在计算机体系结构中，程序计数器（Program Counter, 简称PC）是一个至关重要的组件，它在CPU内部扮演着导航者的角色，指引着计算机执行指令的流程。本资源主要探讨PC的基本概念、功能以及它在计算机系统中的作用。 程序计数器，顾名思义，是用来存储当前待执行指令的地址的寄存器。它的核心职责是保持追踪程序的执行顺序，确保指令的线性执行。当CPU执行一条指令后，PC的值会自动递增，指向下一条待执行的指令地址。这种机制使得计算机能够按照程序的逻辑顺序逐条执行指令。 在计算机执行程序时，通常经历以下几个步骤： 1. **加载指令**：CPU从内存中读取PC指向的地址上的指令。 2. **执行指令**：CPU解析并执行该指令，可能涉及到数据处理、内存访问或其他操作。 3. **更新PC**：执行完指令后，PC的值增加，准备读取下一条指令。 程序计数器的值在程序的分支、循环和子程序调用等控制流改变时也会发生变化。例如，在遇到分支指令（如条件跳转）时，PC的值会根据条件改变，指向新的指令地址；在调用子程序时，PC通常会被保存，以便在子程序返回时恢复原来的执行路径。 PC在多任务环境下也有其独特的作用。在操作系统进行任务切换时，为了保留各个任务的状态，PC会被保存到任务的上下文结构中，当任务重新被调度执行时，PC的值会被恢复，从而让程序从上次中断的地方继续执行。 此外，程序计数器在异常处理和中断处理中也扮演关键角色。当系统发生异常或接收到外部中断时，CPU会暂停当前任务，将PC的值保存，然后转向处理异常或中断的特殊处理程序的地址，待处理完毕后再恢复原PC值，继续之前的任务。 程序计数器是计算机硬件系统中的一个基础组件，它是实现程序执行顺序和控制流程的关键。理解PC的工作原理对于深入学习计算机体系结构和操作系统至关重要，因为它直接影响到指令的执行、程序的控制流以及系统的并发执行能力。

在计算机组成原理的学习中，微程序控制器是理解计算机硬件工作原理的关键部分。微程序控制器的基本功能是通过一组微指令序列来实现复杂的控制逻辑，这通常涉及到对微指令的编码、存储和执行。在微程序控制器中，控制信号是由控制存储器（Control Memory，简称CM）中的微程序产生，这些微程序定义了微操作的执行序列。实验7“微程序控制器”的目的，是通过上机实验深入理解微程序控制单元的设计原理和工作方式。 实验涉及多种电子元件，例如EPROM（Erasable Programmable Read-Only Memory）2716C3，这是一种可擦可编程只读存储器，通常用于存储微程序。逻辑门（如AND门、OR门）是构成数字电路的基本组件，它们能够根据输入的逻辑电平产生特定的输出，从而实现简单的逻辑运算。定时器（SequeTimer）用于控制电路中信号的时序，保证信号能按照预定的时间间隔准确地进行传递。开关（Switch）和LED（Light Emitting Diode）则是用户交互和状态指示的重要组件。通过开关的通断状态可以输入不同的控制信号，而LED的亮灭则可以直观地显示电路的工作状态。 在实验中，将通过连接和配置这些组件，构建一个完整的微程序控制单元。例如，一个典型的连接可能是将某个逻辑门的输出连接到定时器的输入端，定时器再控制LED的显示，从而反映电路的工作状态。实验中，可能会设计一系列的实验步骤，比如对EPROM进行编程，以便存储微指令序列，然后通过逻辑门构建组合逻辑电路，并通过开关进行输入信号的控制。观察LED灯的亮灭情况来验证整个微程序控制器的工作效果。 此外，实验可能还会涉及到如何利用微指令来实现对不同微操作的控制。例如，微指令可能会指定在某个时钟周期内将某个寄存器的内容加载到另一个寄存器中，或者将内存中的数据移动到ALU进行处理。这些微操作的执行顺序和组合，就是微程序控制器需要精心设计和编排的。而实验7的目标，就是通过实际操作，让学生能够更好地掌握这些设计方法，并理解微程序控制器在计算机系统中的实际应用。 在整个实验过程中，学生需要熟悉各种电子元件的特性和功能，理解它们在电路中的作用，以及它们是如何协同工作以实现复杂的控制逻辑。学生还需要学会阅读和理解电路图，并能够根据电路图进行实验板的搭建和调试。通过这个实验，学生不仅能够深入理解微程序控制器的工作原理，而且能够提升自己解决实际问题的能力，为进一步学习计算机组成原理打下坚实的基础。

