计算机组成与体系结构实验报告 基本模型机设计

### 计算机组成与体系结构实验报告：基本模型机设计 #### 实验背景与目的 本实验旨在基于已有的部件单元电路实验基础上，构建一台基本模型计算机，并对其功能进行测试与验证。通过该实验，学生能够深入理解计算机硬件系统的组成与工作原理，特别是微程序控制器如何控制计算机的数据通路，以及如何通过简单的机器指令集实现特定功能。 #### 实验环境配置 - **操作系统**: Windows 7 32位 - **实验平台**: Dais-CMX16+ 计算机组成原理教学实验系统 - **实验工具**: 键盘、显示器等 #### 实验原理概述 实验的核心在于通过微程序控制器自动产生各部件单元的控制信号，从而实现特定指令的功能。这意味着一条机器指令的执行过程（从读取到执行完毕）完全由一系列微指令构成的微程序来控制。这样的设计简化了硬件复杂度，同时也为理解和实现计算机指令集提供了一个良好的平台。 #### 实验步骤详解 1. **系统初始化**: - 首先断开所有实验连线，根据实验手册中的指引，将系统工作模式设置为“微控/在线”。 2. **程序写入**: - 在待命状态下，通过键盘输入数字“1”，选择基本模型机代号。 - 接着输入“减址”命令，实验装置将自动装载基本模型机的代码程序及其对应的微程序。 3. **程序运行**: - **单拍运行**：每次按下“单拍”按钮，模型机运行一个周期，可以观察到不同微周期下的系统状态变化。 - **微单步运行**：每按一次“单步”命令键，执行一条微指令，有助于验证微程序流程的正确性。 - **宏运行（指令单步或宏调用）**：每按一次“宏运”命令键，执行一条机器指令，便于追踪机器指令的执行流程。 - **程序运行与暂停**：通过“运行”命令键启动模型机程序，可在任何时刻通过键盘数字键暂停程序，方便查看当前状态。 4. **联机运行**: - 打开`mxj1.asm`文件，加载基本模型机的机器指令及其对应的微指令代码。 - 点击“装载”按钮，如果源程序没有语法错误，则可以直接进入调试状态。 - 利用工具栏中的快捷按钮进行单拍运行、微单步运行、单步跟踪、宏单步运行、全速运行及暂停操作。 #### 实验结果与分析 通过上述步骤的操作，实验者能够观察到以下现象： - 单拍运行时，系统能够提供可变时序，非“取指”微周期下的节拍按次序循环。 - 微单步运行时，可以通过观察微地址的变化来验证微程序流程的一致性。 - 宏运行时，可以跟踪每条机器指令的执行过程，验证其正确性。 - 运行过程中，可通过键盘数字键随时暂停程序，方便查看模型机当前的状态。 #### 实验心得 1. **对模型机的理解加深**: - 通过本次实验，对基本模型机的设计与实现有了更深入的认识，理解了其功能特性及使用方法。 - 对整个模型计算机的程序运行机制有了更全面的了解，特别是在屏幕动态流线显示流程的帮助之下，更容易理解程序的整体流程。 2. **实验技能提升**: - 加强了理解能力和实验操作能力，特别是在遇到问题时能够耐心寻找解决方案。 - 巩固了基础知识，进一步完善和深化了知识体系。 本实验不仅让学生掌握了构建基本模型计算机所需的基本技能，还通过实践加深了对计算机硬件组成与工作原理的理解，是一次非常有价值的实践学习经历。