西安唐都：CPU与模型机设计实验详解：原理与步骤

本实验主要围绕计算机组成原理中的CPU设计和简单模型机构建展开。CPU是计算机的核心部件，它包括运算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0）、指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）。实验的目的是让学生亲手实现一个功能基础的CPU，进而通过增加主存和基本I/O部件，形成一个可运行简单程序的模型计算机。 CPU设计的关键部分之一是程序计数器（PC），它由两个74LS161和一个74LS245组成，用于管理指令的执行流程。通过三态门的PC_B、清除端CLR和计数逻辑，实现了指令地址的更新和初始化。实验新增了跳转指令JMP，以及IN、ADD、OUT、HLT等指令，这些指令格式各异，反映了不同操作的需求。 实验要求CPU能自动从存储器中读取指令并执行，这涉及到了数据通路的设计，如图4-1-3所示。在这个过程中，微指令格式至关重要，它不仅包含了控制CPU各部件动作的信息，还应包含地址寻址机制，如表4-1-1所示。地址寄存器AR在这个阶段显得尤为重要，因为它负责存储指令的地址，使得CPU能够访问主存中的指令。 在实验过程中，学生需要熟悉并掌握如何通过微指令控制CPU的不同部件协同工作，理解指令的解码和执行过程，以及主存与CPU之间的数据交换。此外，模型计算机的构建也要求对硬件和软件交互有深入理解，包括指令集设计、中断处理等。 这个实验不仅锻炼了学生的硬件设计能力，还强化了他们对计算机体系结构和指令集的理解，是一次理论与实践相结合的重要学习体验。通过这个项目，学生们将能够更好地理解现代计算机内部的工作原理，并为后续的高级计算机系统设计打下坚实的基础。