简单模型计算机的设计
简单模型计算机的设计
简单模型计算机的设计简单模型计算机的设计该设计是根据计算机组成原理课程所学的知识，设计、开发的一套简单模型机。
是在DVCC 试验机上实现的，此系列实验系统作为较高层次、专用于计算机原理课程教学实验的实验计算机系统具有良好的实验性能和系统的完整性以及可扩展性。
良好的实验性体现在DVCC 系列机能很好地完成计算机硬件系统各功能部件的教学实验，它包括运算器部件、控制器部件、主存储器部件、总线和几种最重要的外设接口实验，包括中断、定时计数器、输入/输出接口等；计算机的CPU 自行设计与实现，配有小的监控程序，有自己的汇编语言的支持。
在相应软件的配合下，将各功能部件有机的结合起来，完成计算机整机的实验。
系统的完整性体现在DVCC 系列机与学生常见到的简单计算机大体相同，其主要组成与运行方式和PC 机差不多，该系列机是一台硬软件相对完整、配置巧妙合理的完整的计算机系统，通过它能体现出重要教学内容、能完成主要教学实验项目。
可扩展性体现在（1）支持高级与初级两个层次上两种方式的实验，高层次的实验方式是指DVCC 系列机与PC 微机连起来运行，可以动态显示整个实验过程中数据流的流向和当前的各种参数；初级实验方式是指不接任何计算机外围设备，只用DVCC 系列机上的开关、按键及指示灯、数码管显示器等操作，控制实验机的运行，同时显示运行的结果。
（2）在基本系统上支持多项扩展功能，它包括一个在系统大规模可编程器件，一个并行接口电路，一个定时/计数器电路，一个用万能接线板组成的通用扩展实验板。
本设计完成一个简单模型计算机的设计，设计中使用的运算器是74LS181，存储器是6264，与相应的译码电路、锁存电路以及输入输出电路组成了模型机的硬件基础。
当然光有硬件电路不是一个完整的计算机，本设计还设计了相应的微指令和微程序组成具有一定功能的指令系统，包括IN,OUT,STA,LDA,JMP,BZC,CLR,MOV,ADD,AND 等指令。
第3讲—简单模型机设计(微程序实现)
4、微程序编写
编写程序
MOV1
MOV2 ADD
MOV3
HALT
05#，R0 01#，R1 R0， R1 R1，（FA#）
（2）操作码二进制代码
MOV1：0001
MOV2：0010 ADD ： 0011
MOV3：0100
HALT： 0101
基本字长 8位 7 4 3 2 1 0 指令格式 操作码OP 寻址方式 寄存器号 寻址方式 寄存器号 源操作数
30↓ R0 +R1 →R1 ↓ PC → MAR ↓ JP
40↓ ↓ PC→ MAR G=1 ↓ PC+1→ PC ↓ RAM → MAR ↓ R1→ RAM ↓ PC → MAR ↓ JP
（5）编制微程序
根据指令流程和微指令格式就可以开始编制
微程序。 指令流程中每一个流程对应一条微指令，结 合总体结构框图图1，写出这个流程所对应的 数据通路的控制命令。 例RAM→IR所需的控制命令是MA， ， CPIR并在表3-1中的相应位置填写上“1”， 不需要的命令填写“0”。 另外每一条微指令都要确定下条微指令地址 的生成方式。
图9中的 后继地址形成电路
功能：多路选择器 当JP=1，QJP=0时，Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0 = μIR15 μIR14 μIR13 μIR12 μIR11 μIR10 μIR9 μIR8 当JP=0，QJP=1时，Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0 = IR7 IR6 IR5 IR4 0000 链接时， Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0连接µPC的D7~D0, µPC的RE接高电 平vcc。
操作码OP共4位，最多可定义16条指令。
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
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
计算机组成原理课程设计---——简单模型机的微程序设计
