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CPU-与简单模型机设计实验实验报告

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实验报告 实验名称： CPU 与简单模型机设计实验 日期： $ 班级： 学号： 姓名：

一、 ] 二、 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： 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,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。

] 图1-4-1 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）由两片74LS161 和一片74LS245 构成，其原理如图1-4-2 所示。PC_B 为三态门的输出使能端，CLR 连接至CON 单元的总清端CLR，按下CLR 按钮，将使PC 清零，LDPC 和T2 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。

图1-4-2 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）：

助记符 机器指令码 说明 IN 0010 0000 IN→R0 】 ADD 0000 0000 R0 + R0→R0

OUT 0011 0000 R0→OUT JMP addr 1100 0000 ******** addr→ PC HLT 0101 0000 停机

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1-4-3 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1-4-1 所示。 — 图1-4-3 数据通路图

系统涉及到的微程序流程见图1-4-4 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1-3-3 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。 当全部微程序设计完毕后，应将每条微指令代码化，表1-4-2 即为将图1-4-2 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”。

NOP00

PC->ARPC加1

MEM->IRP<1>

R0->OUTNOPPC->ARPC加1R0->AIN->R0R0->BA加B->R001033032040533353C30ADDINOUTHLTJMP3501010101MEM->PC1D

图1-4-4 简单模型机微程序流程图 表1-4-2 二进制微代码表 ￥ 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 00000 0000 000 000 000 000001

: 01 00 6D 43 00000 0000 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 00011 0000 011 000 000 000001

28 04 01 00101 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

@ 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 R0 00000001 00000000 ; ADD R0,R0 R0 和自身相加，结果送 R0 00000010 00110000 ; OUT R0 R0 的值送 OUT 单元显示 00000011 ; JMP START 跳转至 00H 地址 " 00000100 00000000

00000101 01010000 ; HLT 停机

三.实验步骤： 联机写入和校验 联机软件提供了微程序和机器程序下载功能，以代替手动读写微程序和机器程序，但是微 程序和机器程序得以指定的格式写入到以TXT 为后缀的文件中，微程序和机器程序的格式如下：

, 本次实验程序如下，程序中分号‘；’为注释符，分号后面的内容在下载时将被忽略掉： ; //*************************************// ; // // ; // CPU与简单模型机实验指令文件 // ; // // ; //*************************************// ; //***** Start Of Main Memory Data *****// $P 00 20 ; START: IN R0 从IN单元读入数据送R0 - $P 01 00 ; ADD R0,R0 R0和自身相加，结果送R0

$P 02 30 ; OUT R0 R0的值送OUT单元显示 $P 03 E0 ; JMP START 跳转至00H地址 $P 04 00 ; $P 05 50 ; HLT 停机 ; //***** End Of Main Memory Data *****// ; //** Start Of MicroController Data **// $M 00 000001 ; NOP | $M 01 006D43 ; PC->AR,PC加1

$M 03 107070 ; MEM->IR, P<1> $M 04 002405 ; R0->B $M 05 04B201 ; A加B->R0 $M 1D 105141 ; MEM->PC $M 30 001404 ; R0->A $M 32 183001 ; IN->R0 $M 33 280401 ; R0->OUT ~ $M 35 000035 ; NOP

$M 3C 006D5D ; PC->AR,PC加1 ; //** End Of MicroController Data **/ 选择联机软件的“【转储】—【装载】”功能，在打开文件对话框中选择上面所保存的文件，软件自动将机器程序和微程序写入指定单元。 选择联机软件的“【转储】—【刷新指令区】”可以读出下位机所有的机器指令和微指令，并在指令区显示，对照文件检查微程序和机器程序是否正确，如果不正确，则说明写入操作失败，应重新写入，可以通过联机软件单独修改某个单元的指令，以修改微指令为例，先用鼠标左键单击指令区的‘微存’TAB 按钮，然后再单击需修改单元的数据，此时该单元变为编辑框，输入6 位数据并回车，编辑框消失，并以红色显示写入的数据。

运行程序 联机运行 ; 将MC 单元的编程开关置为‘运行’档，MEM 单元的编程开关也置为‘运行’档，进入

软件界面，选择菜单命令“【实验】—【简单模型机】”，打开简单模型机数据通路图。 按动CON 单元的总清按钮CLR，然后通过软件运行程序，选择相应的功能命令，即可联机运行、监控、调试程序，当模型机执行完JMP 指令后，检查OUT 单元显示的数是否为IN 单元值的2 倍。在数据通路图和微程序流中观测指令的执行过程，并观测软件中地址总线、数据总线以及微指令显示和下位机是否一致。

