【计算机组成原理课程设计——简易模型机】
计算机组成原理是一门深入理解计算机硬件系统的学科，它涉及了数据处理、指令执行、存储系统、输入输出等多个关键领域的知识。在这个课程设计中，学生通过使用Altera公司的Quartus II软件来设计一个简单的模型机，这是一种实践性的学习方法，旨在让学生亲手构建一个简化版的计算机模型，从而更好地理解和掌握计算机的基本工作原理。
1. **设计目的**
设计简易模型机的主要目的是使学生能够将理论知识应用到实际操作中，了解计算机硬件的工作流程，特别是指令执行过程和数据传输机制。此外，通过微程序控制器的设计，还可以学习到控制逻辑的设计和实现，增强对计算机体系结构的理解。
2. **设计内容**
设计内容通常包括以下几个部分：
- **数据格式**：定义计算机内部数据的表示方式，如二进制、八进制、十六进制等，以及数据的位宽，例如字长、地址长度等。
- **指令系统**：设计一套简单的指令集，包括基本的算术、逻辑操作，以及分支、跳转、加载和存储指令等。
- **微程序控制器**：设计控制器的逻辑结构，包括微指令、控制信号的生成等，实现指令的解码和执行。
- **PC计数器**：负责存储和更新下一条要执行的指令地址。
- **时序产生器**：生成各种定时信号，确保计算机各部件协同工作。
3. **设计要求**
设计时需要考虑模型机的可读性、可扩展性和实用性，确保模型机能正确执行预设的指令集。同时，还需要满足一定的性能指标，如执行速度、功耗等。
4. **数据格式与指令系统**
- **数据格式**：通常采用固定长度的二进制表示，如32位或64位。数据可以是整数、浮点数或者字符等，需要定义符号位、数值位以及可能存在的标志位。
- **指令系统**：指令集应包括基本的算术（如加、减）、逻辑（如与、或、非）、移位操作，以及控制流指令（如跳转、条件分支）。每条指令都应有明确的操作码和操作数字段，用于指示操作类型和操作对象。
5. **设计原理与电路图**
- **总逻辑框图**：展示模型机的整体结构，包括CPU（中央处理器）、内存、输入输出设备等主要组成部分的连接关系。
- **微程序控制器**：由控制存储器、地址形成逻辑和控制信号发生器等组成，通过微指令实现指令的解释和执行。
- **PC计数器**：是一个递增器，每次执行完一条指令后自动增加，指向下一条指令的地址。
- **时序产生器**：根据系统时钟产生各种定时脉冲，如读写信号、时钟信号等，协调各部分的工作。
在实际设计过程中，学生不仅需要考虑硬件层面的实现，还需要编写相关的软件，如模拟器，用于测试和验证模型机的功能。这种综合性的工作有助于提升学生的系统思维能力，为将来从事计算机硬件设计打下坚实的基础。
