(完整word版)CPU与简单模型机实验
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。
(完整word版)CPU与简单模型机设计实验
图5-1-1 基本CPU 构成原理图除了程序计数器（PC）,其余部件在前面的实验中都已用到，在此不再讨论。
系统的程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）集成在一片CPLD 芯片中 .CLR 连接至CON 单元的总清端CLR,按下CLR 按钮，将使PC 清零，LDPC 和T3 相与后作为计数器的计数时钟,当LOAD为低时，计数时钟到来后将CPU 内总线上的数据打入PC。
如图5-1—2所示。
图5-1—2 程序计数器（PC）原理图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)：其中JMP 为双字节指令,其余均为单字节指令，＊**＊＊＊＊*为addr 对应的二进制地址码。
微程序控制器实验的指令是通过手动给出的，现在要求CPU 自动从存储器读取指令并执行。
根据以上要求，设计数据通路图,如图5—1—3 所示。
本实验在前一个实验的基础上增加了三个部件,一是PC（程序计数器），另一个是AR(地址寄存器），还有就是MEM（主存）。
因而在微指令中应增加相应的控制位，其微指令格式如表5-1—1 所示.图5—1-3 数据通路图表5—1-1 微指令格式系统涉及到的微程序流程见图5-1—4 所示，当拟定“取指”微指令时，该微指令的判别测试字段为P<1〉测试。
指令译码原理见图3—2-3 所示，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〉的测试结果出现多路分支。
本机用指令寄存器的高6 位(IR7—IR2）作为测试条件，出现５路分支，占用５个固定微地址单元，剩下的其它地方就可以一条微指令占用控存一个微地址单元随意填写,微程序流程图上的单元地址为16 进制。
图5-1-4 简单模型机微程序流程图当全部微程序设计完毕后,应将每条微指令代码化,表5-1-2 即为将图5-1—4 的微程序流程图按微指令格式转化而成的“二进制微代码表”。
CPU与简单模型机设计实验中的关键问题分析
CPU与简单模型机设计实验中的关键问题分析摘要：模型机设计实验是计算机组成原理实验中的一个综合性较强的实验，要求学生在掌握各部件单元电路的基础上，构建一台模型计算机。
文章选用TD-CMA实验教学系统，针对采用微程序控制器设计的CPU与简单模型机设计实验，从连线排查、指令设计、微程序设计、指令控制、程序运行等方面分析该实验中的关键问题，并给出每个问题的解决方法。
关键词：计算机组成原理；微程序控制器；简单模型机；TD-CMA0 引言CPU与简单模型机设计实验是计算机组成原理实验中的一个综合性较强的实验，对学生的理论要求、能力要求较高。
在美国的一些主流大学中，计算机组成原理实验强调从顶层（应用和软件）到底层（硬件）的掌握与了解，实验方式一般采用高级语言实现对硬件的模拟；有些大学则要求学生采用VHDL、Verilog 等硬件描述语言进行功能部件和小型系统的设计与实现，并在FPGA等硬件上进行测试验证。
从文献[4]可以看出，国内大学计算机组成原理课程的实验已经由验证性实验逐渐过渡到处理器设计及计算机系统搭建的层次上。
与模型机设计相关的实验仍然是重点实验内容，只是实现方式和难度不同。
例如，有些学校开设的实验会引入MIPS、流水、Cache等功能设计。
根据控制器部件的工作原理，模型机控制器可分为硬布线控制器和微程序控制器两种，还可根据设计的模型机所含指令系统分为简单模型机和具有特定功能的模型机，因此模型机的设计也有不同的类型。
笔者选取微程序控制器的基本模型机设计进行分析。
TD-CMA教学实验系统是西安唐都科教仪器公司推出的新一代计算机组成原理与系统结构教学实验设备。
该系统硬件的电路布局按照计算机组成结构进行模块化设计，配有CMA’监控软件，可以实现从部件到整机实验的数据通路图实时动态图形调试界面演示，且都具有单拍、单周期、连续等调试功能，通路图的调试过程也具有保存和回放功能。
