合运用，加深对计算机系统各模块的工作原理及相互联系的认识，特别是对硬连线控制器的认识，建立清晰的整机概念。
对计算机的基本组成、部件的设计、部件间的连接、微程序控制器的设计、微指令和微程序的编制与调试等过程有更深的了解,加深对理论课程的理解。
在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统地构造一台基本模型计算机。
CPU 与简单模型机设计实验
《计算机组诚愿理》实验报告实验序号：04 实验项目名称： CPU 与简单模型机设计实验（2）载入指令文件，进行验证：（3）运行指令（程序）：将时序与操作台单元的开关KK1 和KK3 置到‘运行’档，实验类型选择简单模型机，CON单元中按CLR清零，检测结果是否与预测的一致。
四、实验结果与数据处理(过程分析):(1)启动IN单元，向其中输入操作数（这里值为03）；（2）启动程序计数器（PC），然后自动进行加1操作，将指令地址存放到地址寄存器（AR）；（3）从存储器当中读取指令，并将它存放到指令寄存器（IR）当中，然后对指令进行编译处理，形成控制信号，来控制各个部件的工作；（4）启动读操作，将IN单元当中操作数（03）读入到R0寄存器；（5）接着从PC中取出第二条指令的地址，并自动加1,并将它存放到AR当中；（6）从存储器当中取出第二条指令，并将它存放到IR当中，并进行编译；（7）将存储器R0中的03值送到A和B当中；（8）启动ALU运算器，执行加操作，并将运算结果送往R0当中；（8）同样从PC当中第三条指令（将运算结果送往OUT单元显示），取指令流程与上述类似；执行操作，将运算结果送往OUT单元进行显示；五、分析与讨论(心得)答：这是一个简单的CPU是由运算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0），指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）组成；这个实验是了解了一些指令：：IN（输入）、ADD（二进制加法）、OUT（输出）、JMP （无条件转移），HLT（停机）；再者，就是观察运行载入的指令文件的过程，通过数据通路图整个过程的变化即数据的流向及处理情况，尝试着去理解CPU在MC的控制下CPU的其他部件（ALU RO IR PC AR）的调用和处理的细节；通过这。
简单模型机的微程序设计
微指令000001001110000000001010
执行的操作是：存储器CE有效,存储器读,LDAR,转微地址：0A
微指令000001001010000000001011
执行的操作是：存储器CE有效,存储器读,LDDR1,转微地址：0B
微指令000001110000101000000001
执行的操作是：算术:A,数码管LEDB有效,写LED,ALU→B,转微地址：01
异或指令XOR RD，RS：(RS)异或(RD)→(RD)
四．进度安排
共1.5周11天的时间，具体安排如下：
1~2天：对整个课程设计的内容做详细的讲解，并辅导学生完成课程设计指导书的学习，使其掌握和理解课程设计的核心内容；
3 ~5天：学生在机房学习熟悉课程设计所使用的仿真软件，并深入了解该仿真软件所实现 的模型机的指令系统（原有的5条指令）和微程序设计方法；
6~9天：在原有5条机器指令的基础上增加实现下述各功能的机器指令，试设计相应的机器指令的格式并改写原来的微程序使其可以运行所有的机器指令；
10~11天：根据自己设计的微程序系统写出相应的课程设计实验报告；
五．成绩评定
六．正文
一、模型机的CPU及系统硬件
基本模型机的CPU及系统硬件组成如图1所示
图1 模型机的CPU及系统硬件组成
课程设计报告
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1.写入微程序
将下面微代码写入芯片
地址
HEX
高八位
A字段
21，19-12位
CN_I
S3-S0
uM_PC7..uM_PC0
00
6F0ED001
6F
00
0 11101101
0
0000
01
08
3B0AF009
3B
00
0 10101111
0
0000
09
09
5D0AF00A
5D
00
0 10101111
PC+1IN---RO
RO---B
R0----A
A+B----RO
RO---OUT
实验过程及
结果记录
一 准备好实验仪
二．写入微程序，机器程序
三．本机运行（出现错误）
输入数据10101000即为A8
多次检验发现错误，微指令与机器指令的首地址出现问题
实验结果
分析
思考
1在不同地址 输入微指令（信号
uM_PC7..uM_PC0
计算机组成原理实验报告
实验名称
Cpu与简单模型机
实验日期
2016.11.14
学生姓名
学号
班级
实验目的
（简述实验的目的及意义）
(1) 了解并掌握一个基础的CPU的组成原理
(2) 在前几章介绍的各单元电路的基础上，构造一个简单模型计算机
(3) 给简单模型机设计4条机器指令，并编写每条机器指令的微指令，上机调试，掌握整机概念。
;START：IN R0
;从IN单元读入数据送 R0
00000001
0000 0000
; ADD R0，R0
;R0 + R0 -> R0
00000010
1010 1100
; OUT R0
;R0的值送OUT单元显示
00000011
1110 0111
; JMP START
;跳转至00H地址
00000100
0000 0000
3运行
实验仪器及元件
STAR COP2018实验仪一套、PC机一台。
实验
原理及电
路图
一般的微指令格式由操作控制和顺序控制两部分构成。
操作控制部分用来发出管理和指挥全机工作的控制信号。
其顺序控制部分用来决定产生下一个微指令的地址。事实上一条机器指令的功能是由许多条微指令组成的序列来实现的。这个微指令序列通常叫做微程序。既然微程序是由微指令组成的，那么当执行当前的一条微指令的时候。必须指出后继微指令的地址，以便当前一条微指令执行完毕以后，取下一条微指令执行。
）
在地址输入机器指令，执行微程序，进行加和(这里的地址和前面的地址要相同)
2这是个细心的事情
收
获
感
想
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3F
2.写入机器程序
00000000
1010 1000