计算机体系结构课程实验
计算机系统结构实验报告
计算机系统结构实验报告实验目的：掌握计算机系统的基本结构和工作原理，了解计算机系统的组成部分及其相互关系。
实验仪器和材料：计算机硬件设备（主机、硬盘、内存、显卡等）、操作系统、实验指导书、实验报告模板。
实验原理：实验步骤：1.搭建计算机硬件设备，将主机、硬盘、内存、显卡等组装连接好。
2. 安装操作系统，如Windows、Linux等。
3.启动计算机，进入操作系统界面。
4.打开任务管理器，查看CPU的使用情况。
5.打开任务管理器，查看内存的使用情况。
6.运行一些应用程序，观察CPU和内存的使用情况。
7.尝试使用输入输出设备，如键盘、鼠标等。
实验结果：通过实验，我们可以观察到计算机系统的硬件部分和软件部分的工作情况。
通过任务管理器，我们可以查看到CPU的使用情况和内存的使用情况。
在运行应用程序时，我们可以观察到CPU和内存的使用情况的变化。
通过使用输入输出设备，我们可以与计算机进行交互操作。
实验分析：从实验结果可以看出，计算机系统的硬件部分和软件部分都是相互关联的。
CPU作为计算机的核心部件，负责执行各种指令，通过数据传输和计算来完成各种操作。
而内存则用于存储数据和程序，通过读写操作来完成对数据的处理。
硬盘则用于长期存储数据。
操作系统则是计算机系统的管理者，通过调度CPU和内存的使用来实现对计算机资源的分配。
结论：计算机系统是由硬件和软件部分组成的，其中硬件部分包括CPU、内存、硬盘等，软件部分包括操作系统、应用程序等。
计算机系统通过CPU 的运算和数据传输来实现各种操作。
通过实验，我们可以观察到计算机系统的工作情况，并深入了解计算机系统的组成和工作原理。
实验总结：通过本次实验，我们对计算机系统的基本结构和工作原理有了更深入的了解。
实验中，我们搭建了计算机硬件设备，安装了操作系统，并通过观察和分析实验结果，进一步认识到计算机系统的组成部分和各部分之间的相互关系。
通过操作输入输出设备，我们还实践了与计算机进行交互操作的过程。
计算机系统综合课程设计实验总结
计算机系统综合课程设计实验总结一、引言计算机系统综合课程设计实验是计算机科学与技术相关专业的一门重要实践课程，旨在通过实际操作和综合实验任务，让学生全面了解计算机系统的组成和工作原理，培养学生的综合应用能力和问题解决能力。
本文旨在对该实验进行总结和回顾，介绍实验的目的、内容、实施过程和取得的成果。
二、实验目的计算机系统综合课程设计实验的目的是通过设计和实现一个简化的计算机系统，包括处理器、内存、I/O设备等，加深对计算机硬件和软件的理解，培养学生的系统思维和综合应用能力。
通过实验，学生能够掌握计算机系统的基本结构和工作原理，熟悉计算机体系结构、操作系统、编译原理等相关知识，提高自己的实践能力和创新能力。
三、实验内容本次实验的内容主要包括以下几个方面：1. 计算机系统的基本组成：学生需要了解并实现计算机系统的各个部分，包括处理器、内存、I/O设备等，理解它们之间的功能和相互作用关系。
2. 处理器设计与实现：学生需要设计并实现一个简化的处理器，包括指令集、寄存器、控制单元等。
通过设计处理器，学生能够深入理解指令的执行过程和计算机的运行机制。
3. 内存管理和地址映射：学生需要设计并实现一个简化的内存管理系统，包括地址映射、虚拟内存、分页机制等。
通过实现内存管理系统，学生能够理解内存的分配与回收原理，掌握地址映射的方法和技巧。
4. I/O设备的设计与实现：学生需要设计并实现一个简化的I/O设备，包括输入设备和输出设备。
通过设计I/O设备，学生能够了解I/O设备的工作原理和驱动程序的编写方法。
四、实施过程本次实验的实施过程主要包括以下几个阶段：1. 系统设计和规划：在实验开始前，学生需要对整个实验进行系统设计和规划，确定实验的目标、内容和实施方案。
2. 硬件和软件开发：学生根据实验的设计要求，开始进行硬件和软件的开发工作。
他们需要使用相应的开发工具和编程语言，实现计算机系统的各个组成部分。
3. 调试和测试：在开发完成后，学生需要对实验系统进行调试和测试，确保系统的功能和性能达到设计要求。