笔者采用TD-CMA实验教学系统，针对以微程序控制器为基础的简单模型机设计实验，从连线排查、指令设计、微程序设计、指令控制、程序运行等多个方面分析微程序控制器模型机实验中的关键问题，给出了每个问题的解决方法。
Cpu与简单模型机
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
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。
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。
非常简单CPU和相对简单CPU模拟
实验三非常简单CPU和相对简单CPU模拟一、实验目的：本次实验主要是在非常简单和相对简答的CPU模拟器上观察程序的运行，更加形象直观的了解CPU中程序运行的各个步骤以及各个寄存器和逻辑单元在各个步骤时发挥的作用。
加深对CPU的分析和理解。
二、实验方法：在Java Runtime Eviroment软件平台下通过运行CPU模拟器，输入指令程序，然后运行，直接观察CPU的寄存器部分和状态图部分的运行，记录并进行分析，理解。
三、实验准备：在启动模拟器之前必须先行安装Java Runtime Eviroment软件，准备好VSCPU.zip、RSCPU.zip两个文件，并建目录“c:\实验”，将VSCPU.zip、RSCPU.zip 放置其中。
四、实验步骤与截图分析：（一）、非常简单CPU1、安装Java Runtime Eviroment软件，将目录c:\实验下的VSCPU.zip解压至D:\vscpu2、打开D:\vscpu\VSCPU中的index.html页面以运行“非常简单CPU模拟器”。
3、打开D:\vscpu\VSCPU\Very Simple-FLASH\VerSimpleCPUSCREEN.html，观看该模拟器使用方法的动画。
4、输入程序，在模拟器中观察程序的运行。
ADD 4 AND 5 INC JMP 0 db 27 db 395、点击View register section，图如下6、点击View memory，可看到如下图：7、点击View control unit，可看到控制单元如下图：8、执行过程描述：1)（初始状态全部寄存器均为0，每个状态开始前CLK均有效。
）2)FETCH1阶段：ARLOAD有效，PC寄存器输出储存数值0000 0000到AR。
3)FETCH2阶段：PCINC、DRLOAD、MEMBUS、储存器READ信号有效。
储存器输出数据0000 0100传送到DR。
计算机组成原理实验(基本模型机实验)
实验六 基本模型机的设计与实现
⑶ 根据微程序流程图设计微指令并转换成 16进制代码文件。 当全部微程序设计完毕后，应将每条微指 令代码化，即按微指令格式将微程序流程 图转化成二进制微代码表，如下表所示， 再转换成16进制代码文件。
实验六 基本模型机的设计与实现
监控程序的16进制文件格式（文件名C8JHE1）： 程序： ＄P00 00 ＄P01 10 ＄P02 0A ＄P03 20 ＄P04 0B ＄P05 30 ＄P06 0B ＄P07 40 ＄P08 00 ＄P0A 01
实验六 基本模型机的设计与实现
⑴有关微控制器部分在前一实验中已详细介绍 ⑵ 主存储器的读、写和运行 为了向主存储器RAM中装入程序或数据，并且检查写入是否正确以及 能运行主存储器中的程序，必须设计三个控制操作微程序。 ·存储器读操作：拨动总清开关后，置控制开关SWC、SWA为“0 0”时， 按要求连线后，连续按“启动运行”开关，可对主存储器RAM连续手动 读操作。 ·存储器写操作：拨动总清开关后，置控制开关SWC、SWA为“0 1”时， 按要求连线后，再按“启动运行”开关，可对主存储器RAM进行连续手 动写入。 ·运行程序：拨动总清开关后，置控制开关SWC、SWA为“1 1”时，按要 求连线后，再按“启动运行”开关，即可转入到第01号“取址”微指令， 启动程序运行。 上述三条控制指令用两个开关SWC、SWA的状态来设置，其定义如下：
实验六 基本模型机的设计与实现
2、实验步骤 ⑴ 根据实验原理设计数据通路框图，如下图。
实验六 基本模型机的设计与实现