课程设计报告课程名称：计算机组成原理系别：姓名：班级：学号：成绩：指导教师：开课时间：20 -20 学年第学期一．设计题目计算机组成原理课程设计——简单模型机的微程序设计二．主要内容通过课程设计更清楚地理解下列基本概念：1.计算机的硬件基本组成；2.计算机中机器指令的设计3.计算机中机器指令的执行过程；4.微程序控制器的工作原理。
5.微指令的格式设计原则；在此基础上设计可以运行一些基本机器指令的微程序的设计三．具体要求置数指令 IN 置数开关SW（KD0～KD7）的状态→R0加法指令 ADD R0,，(addr)：(R0)+(addr)→（R0）存数指令 STA R0，（addr）：(R0)→（addr）输出指令 OUT （addr）：(addr)→输出设备"LED"跳转指令 JMP （addr）：addr→PC或指令OR RD，RS：(RS)或(RD)→(RD)新加法指令 NADD (addr1)，(addr2)：(addr1)加(addr2)→(RD)异或指令XOR (addr1)，(addr2)：(addr1)异或(addr2)→(RD)与指令AND RD，RS：(RS)与(RD)→(RD)求反指令 NOT RD：/(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及系统硬件组成各部件的功能及控制信号如下：运算器由算逻部件ALU（8位）、暂存器DR1、DR2及通用寄存器等组成。
计算机组成原理实验八简单模型计算机实验
计算机组成原理实验八简单模型计算机实验关键信息项：1、实验目的2、实验设备3、实验原理4、实验步骤5、数据记录与分析6、注意事项7、故障处理8、实验结果评估标准11 实验目的本实验旨在通过构建和操作简单模型计算机，深入理解计算机组成原理中的核心概念，包括数据存储、运算处理、指令执行等，培养学生的实际动手能力和对计算机系统的综合理解能力。
111 具体目标1111 掌握简单模型计算机的基本结构和工作原理。
1112 熟悉各种指令的编码和执行过程。
1113 能够运用所学知识设计和实现简单的计算任务。
12 实验设备121 硬件设备计算机主机、实验箱、连接线等。
122 软件工具特定的模拟软件、编程环境等。
13 实验原理131 模型计算机结构包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等主要部件，以及它们之间的连接和协同工作方式。
132 指令系统定义了各种操作指令的格式、功能和编码方式。
133 数据存储与传输说明数据在存储器中的存储方式和在各部件之间的传输机制。
14 实验步骤141 连接实验设备按照正确的方式将计算机主机与实验箱等设备进行连接，并确保连接稳定可靠。
142 启动软件工具打开相应的模拟软件和编程环境，进行初始化设置。
143 设计指令序列根据实验要求，设计一系列的指令来完成特定的计算任务。
144 输入指令到模型计算机通过编程环境将指令输入到模型计算机的存储器中。
145 启动模型计算机运行设置相关参数，启动模型计算机执行指令序列。
146 观察运行过程和结果密切观察模型计算机在执行指令过程中的各种状态变化，以及最终的输出结果。
15 数据记录与分析151 记录实验过程中的关键数据包括指令的执行时间、存储器的状态变化、运算结果等。
152 对数据进行分析对比预期结果，分析实验数据的准确性和合理性，找出可能存在的偏差和错误原因。
16 注意事项161 设备操作规范严格按照设备的操作说明进行连接和使用，避免因不当操作造成设备损坏。
计算机组成原理-简单模型机设计课设
计算机组成原理-简单模型机设计课设在计算机科学领域中，计算机组成原理是一门重要的学科，涉及到计算机系统的各个组成部分和原理。
而在计算机组成原理的学习中，设计一个简单的模型机则是一项非常有益的任务。
本文将会以设计一个简单的模型机为主题，讨论其组成原理和实现技术。
一、引言通过设计一个简单的模型机，我们将能够更深入地理解计算机的工作原理和内部结构。
这个项目旨在模拟计算机的基本组成部分，并能够执行一些基本的指令。
二、模型机的组成1. 中央处理器 (Central Processing Unit, CPU)模型机的中央处理器是整个系统的核心，负责执行指令和控制其他部件的工作。
CPU由运算器、控制器和寄存器组成。
运算器负责进行算术逻辑运算，控制器负责解析和执行指令，而寄存器则用于保存中间结果和控制信息。
2. 存储器 (Memory)存储器是用于存储数据和指令的部件。