机组实验-程序计数器PC和地址寄存器AR
计算机组织与体系结构课程实验报告实验名称程序计数器PC和地址寄存器AR
一、实验目的
1．掌握地址单元的工作原理。
2．掌握的两种工作方式，加1计数和重装计数器初值的实现方法；
3．掌握地址寄存器从程序计数器获得数据和从内部总线获得数据的实现方法。
二、实验所用仪器（或实验环境）
QuartusⅡ9.0仿真软件
三、实验原理及步骤
地址单元主要由三部分组成：程序计数器、地址寄存器和多路开关。
程序计数器PC用以指出下一条指令在主存中的存放地址，CPU正是根据PC 的内容去存取指令的。
因程序中指令是顺序执行的，所以PC有自增功能。
程序计数器提供下一条程序指令的地址，在T4时钟脉冲的作用下具有自动加1的功能；在LDPC信号的作用下可以预置计数器的初值（如子程序调用或中断响应等）。
当LDPC为高电平时，计数器装入data[ ]端输入的数据。
aclr是计数器的清0端，高电平有效（高电平清零）；aclr为低电平时，允许计数器正常计数。
五、实验数据记录（或仿真及软件设计）
电路图
仿真波形图
六、实验结果分析及回答问题（或测试环境及测试结果）
分析：根据令LDPC为1，设置首地址。
之后计数器自动加一个指令大小，便可获取下一条指令地址，并通过数据选择器选择输出到地址寄存器。
如果跳转，则通过数据选择器选择数据到地址寄存器
问题：此次试验比较简单，没什么问题。
仿真波形图符合预期。
计算机组成与体系结构实验
计算机组成与体系结构实验计算机组成与体系结构是计算机科学与技术中的重要基础课程，旨在让学生深入了解计算机内部的工作原理和组成结构。
通过实验的方式，学生可以亲自动手操作和观察，加深对计算机组成与体系结构的理解与认识。
本文将就计算机组成与体系结构实验的重要性、实验的设计与操作、实验结果与分析等方面进行探讨，希望能对读者有所启发。
1. 实验的重要性计算机组成与体系结构实验作为一门重要的实践课程，具有以下几个方面的重要性。
1.1 增强理论知识的实践运用通过实验，学生能够将书本上的理论知识应用于实际操作中，增强对计算机组成与体系结构的认识和理解。
只有亲身操作和实践，才能真正理解计算机内部的工作原理。
1.2 培养问题解决能力在实验中，学生常常会遇到各种问题和挑战，需要通过分析和解决来完成实验任务。
这不仅能够培养学生的问题解决能力，还可以提高他们的创新思维和实践能力。
1.3 提升实验技能实验的设计与操作需要学生掌握一定的实验技能，例如使用计算机硬件设备、调试程序等。
通过实验，学生可以提升自己的实验技能，为以后的学习和工作打下坚实的基础。
2. 实验的设计与操作在进行计算机组成与体系结构实验时，需要根据实验目的和要求，合理设计实验方案，并按照以下步骤进行实验操作。
2.1 实验前的准备工作在开始实验之前，需要进行充分的准备工作。
首先，确认实验所需的硬件和软件设备是否齐备，并检查它们的工作状态。
其次，了解实验的背景和目的，明确实验要求和操作步骤。
最后，阅读相关的实验指导书或教材，熟悉实验的理论知识和实验的操作要点。
2.2 实验过程的操作按照实验指导书或教师的要求，进行实验的操作。
在实验过程中，要注意以下几个方面。
2.2.1 实验环境的设置根据实验要求，设置好实验环境和实验参数。
例如，可以使用特定的软件模拟实验环境，或连接相应的硬件设备来进行实验操作。
2.2.2 实验步骤的执行按照实验指导书或教师的要求，按照实验步骤进行操作。
北航计算机体系结构方向实验介绍
综合实验：主要完成各种控制电路和一些实用数字系统的设计，包括8
位16进制频率计、电子秒表电路、数码管扫描显示电路、全自动洗衣机控制 器 交通灯控制器 电子抢答器 乐曲演奏电路 卡式电话计费器的设计等， 器、交通灯控制器、电子抢答器、乐曲演奏电路、卡式电话计费器的设计等， 共10个。
设计创新实验：主要训练学生综合应用各种EDA工具完成一个大型实际
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北航计算机体系结构方向实验ห้องสมุดไป่ตู้绍
数字逻辑实验 部分实验大纲 数字逻辑实验－部分实验大纲