⑵ 根据机器指令画出对应的微程序流程图 本实验的微程序流程见下图，当拟定“取指”微指令时， 该微指令的判别测试字段为P（1）测试。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）的测 试结果出现多路分支。本机用指令寄存器的前4位I7～I4作 为测试条件，出现5路分支，占用5个固定微地址单元。 实验机控制操作为P（4）测试，它以控制开关SWC、 SWA作为测试条件，出现了3路分支，占用3个固定微地 址单元。当分支微地址单元固定后，剩下的其它地方就可 以一条微指令占用控存一个微地址单元随意填写。 注意：微程序流程图上的单元地址为16进制。
实验三：“相对简单CPU模拟器”实验
实验三：“相对简单CPU模拟器”实验（一般要求）一．实验目的：运行模拟器各部分，体会RSCPU内部数据通路、寄存器、运算器、控制器的功能，体会CPU的运行机制。
二．实验内容：1、安装java虚拟机：运行jre-6u13-windows-i586-p.exe；2、安装RSCPU模拟器：将RSCPU.zip拷贝至机器，解压缩，生成RSCPU文件夹；3、打开RSCPU\RSCPU\中的index.html页面以运行“相对简单CPU模拟器”。
4、输入教材P01习题19程序(见附注)，在模拟器中观察程序的运行，以验证RSCPU的设计及程序的正确性：5、在Please Enter Code Below窗口中输入程序后，还需要点击Assemble对程序进行汇编，无语法错误后才能运行模拟器；6、内存单元1001H到100AH单元的内容需要自己定义。
可以在模拟器的汇编程序编辑窗口利用伪指令DB定义（例如教材P168验证VSCPU时所用），也可以在模拟器的View Memory窗口中的Edit功能直接编辑内存单元内容。
运行完后应该会自行查看1000H单元的内容（结果）；附注程序：LDAC 1001HMV ACLDAC 1002HADDMV ACLDAC 1003HADDMV ACLDAC 1004HADDMV ACLDAC 1005HADDMV ACLDAC 1006HADDMV ACLDAC 1007HADDMV ACLDAC 1008HADDMV ACLDAC 1009HADDMV ACLDAC 100AHADDSTAC 1000H三实验步骤：1把以上附注程序复制入相对简单CPU模拟器中，编译通过后，通过对存储器1001h-100ah赋初值实现如图：初值情况如图：2赋完初值以后在寄存器部分run里面点击开始，开始执行程序：寄存器部分如图：控制单元如图：ALU部分如图：3、下面从一个程序执行周期内解释寄存器步伐：Trace of Program:在执行每一条指令前，都会执行fetch1 、fetch2、fetch3Fetch1: 控制单元T0有效。
CPU与简单模型机设计实验
CPU与简单模型机设计实验一、引言CPU（Central Processing Unit，中央处理器）是计算机的重要组件之一，是计算机执行指令和进行数据处理的核心部件。
CPU的设计和优化是计算机科学的重要研究方向之一、在这个实验中，我们将通过设计一个简单的模型机来了解和学习CPU的基本原理和功能。
二、实验目的1.学习和了解CPU的基本构成和原理。
2.掌握基本的CPU设计和优化方法。
3.熟悉并加深对计算机体系结构的理解。
三、实验材料和设备1.实验平台：个人电脑或计算机模拟软件。
2. 设计工具：Verilog HDL（硬件描述语言）。
四、实验内容和步骤1.确定模型机的指令集和寄存器组。
-指令集是指计算机所能执行的所有指令的集合。
可以选择一些常用的指令来构建指令集。
-寄存器组是CPU内部用于存储和操作数据的一组寄存器。
可以选择一些通用寄存器和专用寄存器来构建寄存器组。
2.设计模型机的指令执行流程。
-指令执行流程是指CPU执行每个指令时所经过的步骤和操作。
可以使用流程图或状态转移图来描述指令执行流程。
3.设计并实现CPU的数据通路。
-数据通路是指CPU内部的数据传输路径和控制信号。
可以使用各种逻辑门和触发器来实现数据通路。
4.设计并实现模型机的控制部件。
-控制部件是CPU内部用于控制指令执行流程的部件。
可以使用有限状态机或控制存储器等方法来实现控制部件。
5.编写并调试模型机的控制程序。
