头歌实验平台计算机组成原理谭志虎单总线CPU实验报告

【计算机组成原理与单总线CPU实验】 计算机组成原理是一门深入探讨计算机硬件系统各组成部分原理的学科，其中，单总线CPU作为一种经典的CPU结构，因其简单易懂而在教学和实验中广泛使用。本实验报告以谭志虎教授的教材为基础，通过Logisim软件平台，对MIPS指令架构和单总线结构的CPU进行了深入学习和实践。 MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages，无互锁流水级微处理器）是一种精简指令集计算机（RISC）架构，以其高效的指令执行流程而著名。在实验中，学生需要掌握MIPS指令架构，了解每个指令周期的流程，以及如何编写微程序。MIPS指令周期通常包括取指、译码、执行、写回等步骤。微程序则是控制单元执行指令的序列，通过在控制存储器中预定义一系列微指令来实现复杂操作的控制。 单总线结构的MIPS CPU特点是所有组件共享同一数据总线，简化了硬件设计，但可能会导致数据传输冲突。实验中，学生需要理解微程序控制器的工作原理，即根据IR中的操作码找到对应微程序的入口地址，并按照指令功能顺序执行微指令。此外，还需掌握单总线CPU结构，包括控制单元、逻辑运算单元和存储单元的功能。控制单元负责指令的读取、译码和控制信号的生成；运算单元执行算术和逻辑运算；存储单元则包含寄存器和缓存，用于临时存储数据。 实验还涉及到微程序入口地址和条件判断测试逻辑的产生。微程序入口地址的产生逻辑涉及特定操作码对应的微程序起始位置，通过逻辑运算和比较得到。条件判断测试逻辑则用于决定指令是否满足执行条件，通常基于CPU的标志位进行判断。 实验操作过程包括了连续执行指令的步骤，如导入冒泡排序程序到外部存储器，然后进行复位和加载操作。通过分析程序执行的数据和结果，学生可以验证CPU是否正确执行了预期的指令序列，同时加深对CPU工作原理的理解。 这个实验旨在帮助学生从理论到实践，全面理解计算机组成原理中的核心概念，特别是单总线CPU的设计和工作流程。通过动手实践，不仅巩固了理论知识，也提升了问题解决和分析能力，为后续的计算机系统设计打下了坚实的基础。