CPU与简单模型机设计实验

在计算机组成原理的学习过程中，通过亲手设计与实现一个简单CPU及其模型机是一项极为重要的实验活动。该实验的目的是让学生深刻理解CPU的组成原理，以及如何基于单元电路构建一个功能完整的简单计算机模型。在这一过程中，学生将接触并掌握微程序控制技术，深入研究硬件连接的方式，以及进行必要的编程和调试。 实验的核心内容包括设计与实现五条基本的机器指令。这五条指令分别是：输入(IN)、加法(ADD)、输出(OUT)、无条件跳转(JMP)和停机(HLT)。通过这些指令，CPU能够执行数据输入、数据处理、结果输出以及程序跳转和停止等基本操作。为此，实验中会增设程序计数器(PC)、地址寄存器(AR)和主存储器(MEM)三个关键部件。同时，微程序控制单元的微指令也需要进行相应的调整，以适应新增指令的控制需求。 实验过程中，学生需要设计微指令格式表和微程序流程图，这两者都是管理和控制指令执行流程的重要工具。例如，设计的微指令格式表会详细说明微指令的各个控制位，而微程序流程图则展示了指令执行的顺序和逻辑。 此外，实验还包括了编写机器程序的环节。一个简单示例程序的实现是这样的：将数据接收至寄存器R0，执行自加操作，并通过输出指令将结果展示出来。编写这样的程序不仅要求学生对机器指令有充分的了解，而且还要求他们能够将这些指令转化成二进制代码，并且理解每一条指令执行时硬件的相应变化。 在实际操作层面，实验包含了详细的线路连接图和操作步骤。通过操作开关和按钮，学生可以手动写入微程序和机器程序，并进行校验。手动编程需要按照一定的步骤将微指令和机器指令代码写入到指定的内存地址中。校验步骤则用来确保写入的程序和指令无误，能够正常工作。 通过这个实验，学生可以亲身体验和掌握计算机体系结构的基本设计原理和硬件连接方法，以及了解微程序控制的工作机制。学生通过编程和调试，将理论知识与实践紧密结合，加深对计算机工作原理的理解。这一过程不仅锻炼了学生的动手能力，也培养了他们解决实际问题的能力，为将来的计算机科学与技术研究打下坚实的基础。