-控制程序是指一段能够实现特定功能的指令序列。
可以使用汇编语言来编写和调试控制程序。
6.运行和测试设计的模型机。
-在模型机上执行一些简单的指令，观察和分析其执行结果，进行性能测试和优化。
五、实验结果与分析通过完成以上实验内容，我们将得到一个简单的模型机，并能够执行一些简单的指令。
我们可以通过观察和分析指令的执行结果，了解和学习CPU的基本原理和功能。
此外，我们还可以根据实际情况对模型机进行性能测试和优化，以提升其执行效率和性能。
(完整word版)CPU组成与机器指令执行实验
CPU组成与机器指令执行实验一、实验目的（1）将微程序控制器同执行部件（整个数据通路）联机，组成一台模型计算机；（2）用微程序控制器控制模型机数据通路；（3）通过CPU运行九条机器指令（排除中断指令）组成的简单程序，掌握机器指令与微指令的关系，牢固建立计算机的整机概念。
二、实验电路本次实验用到前面四个实验中的所有电路，包括运算器、存储器、通用寄存器堆、程序计数器、指令寄存器、微程序控制器等，将几个模块组合成为一台简单计算机。
因此，在基本实验中，这是最复杂的一个实验，也是最能得到收获的一个实验。
在前面的实验中，实验者本身作为“控制器”，完成数据通路的控制。
而在本次实验中，数据通路的控制将由微程序控制器来完成。
CPU从内存取出一条机器指令到执行指令结束的一个机器指令周期，是由微指令组成的序列来完成的，即一条机器指令对应一个微程序。
三、实验设备（1）TEC－４计算机组成原理实验系统一台（2）双踪示波器一台（3）直流万用表一只（4）逻辑测试笔一支四、实验任务（1）对机器指令系统组成的简单程序进行译码。
将下表的程序按指令格式手工汇编成十六进制机器代码，此项任务应在预习时完成。
（2）按照下面框图，参考前面实验的电路图完成连线，控制器是控制部件，数据通路（包括上面各模块）是执行部件，时序产生器是时序部件。
连线包括控制台、时序部分、数据通路和微程序控制器之间的连接。
其中，为把操作数传送给通用寄存器组RF，数据通路上的RS1、RS0、RD1、RD0应分别与IR3至IR0连接，WR1、WR0也应接到IR1、IR0上。
开关控制控制台时序发生器时序信号开关控制指示灯信号控制信号时序信号控制信号微程序控制器数据通路指令代码、条件信号模型计算机连线示意图（3）将上述任务（1）中的程序机器代码用控制台操作存入内存中，并根据程序的需要，用数码开关SW7—SW0设置通用寄存器R2、R3及内存相关单元的数据。
注意：由于设置通用寄存器时会破坏内存单元的数据，因此一般应先设置寄存器的数据，再设置内存数据。
计算机组成原理 实验八 简单模型计算机实验
实验八简单模型计算机实验一、实验目的1)通过实验分析简单模型机结构，了解计算机的工作原理。
2)掌握计算机微程序控制器的控制方法，掌握计算机指令执行过程二、实验原理基本整机模型数据框图如图所示，计算机数据通路的控制将由微程序控制器来完成，CPU从内存中取出一条机器指令到指令执行结束的一个指令周期全部由微指令组成的序列来完成，即一条机器指令对应一个微程序。
数据的通路从程序计数器PC的地址送到主存的地址寄存器，根据地址寄存器的内容找到相应的存储单元。
存储器中的数据是指令时，那么数据是从RAM送到总线，再从总线送到IR 中。
存储器中的数据是需要加工的数据时，那么数据是从RAM送到总线，再动总线送到通用寄存器中等待加工。
数据加工过程中，两个数据是从总线上将数据分别分时压入两个暂存器中，等待运算部件的加工，在数据加工完成以后。
运算结果是通过三太门送到总线上。
三态门的控制时由微控制器来控制。
图：模型机的数据通路图三、实验过程1.连线按实验逻辑原理图连接以下控制信号。
1)时钟单元（CLOCK UNIT）的T1-T4接到微程序控制单元（MAIN CONTROL UNIT）的T1-T4.2)手动控制开关单元（MANUAL UNIT）的KA ，KB接到指令单元（INS UNIT）的KA，KB。
3)指令单元（INS UNIT）的J（1）-J（5）、SE6-SE0、B-IR 接到的微程序控制单元（MAIN CONTROL UNIT）的J（1）-J（5）、SE6-SE0、B-IR。
