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

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1、word 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2015-11-15 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1.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根底上，進(jìn)一步將其構(gòu)造一臺(tái)根本模型計(jì)算機(jī)； 3.為其定義五條機(jī)器指令，編寫(xiě)

2、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)邏輯原理圖與分析 本實(shí)驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的CPU，并且在此CPU的根底上，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〕、通用存放器〔RO〕、指令存放器〔IR〕、程序計(jì)數(shù)器〔PC〕和地址存放器〔AR〕組成，如圖如下圖所示。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的根底上增加一個(gè)主存和根本的輸入輸出部件，以構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的模型計(jì)算機(jī)。 根本CPU構(gòu)成原理圖 系統(tǒng)的程序

3、計(jì)數(shù)器〔PC〕和地址存放器〔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(xiàn)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 IN 0010 0000 IN->RO ADD 0

4、000 0000 RO+RO->RO OUT 0011 0000 RO->OUT JMP addr 1110 0000 ******** addr->PC HLT 0101 0000 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)涉與到的微程序流程如如下圖所示，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)用指令存放器

5、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，下表即為將如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—S0 A字段 B字段 C字段 MA5-MA0 00 00 00 01 00000 0000 000 000 000 000001 01 00 6D 43 00000 0000 11

6、0 110 101 000011 03 10 70 70 00010 0000 111 000 001 110000 04 00 24 05 00000 0000 010 010 000 000101 05 04 B2 01 00000 1001 011 001 000 000001 1D 10 51 41 00010 0000 101 000 101 000001 30 00 14 04 00000 0000 001 010 000 000100 32 18 30 01 00000 0000 01

7、1 000 000 000001 33 28 04 01 00000 0000 000 010 000 000001 35 00 00 35 00000 0000 000 000 000 110101 3C 00 6D 5D 00000 0000 110 110 101 011101 三、 數(shù)據(jù)通路圖與分析(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)分析如下列圖 聯(lián)機(jī)寫(xiě)入的程序如下： ;?//***********************

8、**************//? ;?//?? //? ;?//? 微控器實(shí)驗(yàn)指令文件 //? ;?//? // ;?//? By?TangDu?CO.,LTD // ;?//? /

9、/ ;?//*************************************// ;?//**?End?Of?Main?Memory?Data??**// $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單元顯示

10、 $P 03 E0 ;JMP START 跳轉(zhuǎn)至00H地址 $P 04 00 $P 05 50 ;HLT 停機(jī) ;?//*****?End Of?Main?Memory Data?*****// ;?//*****?Start?Of?MicroController?Data?*****// $M?00?000001?;?NOP

11、$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?MicroC

12、ontroller?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)展譯碼操作。 (3)RO存放器讀入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)展譯碼操作。 〔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)展計(jì)數(shù)譯碼操

13、作，將RO的值送至OUT單元，輸出。 〔8〕再進(jìn)展計(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) 實(shí)驗(yàn)要完整無(wú)錯(cuò)誤的進(jìn)展，首先要確保實(shí)驗(yàn)接線(xiàn)圖連線(xiàn)的正確性才能確保在進(jìn)展實(shí)驗(yàn)時(shí)數(shù)據(jù)通路流向以與數(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)展實(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)

14、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)教師和同學(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)的主要局部，以與操作流程，也能讓自己很快的上手，達(dá)到教師布置給我們的任務(wù)。還有一次實(shí)驗(yàn)就要完畢了，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 2015-11-15 實(shí)驗(yàn)報(bào)告情況分析： 實(shí)驗(yàn)報(bào)告分為五大局部：實(shí)驗(yàn)?zāi)康?；?shí)驗(yàn)邏輯原理圖與分析；數(shù)據(jù)通路圖與分析；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果

15、分析；實(shí)驗(yàn)問(wèn)題分析、思考題與小結(jié)。其主要核心局部在第四節(jié)：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果分析，包含了實(shí)驗(yàn)的操作流程與數(shù)據(jù)的結(jié)果分析。當(dāng)然，其他局部也介紹了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，原理與實(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)局部，介紹了在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中自己遇到的問(wèn)題與須知事項(xiàng)。 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與進(jìn)一步改良措施： 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)教師和同學(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)的主要局部，以與操作流程，也能讓自己很快的上手，達(dá)到教師布置給我們的任務(wù)。還有一次實(shí)驗(yàn)就要完畢了，希望自己能夠做到更好。 10 / 10