本实验通过Logisim实现了十进制转二进制的电路设计，包含双端口输入和数码管显示功能。实验设计了2seg、16-4、16key等多个子电路模块，最终整合成main电路。实验结果表明，该系统能正确实现数据转换与显示功能，如输入39时能在LED灯和数码管上准确显示。通过该实验，掌握了端口概念、多端口输入实现以及数码管输出显示等关键技术。 在数字电子技术中，多端口输入设计是构建复杂电路系统的一个关键技术环节。在使用Logisim这一模拟电路设计软件进行计算机组成原理的学习与实验时，多端口输入设计的应用显得尤为重要。通过本实验，学生不仅能够将理论知识与实践相结合，更能深入理解电路设计中的端口概念及其实现方式。 本实验的目的是设计一个能够将十进制数转换为二进制数的电路，并通过数码管进行显示。实验中涉及的关键技术包括了多端口输入实现以及数码管输出显示。通过设计多个子电路模块，比如2seg、16-4、16key等，并将这些模块整合成一个完整的main电路，学生能够实现从输入信号到输出显示的整个过程。 在本实验中，所使用的Logisim软件是一个在教育领域广泛使用的电路模拟工具，它能够让学生在没有实际电子元件成本消耗的情况下，进行电路设计和模拟。实验中所设计的2seg模块可能是指一个包含两个信号段的输出模块，而16-4模块可能是一个将16进制数据转换为4进制数据的编码器，16key模块则可能是一个包含16个按键的输入模块，用于输入不同的信号值。 在完成电路设计后，实验的关键在于验证系统的功能。实验结果表明，当输入特定的十进制数，比如39时，系统能够通过LED灯和数码管准确显示其对应的二进制数值。这验证了电路设计的成功，并展示了实验目标的实现。 除了端口概念和数码管显示之外，实验过程中还会涉及到其他数字电路的基本知识，例如二进制数的表示方法、信号的传递和处理、以及电路的集成设计等。通过亲自动手设计和实现电路，学生可以更好地理解这些数字电路的基础概念和工作原理。 此外，实验的设置也符合计算机组成原理课程的教学目标。该课程旨在通过对计组的实验性研究，让学生掌握计算机硬件的基本组成部分及其工作方式。在实验过程中，学生能够对计算机系统的各个组成部分有一个直观的认识，并且通过实际操作来理解这些组件之间的相互作用和数据流动。 通过本实验的设计与实现，学生不仅可以学习到数字电路设计的基础知识，还能锻炼自己的逻辑思维能力、问题解决能力和创新设计能力。这不仅有助于加深对计算机组成原理的理解，也能够为未来的电子设计实践打下坚实的基础。

本实验使用Logisim设计实现4位二进制数在八段共阳极数码管上显示0-F的电路。通过建立真值表，推导各段逻辑表达式，并构建相应电路。实验过程包括表达式推导、电路绘制和功能测试，最终成功实现0-15的数字显示。实验使学生掌握了数码管显示原理和数字电路设计方法，提升了逻辑分析能力和实践操作技能，加深了对数字信号转换的理解，为后续学习打下基础。 在本实验中，我们采用了Logisim这一软件工具，设计并实现了将4位二进制数以0到F的十六进制形式在八段共阳极数码管上进行显示的电路。实验的开展过程是从制作真值表开始，通过它我们可以确定数码管每一段在表示不同数字时的亮灭状态。接着，根据真值表，我们推导出每一段的逻辑表达式。这些表达式是设计该电路的基础，它们精确地描述了如何通过输入的4位二进制数来控制数码管的每一段，以显示正确的数字。 在逻辑表达式得出之后，我们将这些表达式转换为硬件电路图。这一转换过程需要学生具备一定的数字电路知识，包括逻辑门的使用和组合逻辑电路的构建。学生需要运用这些知识，将抽象的逻辑表达式转化为具体的电路结构。完成电路设计后，实验还包括了电路的功能测试，以确保其按照预期工作，能够正确显示从0到15的数字。 通过这一实验，学生们不仅学会了如何设计数码管显示电路，更重要的是，他们还掌握了数字信号转换的原理。这有助于学生在未来的计算机组成原理或数字电路课程中，更深入地理解数字系统的工作方式。此外，通过实际操作Logisim软件，学生们还提升了他们的实践操作技能和逻辑分析能力，这对于他们学习其他相关课程，以及进行更复杂的数字电路设计都具有重要价值。 实验中涉及的关键知识点包括：二进制与十六进制之间的转换关系、数码管的工作原理、真值表的应用、逻辑表达式的推导、组合逻辑电路的设计等。这些知识不仅构成了计算机组成原理和数字电路课程的基础，也是未来进行更高级电路设计和技术应用的基础。 此外，实验还强调了理论与实践相结合的重要性。通过使用Logisim这一模拟软件，学生能够在一个可视化的环境中对电路设计进行验证，从而快速学习和理解电路设计的复杂性。这一过程不仅巩固了学生的理论知识，也提升了他们的动手能力。 除了上述的实践操作技能和理论知识之外，实验还激发了学生对数字电路设计的兴趣。通过实验，学生能够直观地看到他们的设计如何转化为实际的电路，并能够实现预期的功能。这种成功体验对于学生未来的学术和职业生涯都是一种激励，也有助于他们在相关领域中发展出解决复杂问题的能力。 该实验不仅涵盖了计算机组成原理和数字电路的基础知识，还着重培养了学生的实践操作能力、逻辑思维能力和解决问题的能力。通过本实验，学生在理论知识和实践技能上都得到了提升，为他们未来在相关领域的深入学习和研究奠定了坚实的基础。