4)输入/输出单元（INPUT/OUTPUT UNIT）IO-W，IO-R接到微程序控制单元（MAINCONTROL UNIT）的IO-W，IO-R,Ai接到地址单元（ADDRESS UNIT）的A0.5)主存储器单元（MEM UNIT）M-W、M-R接到微程序控制单元（MAIN CONTROLUNIT）的M-W、M-R，A7-A0 接到地址单元（ADDRESS UNIT）的A7-A0.6)地址单元（ADDRESS UNIT）的B-AR、B-PC、PC+1、PC-B接到微程序控制单元（MAIN CONTROLUNIT）的B-AR、B-PC、PC+1、PC-B.7)通用寄存器单元（REG UNIT）的B-R、R0-B 接到微程序控制单元（MAINCONTROL UNIT）的B-DR、DR-B。
CPU与简单模型机设计实验
CPU与简单模型机设计实验CPU（中央处理器）是计算机中的核心部件，负责执行指令和处理数据。
而简单模型机设计实验是指通过设计和实现一个简单的模型机，来体验计算机工作原理和计算机体系结构。
在这样一个实验中，我们可以从以下几个方面来详细讨论CPU与简单模型机设计实验。
1.CPU的基本组成CPU是由控制单元（CU）和算术逻辑单元（ALU）两个主要部分组成。
控制单元负责解析指令、获取数据和控制数据的流动，而算术逻辑单元则负责执行算术和逻辑运算。
在简单模型机设计实验中，我们需要设计和实现这两个组件，同时还需要考虑其他辅助组件，如寄存器和存储器等。
这些组件的设计和实现将直接影响CPU的性能和功能。
2.指令集架构设计CPU的指令集架构是指CPU所支持的指令集合和指令的格式。
指令集架构的设计需要考虑到计算机的功能需求、指令的执行效率以及编程的便利性等因素。
在简单模型机设计实验中，我们可以定义一些基本的指令，如加载数据、执行运算、存储数据等。
指令的编码格式可以采用二进制或者其他适合的方式。
通过设计和实现这些指令，我们可以模拟CPU对指令的解析和执行。
3.流水线设计流水线是指将CPU的指令和数据处理过程划分成若干个阶段，并同时在不同阶段处理多条指令。
流水线设计可以提高CPU的性能和效率。
在简单模型机设计实验中，我们可以考虑将指令执行过程划分为取指、解码、执行、访存和写回等阶段，并同时处理多条指令。
通过设计和实现这样的流水线，可以提高CPU的吞吐量和并行处理能力。
4.性能评估和优化在CPU和简单模型机设计实验中，我们可以进行性能评估和优化。
性能评估可以通过测量CPU的时钟周期、执行指令的速度和吞吐量等指标来进行。
而优化则可以通过改进指令设计、优化算法和增加硬件资源等方式来完成。
在简单模型机设计实验中，我们可以通过调整指令的执行顺序、使用更高效的算法和增加硬件资源来优化设计。
这些优化将直接影响CPU的性能和效率。
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 XX.5.28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实验
计算机组成原理简单模型机实验计算机组成原理是计算机工程专业一个非常重要的课程，它涉及到计算机硬件的各个方面。
其中，模型机实验是计算机组成原理中的一个非常重要的环节，旨在让学生在实践中深入理解计算机各个部件之间的工作原理。
模型机实验一般采用简单的电路元件模拟计算机的各种功能，例如通过用IC门电路模拟ALU、寄存器、时钟等计算机组成部件，来实现一些实际的计算机操作。
通过实验，学生可以更加深入地掌握计算机组成原理中的各个知识点，理解计算机的底层工作原理。
模型机实验一般分为两个阶段。
第一个阶段是构建模型机，学生需要根据实验指导书上的设计图纸，自己组装一个包含CPU、RAM、ROM 等各种计算机组成部件的模型机。
第二个阶段是操作模型机来完成各种计算机操作，例如实现加法、减法、乘法等运算，实现简单的数据存储和读取等。
在模型机实验中，学生需要深入理解电路原理，熟练掌握计算机组成原理中的各个知识点，例如数据传输、ALU运算、寄存器管理等。
同时，学生还需要具备一定的动手能力和实验技巧，例如熟练使用焊接工具和电路测试仪器，能够快速准确地找出电路中的故障点。
通过模型机实验，不仅可以加深学生对计算机组成原理的理解，同时还能提高学生的动手能力和实验技巧，培养学生的创新精神和独
立思考能力。