在这个简单的模型机中，我们可以使用随机存储器 (Random Access Memory, RAM)来实现。
RAM 能够以快速和随机的方式读写数据，供CPU使用。
3. 输入输出系统 (Input/Output System)为了能够与外部世界进行交互，模型机需要一个输入输出系统。
这可以包括键盘、显示器、磁盘驱动器等外部设备。
输入输出系统负责将数据从外部设备传输到存储器或CPU，并将结果从CPU传输到外部设备。
4. 总线系统 (Bus System)在模型机中，各个部件之间需要进行数据和指令的传输。
总线系统提供了这样的通信渠道，以便不同的部件可以相互通信和交换信息。
三、模型机的工作原理1. 指令的解析和执行当计算机接收到一个指令时，控制器首先进行解析，并确定需要执行的操作。
然后，将指令传递给运算器进行计算或者传送到存储器读取相应的数据。
2. 数据的读写在指令的执行过程中，模型机可能会需要从存储器中读取数据，或者将计算结果写入存储器。
这个过程需要通过总线系统进行数据的传输。
计算机硬件课程设计--简单模型机设计
计算机硬件综合课程设计报告简单模型机设计一、设计要求硬件：TDN-CM+计算机组成原理实验系统一台，PC机一台，排线若干，串口线一根。
软件：CMP软件二、设计目的1.通过对一个简单计算机的设计，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。
2.通过这次课程设计，建立整机的概念，对程序进行编辑，校验，锻炼理论联系实际的能力。
3.通过本次课程设计熟悉和训练设计思路与实现方法。
4.通过本次课程设计锻炼团队合作的能力和团队问题的解决。
三、设计电路及连线设计电路及连线实验图如下图1-1所示。
图 1-1 简单模型机连线图四、设计说明本次课程设计将能在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令的功能。
这里，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。
本次课程设计采用五条机器指令：IN （输入）、ADD （二进制加法）、STA （存数）、OUT （输出）、JMP （无条件转移），其指令格式如下（前4位为操作码）：助记符 机器指令码 说 明 微程序入口地址 IN 0000 0000 “INPUT DEVICE ”中 10 的开关状态→R0 0001 0000 ×××× ×××× R0+[addr]→R0 11 0010 0000 ×××× ×××× R0→[addr] 12 0011 0000 ×××× ×××× [addr]→BUS 13 0100 0000 ×××× ×××× addr →PC 14 ADDaddr STAaddr OUTaddr JM P addr其中，IN 为单字长（8位），其余为双字长，×××× ××××为addr 对应的二进制地址码。
CH04MARIE：简单计算机模型
CH04MARIE：简单计算机模型MARIE — An Introduction to a Simple Computer4.1.1 CPU的基本知识和组成原理中央处理器(central processing unit, CPU)的任务就是负责提取程序指令,并对指令进行译码,然后按程序规定的顺序对正确的数据执行各种操作.中央处理器可以分成两部分:第一部分是数据通道(datapath),它是一种由存储单元(寄存器)和算术逻辑单元(对数据执行各种操作)所组成的网络.这些组件通过总线(总线是传递数据的电子线路)连接起来,并利用时钟来控制时间.第二部分是控制单元(control unit),该模块负责对各种操作进行排序并保证各种正确的数据适时地出现在所需的地方.工作任务:提取指令,指令译码和按规定的顺序执行各种操作.寄存器寄存器(register)是一种存储二进制数据的硬件设备.寄存器位于处理器的内部,所以处理器可以非常快地访问寄存器中存储的各种信息.寄存器的大小有:16位,32位和64位.可以向寄存器写入或从其读取信息,信息也可以在不同的寄存器之间传递.寄存器的编址方式与存储器不同.每一存储器字都有一个唯一的二进制地址,这些地址从0开始进行编码.寄存器则是由CPU内部的控制单元进行编址和处理的.