一、 实验目的
(1) 掌握一个简单 CPU 的组成原理。
(2) 在掌握部件单元电路的基础上，进一步将其构造一台基本模型计算机。
(3) 为其定义自己设计的机器指令，编写相应的微程序，并上机调试掌握整机概念。
二、 实验设备
PC 机一台，TD-CMA 实验系统一套。
三、 实验原理
本实验要实现一个简单的 CPU，并且在此 CPU 的基础上，继续构建一个简单的模型计算机。CPU由运算器(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)组成,如图 1-1 所示。这个 CPU 在写入相应的微指令后，就具备了执行机器指令的功能，但是机器指令一般存放在主存当中，CPU 必须和主存挂接后，才有实际的意义，所以还需要在该 CPU 的基础上增加一个主存和基本的输入输出部件，以构成一个简单的模型计算机。
运算器内部含有三个独立运算部件，分别为算术、逻辑和移位运算部件，要处理的数据存 于暂存器 A 和暂存器 B，三个部件同时接受来自 A 和 B 的数据(有些处理器体系结构把移位运算器放于算术和逻辑运算部件之前，如 ARM)，各部件对操作数进行何种运算由控制信号 S3…S0 和 CN 来决定，任何时候，多路选择开关只选择三部件中一个部件的结果作为 ALU 的输出。如 果是影响进位的运算，还将置进位标志FC，在运算结果输出前，置ALU零标志。ALU中所有 模块集成在一片CPLD中，如图 1-2 所示。
暂存器A和暂存器B的数据能在LED灯上实时显示，原理如图 1-3 所示(以 A0 为例，其它相同)。进位标志FC、零标志FZ和数据总线D7…D0的显示原理也是如此。
微程序控制器的基本任务是完成当前指令的翻译和执行，即将当前指令的功能转换成可以 控制的硬件逻辑部件工作的微命令序列，完成数据传送和各种处理操作。它的执行方法就是将 控制各部件动作的微命令的集合进行编码，即将微命令的集合仿照机器指令一样，用数字代码 的形式表示，这种表示称为微指令。这样就可以用一个微指令序列表示一条机器指令，这种微 指令序列称为微程序。微程序存储在一种专用的存储器中，称为控制存储器,微程序控制器原理 框图如图1-4所示。
微程序控制器的组成见图 1-5，其中控制存储器采用 3 片 2816 的 E2PROM，具有掉电保 护功能，微命令寄存器 18 位，用两片 8D 触发器(273)和一片 4D(175)触发器组成。微地址 寄存器 6 位，用三片正沿触发的双 D 触发器(74)组成，它们带有清“0”端和预置端。在不判 别测试的情况下，T2 时刻打入微地址寄存器的内容即为下一条微指令地址。当 T4 时刻进行测 试判别时，转移逻辑满足条件后输出的负脉冲通过强置端将某一触发器置为“1”状态，完成地址修改。
通用寄存器(R0)和指令寄存器(IR)原理图见图1-6和1-7.
系统的程序计数器(PC)和地址寄存器(AR)集成在一片 CPLD 芯片中 。CLR 连接至 CON 单元的总清端CLR，按下 CLR 按钮，将使 PC 清零，LDPC 和 T3 相与后作为计数器的计数时钟，当 LOAD为低时，计数时钟到来后将 CPU 内总线上的数据打入 PC。原理图见图1-8.