课程实验（实验2-3）-选作实验 实验名称：数码管扫描显示电路（2学时，设 计型） 实验目的：了解数码管扫描显示电路的原理。 掌握数码管扫描显示电路的设计方法。 实验内容：利用人眼的视觉暂留效应，设计数 码管扫描显示电路，使6个数码管完成小时、分 钟 秒的扫描显示 要求有启动计时和异步清 钟、秒的扫描显示。要求有启动计时和异步清 零的功能
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北航计算机体系结构方向实验介绍
MIPS-C核心介绍 MIPS C核心介绍 MIPS-C多周期数据通路
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北航计算机体系结构方向实验介绍
MIPS-C核心介绍 MIPS C核心介绍 MIPS-C外部接口 UART接口 支持9600 115200波特率 支持9600～115200波特率 UART内部包括6个寄存器：数据寄存器、 中断允许寄存器 中断识别寄存器 线路控 中断允许寄存器、中断识别寄存器、线路控 制寄存器、线路状态寄存器和除数寄存器 支持 级中断 支持3级中断
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北航计算机体系结构方向实验介绍
MIPS-C核心介绍 MIPS C核心介绍 MIPS-C外部接口 存储器接口 CPU外部可以连接FLASH和SDRAM FLASH为 8位 16M SDRAM为 32位 128M
本科专业认证《计算机体系结构》教学大纲
《计算机体系结构》教学大纲课程名称：计算机体系结构英文名称：Computer Architecture课程编号：0812000485课程性质：选修学分/学时：2/32。
其中，讲授 32学时，实验 0学时，上机 0学时，实训 0学时。
课程负责人：先修课程：模拟电路，数字电路，计算机组成原理，汇编语言，操作系统，算法与程序设计方法一、课程目标通过本课程的教学，使学生先掌握计算机系统结构的基本概念，以及计算机系统结构的形成和发展过程，再以现代计算机系统结构为主线，掌握计算机系统结构的合成、存储系统结构、流水线结构、多处理机系统、RISC结构、分布计算环境结构及数据流计算机结构等现代计算机的系统结构，并了解软件对计算机系统结构的影响，最后了解现代计算机系统结构的最新发展。
本课程帮助学生了解计算机系统结构的基本概念，基本原理、基本结构、基本分析方法以及近年来的重要进展。
通过本课程的学习，达到以下教学目标：1. 工程知识1.1 掌握必要的计算机体系结构基础理论知识。
1.2 能够应用计算机体系结构理论知识解决复杂工程技术问题。
2. 问题分析2.1 能够理解并恰当表述计算机体系结构的实际问题。
2.2 能够找到合适的解决计算机体系结构实际问题的程序与方法。
2.3 在一定的限制条件下能够合理解决计算机体系结构方面的实际问题。
3．设计/开发解决方案能够运用计算机系统结构基础知识初步进行计算机系统的规划与设计并体现创新意识。
4. 研究4.1能够采用计算机系统结构理论知识进行研究并合理设计实验方案。
4.2具备采集有效数据的能力。
5. 使用现代工具能够正确运用工具与资源对计算机系统的性能提升等问题进行设计与实现。
6. 终身学习6.1具有自觉搜集阅读与整理资料的能力。
6.2了解计算机系统结构的发展前沿。
6.3具有终身学习的意识与能力。
二、课程内容及学时分配如表1所示。
三、教学方法课程教学以课堂教学、实验教学、课外作业、综合讨论、网络课程等共同实施。
计算机体系结构实验二
实验二循环展开及指令调度实验目的1.加深对循环级并行性、指令调度技术、循环展开技术以及寄存器换名技术的理解；2.熟悉用指令调度技术来解决流水线中的数据相关的方法；3.了解循环展开、指令调度等技术对CPU性能的改进。