现代计算机系统中有各种不同类型的专用寄存器:存储信息的寄存器,进行数值移位的寄存器,进行数值比较的寄存器和计数寄存器,还有"中间结果"寄存器用来存储临时数据值,变址寄存器用来控制程序的循环操作,堆栈指针寄存器用于管理所处理的信息堆栈,状态寄存器用于保持各种工作状态或操作模式(比如溢出,进位或一些零条件等 ).ALU算术逻辑单元(arithmetic logic unit, ALU)在程序执行过程中用于进行逻辑运算(如比较运算)和算术运算(如加法和乘法运算).一般情况下,ALU有两个数据输入和一个数据输出.ALU中的各种操作常常会影响状态寄存器(status register)的某些数据位的数值(设置这些数据位是为了指示某些动作,例如是否有溢出发生).通过控制单元发出的信号,控制ALU执行各种规定的运算.控制单元控制单元(control unit)是CPU中的"警察"或"交通管理员".控制单元负责监视所有指令的执行和各种信息的传送过程.控制单元负责从内存提取指令,对这些指令进行译码,确保数据适时地出现在正确的地方.控制单元还负责通知ALU应该使用哪一个寄存器,执行哪些中断服务程序,以及对所需执行的各种操作接通ALU中的正确电路,控制单元使用一个称为程序计数器(program counter)的寄存器来寻找下一条要执行的指令的位置,并使用一个状态寄存器来存放某些特殊的操作状态,比如溢出,进位,借位和类似的状态等.4.1.2 总线CPU通过总线与其他的部件连接起来.总线(bus)是一组导电线路的组合.总线由多条线路构成,这样总线允许许多位数据并行传递.总线的速度通常受总线长度和共享总线的设备数目的影响.各种设备分为主(master)设备和从(slave)设备两种类型,主设备是最初启动的设备,而从设备是响应主设备请求的设备.总线中以实现以点对点(point-to-point)的方式连接两个特定的设备,或者将总线用作一条公用通道(common pathway)来连接多个设备.要求多个设备共享的总线称为多点(multipoint)总线.由于需要共享总线,所以总线协议(bus protocol, 使用规则集)非常重要,典型的计算机总线包括数据总线,地址总线,控制总线和电源线.用于数据传递的总线称为数据总线(data bus).计算机通过控制总线(control line)指示哪个设备允许使用总线.控制总线也传递有关总线请求,中断和时钟同步信号的响应信号.地址总线(address line)指出数据读写(如内存中)的位置.电源线(power line)为计算机提供所需的电力各种信息的传递都发生在一个总线周期(bus cycle)内.总线周期是完成总线信息传送所需的时钟脉冲的时间间隔处理器-内存总线(processor-memory bus)是长度较短的高速总线.这类总线可以兼容多种不同的体系结构.底板总线(backplane bus, 或称为主板总线)实际上是构建在机器主板上的一条总线.也就是所有设备共享一条总线.PC机使用一条内总线(称为系统总线,system bus)连接CPU,内存和所有其他内部部件.而采用外总线(有时称为扩展总线, expansion bus)来连接各种外围设备,扩展插槽和I／O端口到计算机的其他部分。
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。
一台模型计算机的设计
一台模型计算机的设计题目如下：一、教学目的、任务和实验设备1。
教学目的（1）融会贯通本课程各章节的内容，通过知识的综合运用，加深对计算机系统各功能部件的工作原理及相互联系的认识，加深计算机工作中\时间-空间\概念的理解，从而清晰地建立计算机的整机概念。
（2）学习设计和调试计算机的基本步骤和方法，提高使用软件仿真工具和集成电路的基本技能。
（3）培养科学研究的独立工作能力，取得工程设计与组装调试的实践和经验。
2．设计与调试任务（1）根据给定的数据格式和指令系统，在所提供的设备范围内，设计了一台由微程序控制的8位二进制模型计算机。
（2）根据设计图纸，在max+plus平台上进行仿真，并下载到el教学实验箱上进行调试成功。
（3）在调试成功的基础上，整理设计图纸等文件。
包括：① 通用框图（数据路径图）；② 微程序控制器逻辑图；② 微程序流程图；④ 微程序代码表；⑤ 元件排列图（或VHDL程序清单）；⑥ 设计规范；⑦ 调试总结。
