模拟计算机设计：从微指令到验证过程

模拟计算机是一种基于物理模拟原理来执行计算任务的早期计算机形式，其设计和实现着重于理解和模拟电子元件的工作方式。本文档的主要目标是通过设计和构建一个简单的模型机，深入学习和实践计算机组成原理，包括指令系统、微指令格式、机器指令以及存储器和总线的硬件电路。 2.1 设计目的 设计的核心目标是让学生通过以下步骤熟悉计算机内部结构和工作原理： 1. 数据传输与通用寄存器：通过设计，学生需掌握运算器如何处理数据，特别是通用寄存器的作用，如数据的置数和存储。通用寄存器作为临时存储区域，对于指令的执行至关重要。 2. 存储器和总线：学生要理解内存和总线在数据通信中的角色，以及它们如何连接和协调计算机不同部分之间的通信。 3. 微程序控制器：学生会学习微程序控制器的设计，这是实现指令解码和控制的关键组件，通过微指令控制硬件操作。 4. 微程序编制与调试：通过编写和调试微程序，学生可以实际操作计算机的运行，观察不同指令的执行过程。 5. 程序编译与加载：通过使用软件工具HKCPT，学生将了解到程序的编译和加载流程，这对于理解整个计算机系统的生命周期至关重要。 具体到实验案例，学生需要解决一个十六进制表达式的计算问题，通过这个过程实践微程序设计和执行。 2.2 设计原理 计算机的中央处理器（CPU）通过指令和微指令的执行来完成任务。指令是高层抽象的命令，而微指令则是更低级的控制单元，包含多个微命令，每个微命令对应硬件操作。这种层次结构允许复杂指令被分解成一系列简单的操作，提高了计算机的灵活性和效率。 在模型机设计中，微指令和时序控制是关键。每一条机器指令都会对应一个微程序，这些微程序在内存中存储，模型机通过解析内存中的微指令来执行对应的机器指令。 3. 模型机的逻辑框图 运算器由两个74L181芯片构成，提供了8位字长的算术逻辑单元（ALU）。数据通过数据锁存器（如74LS374）进行暂存和传输，数据总线则连接着输入端口ALU-IN，用于接收数据。当特定条件满足（如上升沿触发），数据会被写入相应的锁存器。 总结起来，这个模拟计算机项目旨在通过实践性的设计和构建活动，帮助学生理解计算机底层硬件的运作机制，增强对指令系统、微程序设计和硬件协同工作的认识。通过这个过程，学生不仅能掌握理论知识，还能提升动手能力和问题解决能力。