北科大计组原理实验报告_简单模型机与Cache控制器讲述.doc

北京科技大学 计算机与通信工程学院 实 验 报 告 实验名称： 简单模型机与Cache控制器 学生姓名： 专 业： 计算机科学与技术 班 级： 学 号： 指导教师： 实验成绩： 实验地点： 机电楼301 实验时间： 2015 年 6 月 10 日 一、实验目的与实验要求 1、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）为其定义五条机器指令，编写相应的微程序，并上机调试掌握整机概念。 （4）掌握Cache 控制器的原理及其设计方法。 （5）熟悉FPGA应用设计及EDA 软件的使用。 （6）熟悉QuartusII软件的使用及FPGA应用设计。 实验要求 验证性实验：简单模型机设计实验 掌握cache控制器的原理和方法 二、实验设备（环境）及要求 实验箱，Window 8，QuartusⅡ软件 三、实验内容与步骤 1、实验1 （1）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3.32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。 本模型机共有五条指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），HLT（停机），其指令格式如下表3.12所示（高4位为操作码）： 其中，JMP为双字节指令，其余均为单字节指令，********为addr对应的二进制地址码。微程序控制器实验的指令是通过手动给出的，现在要求CPU自动从存储器读取指令并执行。 （2）实验步骤 CPU采用微程序控制器作为控制器构建的简单模型机实验步骤如下： ①写入实验程序，并进行校验，分两种方式，手动写入和联机写入。（以下为联机写入） 联机软件提供了微程序和机器程序下载功能，以代替手动读写微程序和机器程序，但微程序和机器程序得以指定的格式写入到以TXT为后缀的文件中，微程序和机器程序的格式如下： ; //***** Start Of Main Memory Data *****// $P 00 20 ; START: IN R0 从IN单元读入数据送R0 $P 01 00 ; ADD R0,R0 R0和自身相加，结果送R0 $P 02 30 ; OUT R0 R0的值送OUT单元显示 $P 03 E0 ; JMP START 跳转至00H地址 $P 04 00 ; $P 05 50 ; HLT 停机 ; //***** End Of Main Memory Data *****// ; //** Start Of MicroController Data **// $M 00 000001 ; NOP $M 01 006D43 ; PC-AR,PC加1 $M 03 107070 ; MEM-IR, P1 $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 35 000035 ; NOP $M 3C 006D5D ; PC-AR,PC加1 ; //** End Of MicroController Data **// （如果要让程序不循坏，要把$P 04 00 ; 改成$P 04 05 ; ） 选择联机软件的“转储”-“装载”功能将该格式（*.TXT）文件装载入实验系统。 选择联机软件的“转储”-“刷新指令区”可以读出下位机所有的机器指令和微指令，并在指令