四、具体实现： (1)打开IN单元，输入操作数（以03为例）， 启动程序计数器（PC），然后自动启动加1操作，将指令地址放到地址寄存器（AR）

{

（2）从存储器当中读取指令，并将它存到指令寄存器（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；

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CPU大作业实验报告

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实验目的1．深入理解基本模型计算机的功能、组成知识；2．深入学习计算机各类典型指令的执行流程；3．学习硬布线控制器的设计过程和相关技术；4．在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将单元电路组成系统，构造一台基本模型计算机；5．定义20条MIPS指令集的典型指令，并编写相应的汇编程序，能在模型机上调试，掌握计算机整机概念；6．通过熟悉较完整的计算机的设计，全面了解并掌握硬布线控制方式计算机的设计方法，真正理解利用软件进行硬件设计的方法和技巧。

实验原理在部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本实验将能在硬布线控制下自动产生各部件单元控制信号，实现特定的功能。

实验选择了MIPS体系结构中比较典型的指令，使用QuartusII软件工具，通过原理图以及VHDL语言设计CPU的逻辑电路来实现这些指令。

另外还用MIPS汇编语言编写了用于CPU测试的简单程序，对所设计的CPU逻辑电路进行功能仿真模拟，以验证CPU逻辑电路的正确性。

实验涉及到的R指令有ADD、SUB、AND、OR、XOR、SLL、SRL、SRA、JR；I 指令有ADDI、ANDI、ORI、XORI、LW、SW、BEQ、BNE、LUI；J指令有J、JAL。

指令格式如下图所示。

单周期CPU的逻辑电路图跳转指令寄存器指定是从32位的寄存器堆中选择出一个32位的寄存器用于读或写数据。

由于JAL指令要把分支延迟槽下一条指令的指令地址保存在寄存器31号中，故需要设置一个控制信号CALL，当CALL=1时，选择31号寄存器，为JAL跳转指令提供寄存器，当CALL=0时，从32位的寄存器堆中根据地址选择出一个32位的寄存器用于读或写数据。

它的真值表如表9-1所示，电路符号如图9-1所示。

表9-1 跳转指令寄存器指定的真值表CALL 1 0输入REGN[4..0] X REGN[4..0]输出WN[4..0] 11111 REGN[4..0]原理图设计跳转指令寄存器指定元件图5-10-2跳转指令寄存器指定电路符号由描述和真值表创建跳转指令寄存器指定的原理图，如图5-10-2所示：图5-10-1跳转指令寄存器指定的原理图VHDL设计跳转指令寄存器指定元件由于VHDL语法的多样性和灵活性。

实验四 模型机设计与实现——实验报告

实验四 模型机设计与实现——实验报告

专业级班学号姓名实验报告实验四模型机的设计与实现一、实验目的1、构造一台基本模型计算机。

2、掌握在模型计算机上进行微程序编制、指令输入、运行调试的方法。

二、实验设备DVCC-C5JH计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。

三、实验原理：部件试验过程中，各部件单元的控制信号是人为模拟产生的，而本次实验将能在微程序控制下自动产生各部件单元空间信号，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。

四、实验内容1、模型机指令设计：（这里填写各模型机指令的指令助记符、指令机器编码、指令说明）DEC R0 0101 0000 (R0)-1→R0AND addr,R0 0110 0000 (R0) 与[addr]→R02、实验过程：先详细了解实验的原理然后进行以下步骤：（以下步骤应根据自己实际情况补充完整）⑴设计模型机的数据通路图，根据实际机器指令要求，设计微程序流程图及确定微地址；（下面绘制：①数据通路图；②微程序流程图及相应的微指令地址。

）1、2、PC A RPC AR RAM B US RAM B US SW R PC A RRAM B USR0BUS BUS R01 1103 04 12 07 31 10RAM B US02 R0DR1 05 (DR1)+(D R2)R006 PC A RRAM B US RAM B US32 17 R0DR125 13 PC A RRAM B US 26 14 R0DR1 (DR1)-1R0 PC A R RAM B US RAM B USR0DR1 (DR1)+(D R2)R01516 33 34 3536 37微指令代码PC AR PC+1(SW)BUS BUS DR1DR1RAMPC AR PC+1RAM BUS BUS DR1DR1LED21243020 2227⑵根据⑴的设计，编制好微程序；（下面写设计的微程序，要标出各微指令在控存中的地址，可以用联机调试中的十六进制形式编写）$ M00108101$ M0182ED01$ M0248C000$ M0304E000$ M0405B000$ M0506A201$ M06019A95$ M0719E000$ M08011000$ M0983ED01$ M0A87ED01$ M0B9AED01$ M0C96ED01$ M0D1BA201$ M0E9CED01$ M0F15A000$ M1092ED01$ M1194ED01$ M1217A000$ M13018001$ M14182000$ M15010A07$ M1681D100$ M17100A07$ M18118A06$ M19018202$ M1A0FE000$ M1B018AF5$ M1C1DE000$ M1D1EA000$ M1E1FB201$ M1F018AB9⑶根据⑴中的数据通路，连接好实验线路，仔细检查无误后接通电源；⑷将编制好的微程序写入控存；⑸使用上面设计好的机器指令编写机器指令程序，存放在内存中；（下面列出编写的机器指令程序，可以用联机调试中的十六进制形式编写，要写明对应的内存地址和相应的内存内容，且要进行简要的指令说明）$ P0000 IN$ P0110 ADD[0CH] R0+[0CH] -> R0$ P020C 01$ P0320 STA[0BH] R0->[0BH]$ P040D$ P0530 OUT[0BH] [0BH]->BUS$ P060D$ P0740 JMP[00H] 00H->PC$ P0800$ P0950 DEC [R0]-1->R0$ P0A60 AND [R0][0DH]->R0$ P0B0D 05$ P0C01 内容为01$ P0D05 内容为05⑹执行⑸中的机器指令程序，并验证前面的设计是否正确，若不正确请修改前面的设计和微程序；四、实验结果机器指令执行的情况：①第一次执行情况（记录实验时发生的情况包括何处错误）：②第二次执行情况：……（调试过程根据自己情况进行填写）五、实验总结。