包含实验logisim运算器实验的电路

### 计组练习题知识点解析 #### 题目一：主存储结构分析与设计题 **题目背景：** 某半导体存储器总容量为7k×8位，其中包括ROM区和RAM区。ROM区为4k×8位，由4k×8的ROM芯片组成；RAM区为3k×8位，由2k×4的SRAM芯片和1k×4的SRAM芯片组成。ROM区地址从0开始，SRAM区地址紧随其后。该存储器的地址总线为A15～A0，数据总线为D7～D0，控制信号包括WR/和MREQ。 **知识点解析：** 1. **地址空间分配：** - ROM区：容量4k×8位，地址范围0000H~0FFFH。 - RAM区分为两部分： - RAM1区：2k×8位，地址范围1000H~17FFH。 - RAM2区：1k×8位，地址范围1800H~1BFFH。 2. **地址译码方案：** - 地址总线A15～A0中的高位部分用于区分ROM区和RAM区。 - 采用3:8译码器进行地址译码，以实现对不同存储区域的选择。 - 用A12、A11、A10作为译码器的输入信号，通过译码器输出信号来选择具体的存储区域。 3. **存储器逻辑图设计：** - 使用了4K×8位的ROM芯片一片、2K×4位的SRAM芯片两片以及1K×4位的SRAM芯片两片。 - 通过位扩展的方式使得SRAM芯片满足8位的数据宽度需求。 - 设计了完整的地址译码逻辑和控制信号电路，确保正确访问各存储区域。 **总结：** 此题主要考察学生对于存储器结构的理解和设计能力，涉及到了地址空间分配、地址译码和存储器逻辑图的设计等多个方面。通过此题的学习，可以帮助学生深入理解存储器的工作原理及其内部组织结构。 --- #### 题目二：全相联Cache分析 **题目背景：** 某计算机系统中采用了全相联Cache，共有6块，每块8个字，主存容量为2^16个字，Cache初始为空。Cache的存取时间为40ns，主存与Cache之间的数据传输时间为1μs。 **知识点解析：** 1. **块表容量计算：** - Cache共有6块，每块的标记位（Tag）和有效位（Valid）组成块表单元。 - 主存容量为2^16个字，每块包含8个字，因此主存共有2^13个块。 - 标记位（Tag）的位数为13位，有效位（Valid）占用1位，因此每个块表单元为14位。 - 块表容量为6×14位。 2. **Cache命中率计算：** - 程序首先访问主存单元20至45，然后重复访问主存单元18至45四次。 - Cache没有命中时，将主存对应块全部读入Cache。 - 第一次读入时发生4次未命中，之后所有访问均命中。 - 命中率为[(26-4)+(26×4)]/(26+26×4)=97%。 3. **存取时间计算：** - 总存取时间为4×1μs+(26+26×4)×40ns=9.3μs。 **总结：** 此题考查学生对全相联Cache工作原理的理解，包括块表容量的计算、命中率计算及存取时间的计算等内容。这些知识点有助于加深学生对Cache存储层次结构的认识。 --- #### 题目三：段页式虚拟存储器分析 **题目背景：** 某计算机采用段页式虚拟存储器，虚拟地址为32位，每个段最多可以有1K页，每页大小为16K字，主存容量为64M字。 **知识点解析：** 1. **虚拟存储器容量计算：** - 虚拟地址为32位，因此虚拟存储器的容量为2^32字=4G字。 2. **逻辑地址和物理地址格式：** - 每个段最多可以有1K页，1K=2^10，因此逻辑页号为10位。 - 每页大小为16K字，16K=2^14，因此页内地址为14位。 - 虚拟地址的段号位数为32-10-14=8位。 - 物理地址为26位，其中页号为12位，页内地址为14位。 3. **段表和页表长度：** - 段号为8位，段表长度为2^8行，每行包括物理地址26位和其他控制信息。 - 页号为10位，每段页表长度为2^10行，每行包括物理页号12位和其他控制信息。 - 段表长度为2^8×4字节。 - 页表总长度不超过2^19字节。 **总结：** 此题主要考察学生对段页式虚拟存储器的理解，包括虚拟存储器容量计算、逻辑地址和物理地址格式分析、段表和页表长度计算等内容。这些知识点对于理解和设计复杂的内存管理系统至关重要。 --- #### 题目四：指令系统的编码设计 **题目背景：** 某计算机指令系统中共有50条指令。 **知识点解析：** 1. **固定长度编码方式的操作码长度计算：** - 固定长度编码方式下，50条指令至少需要log2(50)≈5.64位，通常取最接近且较大的整数位，即6位。 - 操作码的编码范围为000000至110011。 2. **不等长编码方式的操作码平均长度计算：** - 10条常用指令的概率为90%，剩余40条指令的概率为10%。 - 10条常用指令采用4位编码表示，即0000至1001。 - 剩余40条指令采用7位编码表示，即1010000至1101111。 - 平均长度=(10×4+40×7)/50=6.4位。 3. **增加指令后的操作码设计与平均长度计算：** - 若后续产品中需增加50条指令，总共则有100条指令。 - 固定长度编码方式下，100条指令至少需要log2(100)≈6.64位，取最接近且较大的整数位，即7位。 - 操作码的编码范围为0000000至1100111。 - 平均长度为7位。 **总结：** 此题主要考查学生对于指令系统编码设计的理解，包括固定长度编码方式、不等长编码方式下的操作码长度计算等内容。这些知识点对于优化指令集架构、提高计算机系统的性能具有重要意义。