因此，模型机实验是计算机组成原理课程中一个非常重要的环节，是学生提高自身能力和素质的重要途径。
基本模型机实验报告
基本模型机实验报告一、实验目的本实验旨在通过构建一个基本模型机，深入了解计算机的工作原理，包括数据的二进制表示、指令执行、内存管理以及简单的输入输出。
二、实验设备1. 微处理器（如 Intel 8080）2. 存储器芯片（如 Intel 2114）3. 输入设备（如开关或键盘）4. 输出设备（如LED灯或显示器）5. 电源三、实验步骤步骤一：构建模型机根据实验设备，将微处理器、存储器、输入设备和输出设备连接起来，形成一个简单的模型机。
确保所有连接正确无误，电源供应稳定。
步骤二：数据表示与存储在模型机中，使用二进制数表示数据。
将数据存储在存储器中，并观察数据在存储器中的表示形式。
例如，使用开关模拟二进制数的0和1，将开关按下表示0，不按下表示1。
步骤三：指令执行编写简单的汇编指令，如加法指令，并在模型机上执行。
观察指令的执行过程，包括取指令、解码指令、执行指令和写回结果等步骤。
步骤四：内存管理模拟内存的读写操作，了解内存地址的概念以及如何通过地址访问存储在内存中的数据。
观察内存地址的增加和减少对数据读写的影响。
步骤五：输入输出操作通过输入设备输入数据，观察模型机如何将输入的数据存储在内存中。
然后通过输出设备输出数据，了解输出数据的表示形式。
四、实验结果与分析通过本次实验，我们了解了计算机的基本工作原理，包括数据的二进制表示、指令执行、内存管理和输入输出操作。
在实验过程中，我们观察到微处理器负责执行指令，存储器用于存储数据和指令，输入设备用于输入数据，输出设备用于输出数据。
此外，我们还了解了内存地址的概念以及如何通过地址访问存储在内存中的数据。
五、结论与建议本次实验使我们深入了解了计算机的基本工作原理，并掌握了构建简单模型机的方法。
为了进一步提高实验效果，建议在未来的实验中增加更多的设备和功能，例如中断处理、多任务处理等，以便更全面地了解计算机的工作原理。
同时，建议在实验过程中注重细节和观察，以便更好地理解实验结果和原理。
实验6-简单模型机原理实验指导
实验六、简单模型机组成原理实验一、实验目的：1. 在掌握各部件功能的基础上，组成一个简单的计算机整机系统—模型机；2. 了解微程序控制器是如何控制模型机运行的，掌握整机动态工作过程;3. 定义五条机器指令，编写相应微程序并具体上机调试。
二、预习要求：1. 复习计算机组成的基本原理；2. 预习本实验的相关知识和内容三、实验设备：EL-JY-II型计算机组成原理实验系统一套，排线若干。
四、模型机结构：模型机结构框图见图6-1。
图中运算器ALU由U7—U10四片74LS181构成，暂存器1由U3、U4两片74LS273构成，暂存器2由U5、U6两片74LS273构成。
微控器部分控存由U13—U15三片2816构成。
除此之外，CPU的其它部分都由EP1K10集成（其原理见系统介绍部分）。
存储器部分由两片6116构成16位存储器，地址总线只有低八位有效，因而其存储空间为00H—FFH。
输出设备由底板上的四个LED数码管及其译码、驱动电路构成，当D-G和W/R均为低电平时将数据总线的数据送入数码管显示。
在开关方式下，输入设备由16位电平开关及两个三态缓冲芯片74LS244构成，当DIJ-G为低电平时将16位开关状态送上数据总线。
在键盘方式或联机方式下，数据可由键盘或上位机输入，然后由监控程序直接送上数据总线，因而外加的数据输入电路可以不用。
注：本系统的数据总线为16位，指令、地址和程序计数器均为8位。
当数据总线上的数据打入指令寄存器、地址寄存器和程序计数器时，只有低8位有效。
五、工作原理：在实验5中，我们学习了如何设计微程序来产生各部分的控制信号。
在本实验中我们将学习读、写机器指令和运行机器指令的完整过程。
在机器指令的执行过程中，从CPU从内存取出一条机器指令到执行结束为一个指令周期，指令由微指令组成的序列来完成，一条机器指令对应一段微程序。
另外，读、写机器指令也分别由相应的微程序段来完成。
为了向RAM中装入程序和数据，检查写入是否正确，并能启动程序执行，必须设计三个控制操作微程序。
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五、实验问题分析、思考题与小结