实验平台WinDLX simulator实验内容和步骤1．用指令调度技术解决流水线中的结构相关与数据相关（1）用DLX汇编语言编写代码文件*.s，程序中应包括数据相关与结构相关（假设：加法﹑乘法﹑除法部件各有2个，延迟时间都是3个时钟周期）代码.data.global ONEONE: .word 1.text.global mainmain:lf f1,ONEcvti2f f7,f1nopdivf f1,f8,f7divf f2,f6,f7addf f3,f1,f2divf f10,f3,f7divf f4,f11,f7divf f5,f12,f7multf f6,f11,f7multf f6,f4,f5divf f13,f6,f7Finish:trap 0（2）通过Configuration菜单中的“Floating point stages”选项，把加法﹑乘法﹑除法部件的个数设置为2个，把延迟都设置为3个时钟周期；（3）用WinDLX运行程序。
记录程序执行过程中各种相关发生的次数、发生相关的指令组合，以及程序执行的总时钟周期数；结构相关1次别在9 10行数据相关3次分别在5 6 11行（4）采用指令调度技术对程序进行指令调度，消除相关；.data .global ONEONE: .word 1.text.global mainmain:lf f1,ONEcvti2f f7,f1nopdivf f1,f8,f7divf f2,f6,f7divf f10,f3,f7divf f4,f11,f7addf f3,f1,f2multf f6,f11,f7divf f5,f12,f7multf f6,f4,f5divf f13,f6,f7Finish:trap 0（5）用WinDLX运行调度后的程序，观察程序在流水线中的执行情况，记录程序执行的总时钟周期数；（6）根据记录结果，比较调度前和调度后的性能。
计算机体系结构课程教学改革实践
计算机体系结构课程教学改革实践计算机体系结构是计算机科学与技术专业中的一门基础课程，其教学内容主要涵盖计算机硬件和软件之间的相互关系以及计算机系统的组成和工作原理。
近年来，随着计算机技术的不断发展和应用的广泛推广，计算机体系结构的教学也面临着许多新的挑战和问题。
为了更好地适应计算机行业的需求和培养高素质的计算机专业人才，需要对计算机体系结构课程的教学进行改革实践。
计算机体系结构教学应该注重理论与实践相结合。
传统的计算机体系结构课程主要侧重于理论知识的传授，对于学生的动手能力和实际操作能力培养较少关注。
实际上，计算机体系结构的学习需要通过实际操作和实验来加深理解和巩固知识。
在教学中应加大对实践环节的重视，通过实验操作、案例分析和项目实践等方式，引导学生将理论知识运用到实际问题中，增强学生的动手能力和实际操作能力。
计算机体系结构教学应注重培养学生的创新能力和问题解决能力。
计算机体系结构的学习需要学生具备良好的分析问题和解决问题的能力。
传统的计算机体系结构课程注重的是教授学生硬件设计和指令集结构等基本概念和知识，对于学生的创新能力和问题解决能力培养较少关注。
在教学中应引入一些实际问题和案例，鼓励学生进行讨论和思考，培养学生的创新能力和问题解决能力。
计算机体系结构教学应注重培养学生的团队合作精神和实际操作能力。
计算机体系结构的学习需要学生具备较强的团队合作能力，因为计算机体系结构的设计和实现往往需要多个人共同合作完成。
传统的计算机体系结构课程往往以个人为单位进行学习和评估，对于学生的团队合作能力培养较少关注。
在教学中应引入一些团队项目和实践活动，鼓励学生进行团队合作，培养学生的团队合作精神和实际操作能力。
计算机体系结构教学应注重实际应用和跨学科的融合。
计算机体系结构不仅仅是一个理论性的学科，更是与其他学科密切相关的工程学科。
在教学中应注重计算机体系结构与其他学科的融合，在教学内容和实践活动中引入一些实际应用和案例，使学生能够将所学知识应用到实际工程中，并能够与其他学科进行跨学科合作，提高学生的综合素质和创新能力。
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– 指令
• 访存类、寄存器操作、算术类、逻辑类、控制流转移
– WinDLX的Trap机制
实验步骤