计算机组成原理与体系结构课程设计主要涵盖了对基本模型计算机的深入理解、指令执行流程的学习、微程序控制器设计、计算机部件单元电路的集成以及微程序编写和调试等方面的内容。通过对这些课程设计的实践，学生能够全面掌握计算机整机概念，并深入理解微程序控制方式计算机的设计方法。 在实验目的方面，学生需要理解基本模型计算机的功能和组成知识，学习计算机指令执行流程，掌握微程序控制器设计方法和LPM_ROM配置技术。在此基础上，学生应能够将单元电路组合成系统，定义和编写五条机器指令对应的微程序，并通过上机调试来掌握微程序设计方法和编写二进制微指令代码表。 实验原理部分指出，在部件实验过程中，各部件单元的控制信号是人工模拟产生的，而在微过程控制下，这些信号将自动产生，实现特定功能。数据通路的控制由微程序控制器完成，一条机器指令对应一个微程序。此外，课程设计还详细介绍了指令格式、数据通路框图的设计、24位微代码定义以及A、B、C字段的功能说明。例如，指令格式采用寄存器直接寻址方式，指令格式定义了操作码、源寄存器和目的寄存器。同时，对微程序流程图的绘制和微地址的设定也提出了要求。 本课程设计还涉及到三个控制台操作微程序的编写，这些微程序用于向RAM装入程序和数据、检查数据是否正确写入以及启动程序执行。实验中还包括24位微代码中各信号功能的介绍，如微地址输出信号、ALU操作选择信号、进位标志信号、存储器读写信号等。这些信号对于理解微程序控制器输出的控制信号及控制方式至关重要。 课程设计中还强调了微程序流程图绘制的重要性和绘制方法。在微程序设计完毕后，每条微指令需要进行代码化，而微地址通常使用八进制表示。通过这些实验内容的学习和实践，学生不仅能够理解计算机的工作原理和组成，还能够掌握计算机体系结构设计的实践技能。

