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1、word
計算機科學與技術系
實 驗 報 告
專業(yè)名稱 計算機科學與技術
課程名稱 計算機組成與結構
項目名稱 CPU與簡單模型機設計實驗
班 級
學 號
姓 名
同組人員 無
實驗日期2015-11-15
一、實驗目的
1.掌握一個簡單CPU的組成原理；
2.在掌握部件單元電路的根底上，進一步將其構造一臺根本模型計算機；
3.為其定義五條機器指令，編寫
2、相應的微程序，并上機調試掌握整機概念。
二、實驗邏輯原理圖與分析
2.1 實驗邏輯原理圖與分析
本實驗要實現(xiàn)一個簡單的CPU，并且在此CPU的根底上，繼續(xù)構建一個簡單的模型計算機。CPU由運算器〔ALU〕、微程序控制器〔MC〕、通用存放器〔RO〕、指令存放器〔IR〕、程序計數(shù)器〔PC〕和地址存放器〔AR〕組成，如圖如如下圖所示。這個CPU在寫入相應的微指令后，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的根底上增加一個主存和根本的輸入輸出部件，以構成一個簡單的模型計算機。
根本CPU構成原理圖
系統(tǒng)的程
3、序計數(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相與后作為計數(shù)器的計數(shù)時鐘，當LOAD為低時，計數(shù)時鐘到來后將CPU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
本模型機；和前面微程序控制器實驗相比，新增加一條跳轉指令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
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
其中JMP為雙字節(jié)指令，其余均為單字節(jié)指令，********為addr對應的二進制地址碼。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)涉與到的微程序流程如如如下圖所示，當擬定“取指〞微指令時，該微指令的判別測試字段為P<1>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<1>的測試結果出現(xiàn)多分支。本機用指令存放
5、器的高6位〔IR7—IR2〕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。
當全部為程序設計完畢后，應將每條微指令代碼化，下表即為將如如下圖的微程序流程圖按微指令格式轉化而成的“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
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
6、110
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
7、011
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)和結果分析
4.1 實驗結果數(shù)據(jù)和結果數(shù)據(jù)分析如如下圖
聯(lián)機寫入的程序如下：
;?//*********************
8、****************//?
;?//?? //?
;?//? 微控器實驗指令文件 //?
;?//? //
;?//? 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 跳轉至00H地址
$P 04 00
$P 05 50 ;HLT 停機
;?//*****?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?Micr
12、oController?Data??**//
聯(lián)機寫入和校驗后，得如下結果：
〔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，結果送到RO。
〔7〕進展計數(shù)譯
13、碼操作，將RO的值送至OUT單元，輸出。
〔8〕再進展計數(shù)譯碼，跳轉到00，返回第一條機器指令
4.2 結果數(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，結果是正確的。
五、實驗問題分析、思考題與小結
實驗要完整無錯誤的進展，首先要確保實驗接線圖連線的正確性才能確保在進展實驗時數(shù)據(jù)通路流向以與數(shù)據(jù)的的正確性，這樣才能到達實驗的目的；在進展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
本次實驗是CPU與簡單模型機設計實驗，剛開始可能是真的不懂該實驗要干什么
14、，對一些知識點很陌生，完全不知道怎么下手，后來通過教師和同學的幫助，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，在學習實驗之前，預習是一定要的，這樣更能掌握實驗的主要局部，以與操作流程，也能讓自己很快的上手，達到教師布置給我們的任務。還有一次實驗就要完畢了，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
計算機組成與結構
班 級
實驗名稱
CPU與簡單模型機設計實驗
時 間
2015-11-15
實驗報告情況分析：
實驗報告分為五大局部：實驗目的；實驗邏輯原理圖與分析；數(shù)據(jù)通路圖與分析；實驗數(shù)據(jù)和
15、結果分析；實驗問題分析、思考題與小結。其主要核心局部在第四節(jié)：實驗數(shù)據(jù)和結果分析，包含了實驗的操作流程與數(shù)據(jù)的結果分析。當然，其他局部也介紹了實驗目的，原理與實驗步驟，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局部，介紹了在實驗過程中自己遇到的問題與須知事項。
經(jīng)驗總結與進一步改良措施：
本次實驗是CPU與簡單模型機設計實驗，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，后來通過教師和同學的幫助，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，在學習實驗之前，預習是一定要的，這樣更能掌握實驗的主要局部，以與操作流程，也能讓自己很快的上手，達到教師布置給我們的任務。還有一次實驗就要完畢了，希望自己能夠做到更好。
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CPU與簡單模型機設計 實驗資料報告材料