3.实验设备（1）一台PC（2）el教学实验箱（3） MAX+PLUS II支持软件二、数据格式和指令系统模型机是一台8位定点二进制计算机，有四个通用寄存器：R0~R3。
它可以执行7条指令，主存容量为256字节。
1.数据格式数据按规定采用定点补码表示法，字长为8位，其中最高位（第7位）为符号位，小数点位置定在符号位后面，其格式如下：数值相对于十进制数的表示范围为：-1≤ 十、≤ 1d2d72．指令格式及功能由于该型号机器的字长仅为8位二进制，因此使用单字长指令和双字长指令。
该模型需要执行7条指令。
每个指令的格式和功能如下：（1）ldrri，D格式功能：ri←m（d）（2）strri，d格式功能：m（d）← （RI）（3）addri，RJ格式功能：ri←（ri）＋（rj）（4）subri，rj格式功能：RI← （RI）-（RJ）（5）Andri，RJ格式功能：ri←（ri）∧（rj）（6） Outri，MJ格式当mj=10时，选中实验箱的显示灯。
计算机组成原理-简单模型机设计课设
计算机组成原理-简单模型机设计课设一、引言计算机组成原理是计算机科学与技术专业中的重要课程之一，它涉及计算机硬件和软件的基本原理与结构。
本文将基于计算机组成原理的知识，设计一个简单模型机的课设。
在本课设中，我们将探索计算机的基本组成部分，并实现各个部分之间的协同工作。
二、背景知识1. 模型机概述简单模型机是一种基于计算机组成原理的教学模型，它模拟了计算机的基本组成部分，包括中央处理器（CPU）、存储器、输入设备和输出设备等。
通过设计并实现这样一个模型机，可以帮助我们更好地理解计算机的工作原理。
2. 计算机组成原理计算机组成原理研究计算机硬件系统的设计与实现，涉及指令系统设计、存储器系统、总线、输入输出系统以及计算机的组成原理等。
在设计模型机的课设中，我们需要灵活运用这些知识，合理规划各个组成部分的功能和连接方式。
三、设计思路1. 指令系统设计指令系统是计算机的核心，它决定了计算机能够执行的操作。
我们需要设计一个简单的指令系统，包括几个基本指令，例如加法、减法、乘法等。
同时，还需要设计指令的格式和编码方式，确保指令可以被计算机正确解读和执行。
2. 存储器设计存储器是计算机的核心组件之一，用于存储和读取数据和指令。
在模型机的设计中，我们可以选择使用寄存器、随机存储器（RAM）等组件来实现存储器的功能。
同时，我们还需要考虑存储器的容量和访问速度等因素。
3. CPU设计中央处理器是计算机的核心组件，用于执行指令和控制计算机的各个部分。
在模型机的设计中，我们需要设计一个简单的CPU，包括运算单元和控制单元两个部分。
运算单元用于执行指令中的运算操作，而控制单元负责指令的解码和执行控制。
4. 输入输出设备设计输入输出设备用于与计算机进行信息的输入和输出。
在模型机的设计中，我们可以选择键盘、显示屏等常见的输入输出设备。
我们需要设计相应的接口电路，使得计算机能够与这些设备进行数据的交换。
四、设计实现1. 指令系统设计和编码方式根据课设要求和实际需求，我们可以选择基于二进制的指令系统，并设计相应的指令格式和编码方式，确保指令可以被CPU正确解读和执行。
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前言该设计是根据计算机组成原理课程所学的知识，设计、开发的一套简单模型机。
是在DVCC试验机上实现的，此系列实验系统作为较高层次、专用于计算机原理课程教学实验的实验计算机系统具有良好的实验性能和系统的完整性以及可扩展性。
良好的实验性体现在DVCC系列机能很好地完成计算机硬件系统各功能部件的教学实验，它包括运算器部件、控制器部件、主存储器部件、总线和几种最重要的外设接口实验，包括中断、定时计数器、输入/输出接口等；计算机的CPU自行设计与实现，配有小的监控程序，有自己的汇编语言的支持。
在相应软件的配合下，将各功能部件有机的结合起来，完成计算机整机的实验。
系统的完整性体现在DVCC系列机与学生常见到的简单计算机大体相同，其主要组成与运行方式和PC机差不多，该系列机是一台硬软件相对完整、配置巧妙合理的完整的计算机系统，通过它能体现出重要教学内容、能完成主要教学实验项目。
