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。

本文将深入探讨基于FPGA的8位模型机设计，该设计涵盖了计算机系统的基本构成元素，如时钟、VHDL语言的应用以及各个关键模块的功能。8位模型机是一种简化版的计算机，用于教育和理解CPU的基础结构和工作原理。 8位模型机是基于FPGA（Field-Programmable Gate Array）实现的，这是一种可编程逻辑器件，允许设计者根据需求自定义硬件电路。在本设计中，FPGA被用来构建和实现模型机的各种功能模块。 设计的核心部分包括以下十个模块： 1. **存储器**：存储数据和指令的地方，可以是RAM或ROM。 2. **时钟信号源**：提供定时脉冲，是系统同步的基础。 3. **节拍发生器**：产生周期性的时钟节拍，控制操作的步进。 4. **操作控制器**：解析指令并生成控制信号，指导其他部件执行操作。 5. **程序计数器**：保持当前指令地址，随着指令的执行自动递增。 6. **地址寄存器**：暂时存储内存访问的地址。 7. **累加器**：用于临时存储和计算结果的寄存器。 8. **算术逻辑单元（ALU）**：执行算术和逻辑运算的硬件单元。 9. **指令寄存器**：存储待执行的指令。 10. **指令译码器**：将机器码解码成控制信号，指示ALU和控制器执行相应的操作。 8位模型机的指令系统包括三条基本指令： - **LD**：加载指令，将立即数加载到累加器A中。 - **ADD**：加法指令，累加器A中的数值与立即数相加，结果仍存储在累加器A中。 - **HALT**：停止指令，结束计算机的运行。 设计中，使用VHDL语言编写这些模块的逻辑描述，VHDL是一种硬件描述语言，允许工程师以类似于软件编程的方式来描述硬件行为。通过Quartus II 18.0这样的EDA工具，VHDL代码可以被综合和仿真，最终实现模型机的硬件功能。 在Quartus II环境中进行的仿真验证了8位模型机的正确性，展示了从指令获取、译码、执行到结果存储的完整过程，以及CPU在执行特定指令时的工作流程。这种设计不仅有助于理解CPU内部机制，还体现了VHDL在实现数字控制系统方面的实用价值。 基于FPGA的8位模型机设计是一个综合性的实践项目，它涵盖了计算机系统的基本组件和工作原理，以及现代硬件设计的常用工具和技术。通过这样的设计，学生能够加深对计算机硬件的理解，同时掌握VHDL语言和FPGA开发的基本技能。

【哈尔滨工程大学】模型机设计项目工程及实验报告，完成16条指令

内容概述：杭电计算机组成原理实验十一，基于FPGA的芯片设计，RISC-V模型机设计（R型、I型、U型基本运算指令、访存指令、转移指令，共37条），连接运算器、存储器、寄存器堆、控制器，包含源代码、仿真代码、管脚配置 开发环境：vivado2018，vivado2022也兼容vivado2018 适合人群：有数字电路基础，正在学习计算机组成原理课程的大学学生，有一定的vivado软件的使用经验

完整的计算机组成原理复杂模型机课程设计，内含微指令代码，流程图

总和运用所学计算机原理知识，设计并实现较为完善的计算机（复杂模型机的设计实验）

200W求计算机“基本模型机设计与实现”实验报告(发帖人MP:1072001)(0MP) 基本模型机设计与实现 实验目的：在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统构造...

专题资料（2021-2022年）《计算机组织结构》实验报告-之-复杂模型机设计实验.doc

基于TDN-CM++基本模型机的组成结构,利用JBuilder9开发了一个仿真系统。该系统可以实现对模型机指令系统的仿真测试,实时、动态地显示各硬件组成部件的数据值,并以动画方式演示数据通路的建立过程。

一、课设目的及内容
目的：
1.在掌握部件单元电路实验的基础上，进一步将其组成系统构造一台基本模型计算机。

2.为其定义五条机器指令，并编写相应的微程序，具体上机调试掌握整机概念。