【北航计组实验代码、电路（一）】是一个针对计算机组织与结构（计组）课程的实验资源包，包含了Logisim、MIPS和Verilog等关键工具和语言的相关代码与电路设计。这个资源包对于学习计算机硬件基础、理解指令系统以及数字逻辑设计的学生来说是非常有价值的。 1. **Logisim**：Logisim是一款开源的电路模拟软件，广泛用于教育领域，特别是在计算机科学和电子工程的入门课程中。通过Logisim，学生可以构建和模拟数字逻辑电路，如AND、OR、NOT门，以及更复杂的组合和时序逻辑电路。它提供了直观的图形界面，使得初学者能够轻松理解和设计二进制逻辑运算器、加法器、寄存器、触发器等基本组件。 2. **MIPS**：MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）是一种精简指令集计算机（RISC）架构，常在计算机体系结构教学中作为实例进行研究。在这个实验中，可能涉及到MIPS汇编语言编程，让学生理解计算机如何执行指令，以及如何编写简单的程序。通过MIPS，学生可以学习到寄存器操作、寻址模式、分支和跳转指令等概念。 3. **Verilog**：Verilog是一种硬件描述语言（HDL），用于描述数字系统的结构和行为。在计组实验中，Verilog被用来设计和验证数字电路，如微处理器、内存系统和接口逻辑。学生可以使用Verilog来创建模块化的电路设计，然后通过仿真验证其功能正确性，为实际的FPGA或ASIC实现打下基础。 这个压缩包中的资源很可能是为了帮助学生完成一系列实验任务，涵盖了从逻辑门级别的电路设计到高级的处理器架构模拟。通过这些实验，学生不仅可以巩固理论知识，还能获得动手实践的经验，这对于理解计算机底层工作原理至关重要。同时，这个资源包的可用性和实用性得到了使用者的肯定，表明其内容全面且易于上手，对于有需求的人来说是一份宝贵的资料。

1. 通过补充缺失代码，完成一个 5 条指令单周期 CPU 的设计与验证； 2. 通过调试并修正已有实现中的错误，完成一个 20 条指令单周期 CPU 的设计与验证； 3. 在已实现的单周期 CPU 基础上，设计一个不考虑相关引发的冲突的单发射五级 CPU，并进行仿真和验证。 软件：vivado 语言：veilog

【实验名称】：基本模型机的设计与实现 【实验目的】： 1. 通过本次实验，学生能够深入了解基本模型计算机的结构与工作原理。 2. 学习并掌握不同类型指令的执行流程，包括算术、逻辑操作等。 3. 学习微程序控制器的设计方法，了解如何配置LPM_ROM（局部程序存储器）。 4. 将单一的电路单元组合成完整系统，构建一个基础的模型计算机。 5. 定义并编写五条机器指令对应的微程序，通过实际运行和调试，增强对计算机整机概念的理解。 6. 掌握微程序设计技术，包括二进制微指令代码表的编写，以及微程序控制方式的计算机设计方法。 【实验原理】： 1. 在这个实验中，计算机的数据通路控制由微程序控制器负责，使得各个部件单元能够在微指令序列的指导下自动执行任务。一条机器指令的执行从取指令开始到指令执行结束，由一系列微指令组成，即一个微程序。 2. 数据通路框图展示了系统的主要组成部分，虽然模型机未包含R1和R2寄存器，但实际实现中会包含这两个寄存器。 3. 24位微代码定义了微指令的结构，包括微地址输出信号、ALU操作选择信号、ALU操作方式选择信号、进位信号、存储器控制信号以及总线选择信号。 【实验步骤】： 1. 设计指令：参考ALU功能表，制定出五条指令，并绘制微程序流程图，明确每一步的操作。 2. 配置存储器：根据自定义的指令，修改实验示例中的ROM文件，以支持新指令的执行。同时，可能需要调整RAM中的数据以配合指令的执行需求。 3. 编译工程：确保所有设计无误后，编译工程文件，生成可下载到实验设备的程序。 4. 执行程序：下载程序后，通过实验设备运行和调试，观察并验证指令执行的正确性。 【微代码字段解释】： - 微地址信号（uA5-uA0）：确定下一条要执行的微指令的地址。 - ALU操作选择信号（S3, S2, S1, S0）：用于选择ALU进行的16种算术或逻辑运算之一。 - 操作方式选择信号（M）：区分算术操作（M=0）和逻辑操作（M=1）。 - 进位信号（/Cn）：指示ALU运算时是否存在进位。 - 存储器控制信号（WE）：控制RAM的读写操作。 - 总线选通信号（A9, A8）：译码后产生对不同单元的选通控制。 - 输入和输出选择信号（A字段，B字段）：分别用于选择输入和输出总线连接的单元。 - 分支判断测试信号（C字段）：用于条件跳转和其他控制流程。 通过这次实验，学生不仅能学习到计算机硬件的基本组成，还能亲身体验从指令设计到硬件控制的整个过程，这对于理解和设计更复杂的计算机系统具有重要意义。