可扩展性体现在（1）支持高级与初级两个层次上两种方式的实验，高层次的实验方式是指DVCC系列机与PC微机连起来运行，可以动态显示整个实验过程中数据流的流向和当前的各种参数；初级实验方式是指不接任何计算机外围设备，只用DVCC 系列机上的开关、按键及指示灯、数码管显示器等操作，控制实验机的运行，同时显示运行的结果。
（2）在基本系统上支持多项扩展功能，它包括一个在系统大规模可编程器件，一个并行接口电路，一个定时/计数器电路，一个用万能接线板组成的通用扩展实验板。
摘要本设计完成一个简单模型计算机的设计，设计中使用的运算器是74LS181，存储器是6264，与相应的译码电路、锁存电路以及输入输出电路组成了模型机的硬件基础。
当然光有硬件电路不是一个完整的计算机，本设计还设计了相应的微指令和微程序组成具有一定功能的指令系统，包括IN,OUT,STA,LDA,JMP,BZC,CLR,MOV,ADD,AND 等指令。
最终通过模型机的设计和调试，连贯运用计算机组成原理课程学到的知识，建立计算机整机概念，加深对计算机时间和空间概念的理解。
关键词：简单模型计算机机运算器存储器微指令微程序目录前言 (1)摘要 (2)第一章设计目的和设计原理 (4)1.1设计目的 (4)1.2设计原理 (4)第二章总体设计 (6)第三章详细设计 (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)第四章系统调试 (27)总结 (29)参考文献 (30)致谢 (31)第一章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。
1.2设计原理（1）运算器设计中所用的运算器数据通路，其中运算器由两片74LS181以并/串形成8位字长的ALU构成。
运算器的输出经过一个三态门74LS245(U33)到ALUO1插座，实验时用8芯排线和内部数据总线BUSD0～D7插座BUS1～6中的任一个相连，内部数据总线通过LZD0～LZD7显示灯显示；运算器的两个数据输入端分别由二个锁存器74LS273（U29、U30）锁存，两个锁存器的输入并联后连至插座ALUBUS，测试时通过8芯排线连至外部数据总线EXD0～D7插座EXJ1～EXJ3中的任一个；参与运算的数据来自于8位数据开并KD0～KD7，并经过一三态门74LS245（U51）直接连至外部数据总线EXD0～EXD7，通过数据开关输入的数据由LD0～LD7显示。
算术逻辑运算功能发生器 74LS181（U31、U32）的功能控制信号S3、S2、S1、S0、CN、M并行相连后连至SJ2插座，测试时通过6芯排线连至6位功能开关插座UJ2，以手动方式用二进制开关S3、S2、S1、S0、CN、M来模拟74LS181（U31、U32）的功能控制信号S3、S2、S1、S0、CN、M；其它电平控制信号LDDR1、LDDR2、ALUB`、SWB`以手动方式用二进制开关LDDR1、LDDR2、ALUB、SWB来模拟，这几个信号有自动和手动两种方式产生，通过跳线器切换，其中ALUB`、SWB`为低电平有效，LDDR1、LDDR2为高电平有效。
另有信号T4为脉冲信号，在手动方式下进行实验时，只需将跳线器J23上T4与手动脉冲发生开关的输出端SD相连，按动手动脉冲开关，即可获得实验所需的单脉冲。
带进位控制运算器增加进位控制部分，其中高位74LS181（U31）的进位CN4通过门UN4E、UN2C、UN3B进入UN5B的输入端D，其写入脉冲由T4和AR信号控制，T4是脉冲信号，在手动方式下进行实验时，只需将跳线器J23上T4与手动脉冲发生开关的输出端SD相连，按动手动脉冲开关，即可获得测试所需的单脉冲。
AR是电平控制信号（低电平有效），可用于实现带进位控制实验。
从图中可以看出，AR必须为“0”电平，D型触发器74LS74（UN5B）的时钟端CLK才有脉冲信号输入。
才可以将本次运算的进位结果CY锁存到进位锁存器74LS74（UN5B）中。
（2）存储器主存储器单元电路主要用于存放实验机的机器指令，它的数据总线挂在外部数据总线EXD0～EXD7上；它的地址总线由地址寄存器单元电路中的地址寄存器74LS273（U37）给出，地址值由8个LED灯LAD0～LAD7显示，高电平亮，低电平灭；在手动方式下，输入数据由键盘提供，并经一三态门74LS245（U51）连至外部数据总线EXD0～EXD7，实验时将外部数据总线EXD0～EXD7用8芯排线连到内部数据总线BUSD0～BUSD7，分时给出地址和数据。