实验问题分析：
在完成实验线路的连接之后，手动写入、校验后发现在连线过程中出现错误导致输入的数据无法传输入RO寄存器中，通过检查线路后发现并进行正确的修改。
思考题：
1.当前的数据通路是由哪条微指令实现的？
R0->B。
2.当前微指令有几个微命令有效？
(3)RO寄存器读入IN单元输入的数据
（4）AR地址为01，计数器PC加1，机器指令代码送至MEM单元，MEM=00。
（5）MEM中的机器指令代码送至IR单元，再到控制器，进行译码操作。
（6）将读入的数据送到A暂存器，再送到B暂存器。最后将RO和自身相加，结果送到RO。
（7）进行计数译码操作，将RO的值送至OUT单元，输出。
计算机科学与技术系
实 验 报 告
专业名称软件工程
课程名称计算机组成原理
项目名称CPU与简单模型机设计实验
班 级
学 号
姓 名
同组人员
实验日期
一、实验目的与要求
（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。
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000001
01
00 6D 43
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04 B2 01
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得分（百分制）
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110101
3C
00 6D 5D
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110
101
011101
结果分析：
（1）从IN单元读入数据送至AR。首先，AR地址为00，计数器PC加1，机器指令代码送至MEM单元，MEM=20。
（2）MEM中的机器指令代码送至IR单元，再到控制器，进行译码操作。
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1D
10 51 41
00010
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101
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30
00 14 04
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18 30 01
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011
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28 04 01
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000001
35
00 00 35
二、实验逻辑原理图与分析
分析：本实验要实现一个简单的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。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。
三、数据通路图及分析(画出数据通路图并作出分析)
微指令：PC->AR,PC加1，MEM->IR,P<1>
微指令：IN->RO
微指令：R0->A,R0->B,A加B->R0
微指令：R0->OUT
四、实验数据和结果分析实验数据：源自地址十六进制高五位
S3-S0
A字段
B字段
C字段
MA5-MA0
00
00 00 01
两个微命令有效，分别是R0_B#和LDB。
3.当前微指令的微地址？
04。
4.当前微指令是解释执行哪条机器指令的？
ADD。
5.当前的微程序有几条微指令？
三条。
6.基本模型机实验执行了几个微程序？实现了哪些功能？
五个，实现了IN->R0，R0+R0->R0，R0->OUT,addr->PC、停机等功能。