微程序P判别条件原理图如图1-9。P1 P2 P3 P4都是低有效，138译码器出来直接就是P1 P2 P3 P4，138输出的是低有效信号。
微指令结构、功能表见表1-1
运算器功能表见表1-2
四、 实验过程
在如图1-10所示的设备上完成如图1-11所示的接线
在TD-CMA 实验系统上，先进行实验5.1 CPU与简单模型机设计实验，如图1-12，熟悉试验系统和实验过程。
熟悉微指令构建成功后，构建自制的功能，我们组实现的功能为求补功能，分解为R0->A，！A->R0，R0->A，INC R0->A，这四步，通过微指令结构功能表，写出这四条微指令
0000 0000 0001 0100 0000 1001（001402），
0000 0010 0011 0010 0000 0110（023206），
0000 0000 0001 0100 0000 0111（001407），
0000 0110 1011 0010 0000 0001（06B201）。
这四条微指令构建成NEG指令，完成求补功能，机器码结构为1000 0000（80）。将微代码写入芯片后进行测试，经验证成功实现求补功能。
五、 实验结果
1、程序流程图如图1-13
2、支持的指令集（指令格式、功能、机器码结构等）
指令格式/功能/机器码结构
ADD指令/实现加法/0000 0000
IN指令/将IN单元的内容放入R0/0010 0000
OUT指令/将OUT单元的内容输出/0011 0000
HLT指令/停机 /0101 0000
NEG指令/实现求补/1000 0000
JMP指令/跳转/1100 0000
3、各指令的微程序实现
; //** Start Of MicroController Data **//
$M 00 000001 ; NOP
$M 01 006D43 ; PC->AR,PC加1
$M 03 107070 ; MEM->IR, P<1>
$M 04 002405 ; R0->B
$M 05 04B201 ; A加B->R0
$M 1D 105141 ; MEM->PC
$M 30 001404 ; R0->A
$M 32 183001 ; IN->R0
$M 33 280401 ; R0->OUT
$M 3C 006D5D ; PC->AR,PC加1
$M 38 001402 ; R0->A 0000 0000 0001 0100 0000 1001
$M 02 023206 ; !A->R0 0000 0010 0011 0010 0000 0110
$M 06 001407 ; R0->A 0000 0000 0001 0100 0000 0111
$M 07 06B201 ; inc A->R0 0000 0110 1011 0010 0000 0001
; //** End Of MicroController Data **//微程序流程图如图1-14
4、源代码（汇编语言形式）
START：
IN R0
NEG R0
OUT R0
JMP START
HLT
5、机器语言目标代码
6、模型计算机实物，见图1-15
六、 实验总结
（1） 对实验涉及概念的理解
微程序写入CPU中的控制器，程序写入内存，没有写入微程序的不能称为计算机，而写入了微程序，没写入程序的也能称为计算机。
（2） 简述通用计算机的基本工作原理
从内存中读取指令，CPU执行控制器中该指令相对应的微指令组。
（3） 碰到了什么问题，如何解决的
问题一：
在接线完成后的验证过程中，我们发现OUT单元输出内容与预计不符。更改几次输入的数据，寻找规律，有时候结果正确，有时候结果错误。我们发现有一位显示的数字，将其拆分为四位二进制数字来看，总是第三位和第二位数字相反，我们怀疑接线有问题。检查输入OUT单元的输入，发现接线出现了下图（图1-16）所示的问题。
可以看到从左往右数的第二根（粉色）和第三根（红色）电线接反了，换正常接线后问题消除，结果显示正常。
问题二：
我们进一步实现更复杂功能时（找出一个数字的最低有效位）微指令如下：
$M 38 001409 ; R0->A 0000 0000 0001 0100 0000 1001
$M 09 002402 ; R0->B 0000 0000 0010 0100 0000 0010
$M 02 023206 ; !A->R0 0000 0010 0011 0010 0000 0110
$M 06 001407 ; R0->A 0000 0000 0001 0100 0000 0111
$M 07 06B21A ; inc A->R0 0000 0110 1011 0010 0001 1010
$M 1A 001408 ; R0->A 0000 0000 0001 0100 0000 1000
$M 08 013201 ; A&B->R0 0000 0001 0011 0010 0000 0001
将微指令写入时提示出错，反复检查后未找出问题，请教老师，得出出错原因：编写微指令时使用了tab键，TD-CMA软件无法识别。修改后成功写入，并成功实现功能。
（4） 有什么不足之处或待提高的方面
实现的功能较少，实现的功能也较为简单。
（5） 通过在工程实验过程中发现和排除问题的训练，在方法学方面有什么体会
要深入研究出问题的地方，准确找出问题点，才能快速解决问题。当自己无法解决问题时，要及时向老师求助。