16位实验CPU设计详解：MIPS指令与15条指令系统

本章节详细介绍了在计算机组成原理实验中设计的一个16位实验CPU实例。实验CPU的目标是帮助教师和学生深入理解计算机工作原理，而不追求全面的指令集，可以根据教学需求进行定制。该CPU的设计采用了16位字长，指令系统简洁，仅包含15条指令，包括基本的算术运算（如加、减、与、或、异或）、逻辑操作（如非门、与门、或门）以及控制转移指令。 指令系统的核心部分涵盖了数据寄存器（DR）与状态寄存器（SR）的操作。例如，"ADDDR,SR"指令执行DR与SR的加法运算，同时更新标志位C和Z，并自动将程序计数器（PC）递增。"JMPADR"指令用于无条件转移，"JNCADR"则表示如果标志位C为0，则跳转到指定地址。 设计实验CPU时，首先需要确定指令集的架构和编码方式，如上述示例所示，每个指令都有特定的二进制编码，使得CPU硬件能正确识别并执行。这些指令的设计既注重基础操作的演示，也考虑到了简化教学过程。 值得注意的是，该CPU设计还留有一定的扩展空间，允许用户根据需要添加或修改指令，以满足不同教学目标。此外，实验的目的不仅仅是让学生熟悉硬件层面的指令执行，更关键的是让他们理解指令如何驱动整个计算机系统，从而建立起对计算机工作原理的深刻认识。 通过这个16位实验CPU实例，学生将有机会实践计算机组成原理的基本概念，包括指令集设计、数据路径、控制逻辑等，这对于培养未来的IT专业人才具有重要的教学价值。