计算机组成原理实验报告：复杂模型机设计与实现

计算机组成原理实验报告是学习计算机硬件系统设计和实现过程的重要实践内容之一。本次实验报告所涉及的实验项目为“复杂模型机的设计与实现”，旨在通过扩展16条机器指令，使学生能够综合运用所学的计算机组成原理知识，设计并实现较为复杂的计算机模型机。该实验不仅要求学生掌握基本的计算机体系结构知识，还需要具备一定的软硬件协同设计能力，以及对微程序控制器和主存储器操作的深入理解。 实验报告中所提到的“复杂模型机”通常是指基于实验开发平台（如TEC系列实验仪）构建的一个具有完整指令集结构的简化计算机系统。该系统包括运算器、控制器、主存储器、输入输出接口等核心部件，能够执行由机器指令构成的程序，并通过微程序控制方式实现指令的执行流程。在本次实验中，学生需要扩展16条新的机器指令，这不仅要求他们理解每条指令的功能及其在指令周期中的作用，还需要他们掌握指令译码、操作控制信号的生成、数据通路的设计等关键技术。 实验目的与要求部分指出，学生需要通过实验掌握并实现较为复杂的计算机原理，并能够使用扩展后的机器指令编写程序，运行于CPU上。这意味着实验不仅仅是硬件连线和程序下载的简单操作，而是一个从指令集扩展、程序编写、微程序设计到硬件验证的完整流程。在这个过程中，学生将深入理解指令的执行过程，包括取指、译码、执行、访存和写回等阶段，同时掌握微程序控制器的工作原理，以及如何将高级指令转化为底层微操作序列。 实验方案中详细列出了实验的步骤。首先，学生需要按照实验指导书中的图6-3进行线路连接。这一过程要求学生具备良好的硬件连接能力，熟悉实验平台上的各个模块及其接口定义。线路连接完成后，必须进行仔细检查，确保没有短路或接触不良的情况，这是实验成功的基础。接下来是与PC机联机，将实验程序EX3下载到实验仪中。这里的EX3程序包含了机器指令程序和微指令程序，分别写入到6116存储器和E2PROM2816控制存储器中。6116是一种静态随机存取存储器（SRAM），用于存储用户编写的机器指令程序；而E2PROM2816则是一种可擦写可编程只读存储器，用于存储微指令程序，即微程序控制器所需的控制信号序列。 在程序下载完成后，下一步是进行微地址清零操作。微地址是微程序控制器中用于指示当前执行哪条微指令的寄存器，清零操作是为了确保程序从微程序存储器的起始地址开始执行。实验仪右下角的CLR开关用于实现这一功能，操作方式为“1->0->1”，即先将开关拨至1，再拨至0，最后再拨回1，以此触发复位信号。这一步骤虽然看似简单，但却是保证程序正确执行的重要环节。 随后，实验要求使用“单步微指令”方式进行程序运行。单步执行是调试程序的重要手段，它允许学生逐条观察微指令的执行过程，从而更好地理解每条微指令对系统状态的影响。通过点击系统界面第三行的“单步微指令”图标，实验仪将逐条执行微程序，学生可以在每一步操作后观察相关寄存器、数据总线、地址总线的状态变化，从而验证微程序的正确性。这一过程不仅有助于发现程序中的错误，还能加深学生对计算机内部运行机制的理解。 最后，实验要求学生观察和记录程序运行过程的数据及结果。这是实验报告撰写的关键部分，学生需要详细记录每一步执行过程中各个部件的状态变化、数据流向以及最终的执行结果。例如，可以记录程序计数器（PC）的变化、指令寄存器（IR）的内容、累加器（ACC）的值、地址总线和数据总线上的信号等信息。通过对这些数据的分析，学生可以验证程序是否按照预期运行，是否正确实现了扩展指令的功能，以及微程序控制器是否生成了正确的控制信号。 此外，本次实验报告还涉及多个专业术语和概念，如机器指令、微指令、微程序控制器、指令周期、数据通路、控制信号、主存储器、输入输出接口等。这些都是计算机组成原理课程中的核心知识点，学生在完成实验报告时，需要将这些概念与实际操作相结合，形成完整的知识体系。 总结而言，本次“复杂模型机的设计与实现”实验报告是计算机组成原理课程中一个极具挑战性和实践性的教学环节。它不仅要求学生掌握计算机硬件系统的基本组成与工作原理，还要求他们具备一定的系统设计能力和调试技巧。通过完成该实验，学生将对计算机的底层运行机制有更加深刻的理解，为后续学习操作系统、计算机体系结构、嵌入式系统等课程打下坚实的基础。