《計算機原理與系統(tǒng)結構模擬實驗》是普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材,由高等教育出版社出版、張晨曦等編著的《計算機組成與結構》、《計算機系統(tǒng)結構》的配套實驗教材。全書設計和編寫了15個實驗,包括計算機執(zhí)行程序的過程。尋址方式,CPU數掘通路的構建,微程序控制器的組成,4×4位陣列乘法器,存儲器組成,中斷的屏蔽、響應及處理,MIPS指令系統(tǒng)和MIPS體系結構,流水線及流水線中的沖突,指令調度和延遲分支,Cache性能分析,Tomasulo算法,再定序緩沖(ROB)工作原理,多Cache一致性——監(jiān)聽協(xié)議和多Cache一致性——目錄協(xié)議。這些實驗是基于MIPS指令集結構的,書中同時提供了實驗所需相關知識的介紹。 《計算機原理與系統(tǒng)結構模擬實驗》覆蓋面廣,內容豐富,有利于加深學生對計算機原理與系統(tǒng)結構知識的理解。為便于學生學習,《計算機原理與系統(tǒng)結構模擬實驗》提供了作者專門為實驗開發(fā)的一套運行于Windows平臺的模擬器。這些模擬器界面友好,使用方便、直觀,交互性很強。 《計算機原理與系統(tǒng)結構模擬實驗》可作為普通高等學校本科計算機與相關專業(yè)計算機組成原理、計算機系統(tǒng)結構、計算機組成與結構等課程的實驗教材,也可作為自學者的參考書。
《計算機原理與系統(tǒng)結構模擬實驗》特點:
與“計算機組成原理”“計算機系統(tǒng)結構”“計算機組成與結構”等課程配套使用。有利于加深學生對計算機原理與系統(tǒng)結構知識的理解。
與課程配套設計和編寫了基于MIPS指令集結構的15個實驗,同時提供了實驗所需的相關理論知識的講解。
隨書提供作者專為實驗開發(fā)的一套運行于Windows平臺的模擬器,這些模擬器界面友好,使用方便、直觀,具有較強的交互性。
張晨曦,同濟大學教授,博士生導師。國家級“中青年有突出貢獻專家”,國家杰出青年基金獲得者,上海市高校教學名師和上海市模范教師。先后主持了一個國家973計劃課題和5項國家自然科學基金項目。
負責建設的計算機系統(tǒng)結構課程和計算機組成原理課程被評為上海市精品課程,“計算機系統(tǒng)結構”課程被評為國家級精品資源共享課。從事系統(tǒng)結構教學和研究30余年,開發(fā)出國內第一套用于本課程的動畫課件以及國內第一套系統(tǒng)結構實驗模擬器。
主編的《計算機系統(tǒng)結構》教材被評為國家級精品教材,編寫出版5本“十一五”國家級規(guī)劃教材,撰寫專著兩部。其中專著《新一代計算機》由荷蘭North—Holland出版社出版。
實驗1 計算機執(zhí)行程序的過程
1.1 實驗目的
1.2 實驗軟件
1.3 實驗內容和步驟
1.4 相關知識:計算機的硬件組成
1.4.1 計算機系統(tǒng)的硬件組成
1.4.2 計算機執(zhí)行程序的過程
實驗2 尋址方式
2.1 實驗目的
2.2 實驗軟件
2.3 實驗內容和步驟
2.4 相關知識:尋址方式
實驗3 CPU數據通路的構建
3.1 實驗目的
3.2 實驗軟件
3.3 實驗內容和步驟
3.4 相關知識:CPU數據通路
3.4.1 關于模型機
3.4.2 構建基本的數據通路
3.4.3 指令分步執(zhí)行過程(按周期分步)
實驗4 微程序控制器的組成
4.1 實驗目的
4.2 實驗軟件
4.3 實驗內容和步驟
4.4 相關知識:微程序控制器
4.4.1 微程序控制的基本原理
4.4.2 微程序控制器的組成與工作過程
4.4.3 微程序的順序控制
實驗5 4x4位陣列乘法器
5.1 實驗目的
5.2 實驗軟件
5.3 實驗內容和步驟
5.4 相關知識:陣列乘法器
實驗6 存儲器組成
6.1 實驗目的
6.2 實驗軟件
6.3 實驗內容和步驟
6.4 相關知識:存儲器的組成
實驗7 中斷的屏蔽、響應及處理
7.1 實驗目的
7.2 實驗軟件
7.3 實驗內容和步驟
7.4 相關知識:中斷的屏蔽、響應和處理
7.4.1 中斷請求信號的建立與屏蔽
7.4.2 中斷響應與處理
7.4.3 多重中斷與中斷屏蔽
實驗8 MIPS指令系統(tǒng)和MIPS體系結構
8.1 實驗目的
8.2 實驗軟件
8.3 實驗內容和步驟
8.4 MIPSsim使用手冊
8.4.1 啟動模擬器
8.4.2 MIPSsim的窗口
8.4.3 MIPSsim的菜單
8.5 相關知識:MIPS指令系統(tǒng)
實驗9 流水線及流水線中的沖突
9.1 實驗目的
9.2 實驗軟件
9.3 實驗內容和步驟
9.4 相關知識:流水線、相關與沖突
9.4.1 一條經典的5段流水線
9.4.2 相關與流水線沖突
9.4.3 流水線的實現(xiàn)
實驗10 指令調度和延遲分支
10.1 實驗目的
10.2 實驗軟件
10.3 實驗內容和步驟
10.4 相關知識:指令調度和延遲分支
10.4.1 指令調度
10.4.2 延遲分支
實驗11 Cache性能分析
11.1 實驗目的
11.2 實驗軟件
11.3 實驗內容及步驟
11.4 MyCache模擬器使用方法
11.5 相關知識:Cache的基本原理
11.5.1 Cache的映像規(guī)則
11.5.2 查找方法與替換算法
11.5.3 寫策略與改進Cache性能
11.5.4 3種類型的不命中
11.5.5 陣低不命中率的方法
11.5.6 分離Cache和混合Cache
實驗12 Tomasulo算法
12.1 實驗目的
12.2 實驗軟件
12.3 實驗內容及步驟
12.4 Tomasulo算法模擬器使用方法
12.5 相關知識:Tomasulo算法
12.5.1 基本思想
12.5.2 具體算法
實驗13 再定序緩沖(ROB)工作原理
13.1 實驗目的
13.2 實驗軟件
13.3 實驗內容及步驟
13.4 ROB模擬器的使用方法
13.5 相關知識:再定序緩沖ROB
實驗14 多Cache一致性——監(jiān)聽協(xié)議
14.1 實驗目的
14.2 實驗軟件
14.3 實驗內容及步驟
14.4 監(jiān)聽協(xié)議模擬器使用方法
14.5 相關知識:監(jiān)聽協(xié)議
14.5.1 監(jiān)聽協(xié)議的基本思想
14.5.2 監(jiān)聽協(xié)議的實現(xiàn)
實驗15 多Cache一致性——目錄協(xié)議
15.1 實驗目的
15.2 實驗軟件
15.3 實驗內容及步驟
15.4 目錄協(xié)議模擬器使用方法
15.5 相關知識:目錄協(xié)議
15.5.1 目錄協(xié)議的基本思想
15.5.2 目錄協(xié)議實例
附錄A MIPSsim的指令列表(MIPS64指令集的一個子集)
附錄B MIPSsim的指令格式及功能(MIPS64指令集的一個子集)
附錄C 模擬器MIPSsim的匯編語言
參考文獻