山东大学计算机组成原理整机实验

### 山东大学计算机组成原理整机实验知识点详解 #### 一、实验背景与目标 在山东大学软件学院，《计算机组成原理》是一门重要的专业基础课。本实验旨在通过实践操作，加深学生对计算机硬件系统各组成部分的理解，并掌握基本的硬件设计方法。实验的核心任务是设计一款模型机（Model Machine），并通过具体的电路设计来实现该模型机的功能。 #### 二、模型机设计概述 ##### 1. 整机结构 模型机的整体结构包含了以下几个关键部分： - **PC (Program Counter)**：程序计数器，用于存储下一条指令的地址。 - **CU (Control Unit)**：控制单元，负责解释指令并发出相应的控制信号。 - **8位寄存器**：用于暂存数据或地址的寄存器，这里采用的是8位的宽度。 - **三态输出寄存器**：具有高阻态的寄存器，可以实现数据的选择性输出。 - **ALU (Arithmetic Logic Unit)**：算术逻辑单元，执行基本的算术与逻辑运算。 - **uPC (Update Program Counter)**：用于更新程序计数器的逻辑电路。 - **CHOOSE**：选择器，用于根据控制信号选择不同的数据路径。 - **CONTROL**：控制系统，包含多个控制信号的产生和分配逻辑。 - **1FA** 和 **8FA**：分别表示1位和8位的数据总线。 - **38译码器**：将输入的编码转换为对应的输出信号，常用于地址解码等场景。 - **三态输出控制**：控制三态输出寄存器的输出状态。 - **未完成的乘法器**：初步尝试实现乘法运算的逻辑设计。 - **移位寄存器**：可以实现数据的左移或右移操作。 - **补码转换器**：用于将数据转换为其补码形式，常用于处理负数。 - **减数计数器**：实现递减计数功能。 - **一位加法器** 和 **六位加法器**：分别用于实现单个比特位和多位的加法运算。 ##### 2. 功能模块详解 - **PC (Program Counter)**：程序计数器是模型机中的一个关键组件，它决定了处理器执行哪条指令。在每个指令周期结束时，程序计数器会自动增加，指向内存中的下一条指令地址。 - **CU (Control Unit)**：控制单元是模型机的大脑，它接收来自指令寄存器的指令代码，并根据这些代码生成相应的控制信号，控制其他部件的工作流程。 - **8位寄存器**：这种类型的寄存器主要用于存储临时数据或地址。在模型机设计中，通常需要多个这样的寄存器来支持各种计算任务。 - **三态输出寄存器**：在模型机的设计中，为了实现数据的选择性输出，常常会用到具有高阻态的寄存器。这种寄存器可以在不使用时将其输出设置为高阻态，避免干扰其他数据路径。 - **ALU (Arithmetic Logic Unit)**：算术逻辑单元是模型机的核心部件之一，它能够执行基本的算术运算（如加、减）和逻辑运算（如与、或、非）。ALU的设计对于提高模型机的性能至关重要。 - **uPC (Update Program Counter)**：此部分的逻辑电路负责根据当前执行的指令类型更新程序计数器的值，以确保指令的正确执行顺序。 - **CONTROL**：控制系统由一系列控制信号构成，用于指导各个功能模块按照正确的时序工作。例如，它可以控制数据从一个寄存器传输到另一个寄存器的时间点。 - **1FA** 和 **8FA**：这些符号代表了模型机内部使用的数据总线宽度。1FA 表示1位的数据总线，而8FA 表示8位的数据总线。 - **38译码器**：这种译码器可以将输入的编码转换为多个输出信号，常用于地址解码场景。例如，在模型机中，它可以用来确定指令的源操作数和目标操作数的具体位置。 - **三态输出控制**：这种控制机制使得寄存器能够在正常输出、高阻态之间切换，这对于避免信号冲突非常重要。 - **未完成的乘法器**：尽管这个部分还没有完全实现，但它是模型机未来扩展的一个重要方向。通过研究乘法器的设计，可以进一步提升模型机的功能性和复杂度。 - **移位寄存器**：移位寄存器是一种特殊的寄存器，它能够实现数据位的左移或右移操作。这对于位操作非常有用。 - **补码转换器**：在计算机科学中，补码是表示有符号整数的一种方式。补码转换器用于将数字转换成其补码形式，这在进行减法运算时尤为关键。 - **减数计数器**：减数计数器用于实现递减计数功能，常用于循环计数或定时器应用中。 - **一位加法器** 和 **六位加法器**：这些加法器是模型机的基本构建块，它们用于执行简单的加法运算。一位加法器处理单个比特位的加法，而六位加法器则可以处理更多位的加法。 #### 三、实验实施过程 1. **需求分析**：明确模型机的基本功能和设计要求。 2. **设计阶段**：包括电路图的设计、逻辑设计等。 3. **模拟测试**：使用仿真工具对设计进行验证，确保逻辑的正确性。 4. **物理实现**：将设计转化为实际的硬件系统。 5. **调试与优化**：解决在实现过程中遇到的问题，并进行性能优化。 #### 四、总结 通过本次《计算机组成原理》课程设计实验，不仅让学生深入了解了计算机硬件系统的组成及工作原理，还培养了学生解决实际问题的能力。模型机的设计与实现过程涉及到了众多的电子技术和计算机体系结构知识，对于提高学生的综合能力具有重要意义。