它的读信号直接接地；它的写信号和片选信号由写入方式确定。
该存储器中机器指令的读写分手动和自动两种方式。
手动方式下，写信号由W/R` 提供，片选信号由CE`提供；自动方式下，写信号由控制CPU的P1.2提供，片选信号由控制CPU的P1.1提供。
由于地址寄存器为8位，故接入6264的地址为A0～A7，而高4位A8～A12接地，所以其实际使用容量为256字节。
6264有四个控制线：CS1 第一片选线、CS2第二片选线、OE读线、WE写线。
其功能如表3—4所示。
CS1片选线由CE`控制（对应开关CE）、OE读线直接接地、WE写线由W/R`控制（对应开关WE）、CS2直接接+5V。
（3）部件测试过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而总体测试将能在微程序控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定指令的功能。
这里，测试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。
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SWB、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SWB、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SWB、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：表1-1 控制指令(4) 指令寄存器指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。
当执行一条指令时，先把它从内存取到缓冲寄存器中，然后再传送到指令寄存器。
指令划分为操作码和地址码字段，由二进制构成，为了执行任何一条给定的指令，必须对操作码进行测试P(1)，通过节拍脉冲T4的控制以便识别所要求的操作。
“指令译码器”根据指令中的操作码进行译码，强置微控器单元的微地址，使下一条微指令指向相应的微程序首地址。
第二章总体设计基本整机模型数据框图如图2-1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。
SW-G图2-1 模型机的数据通路图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。
运算结果是通过三态门送到总线上。
三态门的控制时由微控制器来控制。
第三章详细设计3.1运算器的物理结构运算器模块主要由两片74LS181、暂存器两片74LS273等构成。
其中74LS181可通过控制器相应的控制指令来进行某种运算，具体由S0、S1、 S2、S3、S4、M来决定。
T4是它的工作脉冲，正跳变有效。
寄存器堆模块为实验计算机提供了2个8位通用寄存器。
它们用来保存操作数及其中间运算结果，它对运算器的运算速度、指令系统的设计等都有密切的关系。
下面是芯片74LS181的控制逻辑引脚的功能表以及逻辑引脚图如表3-1所示：表3-1 74LS181的控制逻辑引脚的功能表图3-1 74LS181的逻辑引脚图其中各个引脚的功能如下所示：M ：算术/逻辑运算选择输入M=0 算术运算 M=1 逻辑运算Cn ：带或不带进位运算选择输入Cn =0 带进位 Cn =1 不带进位S3～S0：函数选择输入，A3～A0：4位输入数据，B3～B0：4位输入数据F3～F0：4位表示运算结果的输出，C n+4：进位输出图3-2 74LS273的引脚图其中，Q0-Q7表示寄存器的8位数据输出，D0—D7表示向寄存器中输入8位数据的引脚，CLK 是用来进行寄存器的选定操作，当其为高电位时和T4信号一起选定哪个寄存器进行数据输入。
8位运算器的原理图如图3-3所示：图3-3 8位运算器的原理图在该运算器中，有两片74LS181组成算术和逻辑运算。
数据的来源由74LS273寄存器提供，74LS273产生8位数据，分别送入到74LS181运算器中进行相应的运算，而如何进行数据的传送是由LDDR1和LDDR2以及T4信号控制的，当LDDR1和T4都为高电平时，选定相应的寄存器来进行数据输入，同理，LDDR2和T4。