cpu的实验报告

cpu的实验报告

cpu的实验报告CPU的实验报告引言：计算机是现代社会不可或缺的工具，而CPU（Central Processing Unit）则是计算机的核心部件之一。

CPU负责执行计算机指令，处理数据和控制计算机的各种操作。

本文将对CPU进行实验，并对实验结果进行分析和总结，以便更好地理解和掌握CPU的工作原理。

一、实验目的本次实验的目的是通过对CPU的实验，深入了解CPU的结构和工作原理，掌握CPU的运行过程和性能评估方法。

二、实验过程1. CPU的结构CPU主要由控制单元和算术逻辑单元组成。

控制单元负责解析和执行指令，算术逻辑单元负责进行算术和逻辑运算。

实验中，我们对CPU的各个部件进行了详细的分析和研究。

2. CPU的指令执行过程CPU的指令执行过程包括取指、译码、执行和写回四个阶段。

在实验中，我们通过模拟CPU的指令执行过程，对每个阶段进行了详细的观察和记录，并分析了每个阶段的作用和影响因素。

3. CPU的性能评估为了评估CPU的性能，我们进行了一系列的实验。

通过改变CPU的主频、缓存大小和指令集等因素，观察CPU的运行速度和效率，并进行性能比较和分析。

实验结果表明，这些因素对CPU的性能有着重要的影响。

三、实验结果与分析1. CPU的结构分析通过对CPU的结构进行分析，我们发现控制单元和算术逻辑单元之间的协作非常重要。

控制单元负责解析和执行指令，而算术逻辑单元负责进行计算和逻辑运算。

两者之间的紧密配合使得CPU能够高效地运行。

2. 指令执行过程分析通过对CPU的指令执行过程进行分析，我们发现每个阶段都有其特定的作用。

取指阶段负责从内存中读取指令，译码阶段负责解析指令，执行阶段负责执行指令，写回阶段负责将结果写回内存。

每个阶段的效率和性能都对CPU的整体运行速度有着重要的影响。

3. 性能评估结果通过对CPU的性能评估实验，我们发现主频、缓存大小和指令集等因素对CPU 的性能有着重要的影响。

提高主频可以加快CPU的运行速度，增加缓存大小可以提高数据读取和存储的效率，而优化指令集可以提高CPU的指令执行效率。

计算机组成原理—模型机设计报告

计算机组成原理—模型机设计报告

计算机组成原理--模型机设计报告作者姓名：专业：网络工程学号：指导教师：完成日期：2016年1月6日目录课程设计任务书 (3)1课程设计目的 (3)2课程设计设备 (3)3课程设计内容 (4)3.1课程设计原理 (4)3.2实验步骤 (6)4课程设计结果 (10)5课程设计总结 (14)5.1课程设计的心得、经验教训及注意事项 (14)5.1.1心得体会 (14)5.1.2经验教训 (14)5.1.3注意事项 (14)参考文献 (14)课程设计任务书学生姓名：专业班级： 1320552指导教师：工作单位：题目：基本模型机的设计与实现初始条件1．完成《计算机组成原理》课程教学与实验2．Proteus仿真系统要求完成的主要任务（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1．掌握简单指令系统计算机的微控制器功能与结构特点2．熟悉Proteus仿真系统3．在Proteus仿真系统中确认运行结果4．形成简单指令系统计算机的整机概念1课程设计目的设计并实现基本模型机：（1）理解计算机工作原理（2）设计并验证一个定点计算机模型（3）增加一个浮点运算单元2课程设计设备PC机＋Win 2003＋proteus仿真器3课程设计内容3.1课程设计原理部件实验过程中，各部件单元的控制信号是以人为模拟产生为主，而本次实验将能在微程序控制下手动产生各部件单元的控制信号，实现特定指令的功能。

如运算器实验中对74LS－181芯片的控制，存储器中对存储器芯片的控制信号，以及几个实验中对输出设备的控制通过LED灯来显示结果。

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。

本实验采用五条机器指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、STA（存数）、OUT（输出）、JMP（无条件转移）。

基本模型机数据通路框图：基本模型机微程序流程图：3.2实验步骤1、该基本模型机主要有运算器和存储器两大功能器件构成，首先设计运算器并对其进行功能验证。