一． 学习WinDLX软件使用； 二． 学习DLX汇编程序的编写； 三． 将程序在WinDLX上运行调试； 四． 观察程序中出现的数据/控制/结构相关； 五． 优化代码（在有定向功能和无定向功能两种情 况下），尽量消除相关引起的暂停； 六． 对优化后的代码重新模拟，并观察优化效果； 七． 分析实验结果，书写实验报告。
计算机系统结构课程实验
—— 流水线篇
主要内容
• 实验目的 • 实验原理 • 实验平台
– WinDLX
• 实验内容 • 实验步骤 • 实验要求
实验目的
• 通过该模拟实验，进一步掌握和巩固流水 线的基本知识; • 初步掌握在特定体系结构下的汇编代码的 编写和优化；
• 培养运用所学知识解决实际问题的能力。
DLX的汇编语法
• DLX的汇编语法（1/2）
– 伪指令
.data [address] .text [address] .global label .word word1,word2,… .space size .double 常数、运算符…………
一般地，指令（code）均被导入 $CODE （起始地址为0x100） 而数据（data）则被导入$DATA （起 始地址为0x1000）
实验要求
• 实验报告要求包括：
1. 程序源代码 2. 实验结果、实验分析、优化过程、性能分析 3. 简单谈谈自己对流水线技术的认识
提交形式: 实验源代码 + 实验报告（Word编辑） 文件夹命名格式：学号1_姓名1
谢 谢
实验原理
• 流水线执行过程
指令1 IF ID EX 指令2 指令3 指令4
MEM
WB 执行时间
实验原理
• 将指令执行划分为5个阶段
– 取指令周期 – 指令译码/读寄存器周期 – 执行/有效地址计算周期 – 存储器访问/分支完成周期 – 写回周期
实验原理
1.取指令周期(IF) 操作为： 根据PC值从存储器中取出指令，并将指令 送入指令寄存器IR；PC值增加4，指向顺 序的下一条指令，并将下一条指令的地址 放入临时寄存器NPC中。 IR←Mem[PC] NPC←PC+4
– 控制相关
指令4
实验原理
• 流水线性能评价
– 加速比
– 吞吐率
IF
指令1
指令2
指令3
指令4
– 效率
ID EX MEM WB 执行时间
实验平台——WinDLX
实验平台
• WinDLX的使用步骤
– 安装 – 配置
• 浮点段配置 • 存储器配置
– 模拟
• 代码载入 • 程序推进 • 机器状态的查看
– Reg[IR11..15]←LMD
解决问题
– IF与Mem两个阶段都要访问存储器，怎样避免 访存冲突？ – ID和WB两个阶段都要访问寄存器，是否存在 冲突？怎样避免？
实验原理
• 流水线中的相关问题
– 结构相关
指令1 指令2 物理器件
– 数据相关
• RAW / WAR / WAW
指令3 指令3的输出 指令4的输入
实验原理
3.执行/有效地址计算周期(EX) 操作为： 存储器访问： ALUoutput←A+Imm 寄存器-寄存器ALU：ALUoutput←A op B 寄存器-立即值ALU: ALUoutput←A op Imm 分支操作： ALUoutput←NPC+Imm Cond←(A op 0)
实验原理
4.访存/分支操作完成周期(MEM) 操作为：
– 访存操作：
• Load： • Store：
»
LMD←LMDMEM[ALUoutput] Mem[ALUoutput]←B
else PC←NPC
– 分支操作： if (Cond) PC←ALUoutput
5.写回周期(WB) 操作为：
– 寄存器-寄存器型ALU指令： Reg[IR16..20]←ALUoutput – 寄存器-立即值型ALU指令： Reg[IR11..15]←ALUoutput – Load指令：
实验原理
2.指令译码/读寄存器周期(ID) 操作为： 进行指令译码，读IR寄存器（指令寄存器），并 将读出结果放入两个临时寄存器A和B中。同时对 IR寄存器中内容的低16位进行符号扩展，然后将 符号扩展之后的32位立即值保存在临时寄存器 Imm中。 A←Regs[IR6..10] B←Regs[IR11..15] Imm←((IR16)16##IR16..31)