“計算機組成原理”是一門理論性、工程性和實踐性都很強的專業(yè)核心基礎(chǔ)課程，其實踐教學(xué)對理論教學(xué)具有強支撐作用，是強化讀者計算機系統(tǒng)能力、分析與解決復(fù)雜工程問題能力的重要途徑。 作者本著“理論與實踐一體化、實驗?zāi)繕讼到y(tǒng)化、實驗平臺虛擬化、課程實驗在線化、實驗過程游戲化”的原則，歷經(jīng)十年持續(xù)的實踐教學(xué)改革，開發(fā)了一系列原創(chuàng)的硬件在線仿真實驗，建立了立足計算機系統(tǒng)、逐層遞進、以設(shè)計型實驗為主導(dǎo)的實踐教學(xué)體系。本書站在硬件工程師的視角，從邏輯門電路開始逐步設(shè)計運算器、存儲器、數(shù)據(jù)通路和控制器、沖突冒險與中斷異常處理機制，直至完整的RISC-V流水CPU，旨在幫助讀者深入理解計算機軟硬件系統(tǒng)。 本書可作為高等學(xué)校計算機相關(guān)專業(yè)“計算機組成原理”課程的配套實驗指導(dǎo)用書和計算機系統(tǒng)能力培養(yǎng)的參考書，也可供相關(guān)專業(yè)工程技術(shù)人員參考。

（1）理論實踐一體化：相關(guān)實驗緊扣理論教學(xué)重點難點，課程內(nèi)容覆蓋率90%以上，有助于構(gòu)建理論課堂中教學(xué)師生的共同語境，為翻轉(zhuǎn)課堂提供豐富的教學(xué)素材，實驗內(nèi)容大多處于布魯姆認知分類法中的運用、分析、綜合、評價四個層次，學(xué)生完成系列實驗，對相關(guān)知識的掌握更透徹，為理論教學(xué)提供了強支撐。 （2）實驗?zāi)繕讼到y(tǒng)化：實驗圍繞計算機系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)的系統(tǒng)能力培養(yǎng)目標，讓學(xué)生站在硬件工程師的視角，從邏輯門電路開始逐步設(shè)計運算部件，存儲器、數(shù)據(jù)通路和控制器、沖突冒險與中斷異常處理機制直至完整的流水CPU來深入理解計算機軟硬件系統(tǒng)，將系統(tǒng)能力培養(yǎng)的復(fù)雜工程問題---CPU設(shè)計的高挑戰(zhàn)度任務(wù)分解成若干難度遞進的子任務(wù)和單元實驗中，讓學(xué)生實踐中不斷提升計算機系統(tǒng)能力。 （3）實驗平臺虛擬化：實驗采用跨平臺開源的Logisim虛擬仿真平臺，該平臺簡單易學(xué)，易調(diào)試、無需任何硬件平臺即可開展實驗，突破傳統(tǒng)實驗對空間和時間的要求。加州大學(xué)伯克利分校CS61C、康奈爾大學(xué)CS3410課程均采用了該平臺。采用分離數(shù)字電路對象構(gòu)建原理圖的方式進行CPU系統(tǒng)設(shè)計和仿真，有效延續(xù)了數(shù)字邏輯課程的設(shè)計方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生硬件設(shè)計思維。無需額外開設(shè)硬件描述語言類先導(dǎo)課程，有效回避了硬件描述語言過于抽象、硬件設(shè)計程序化、學(xué)習(xí)周期長的問題。 （4）課程實驗在線化。實驗已經(jīng)全部上線EduCoder頭哥在線實訓(xùn)平臺面向全國開放，結(jié)合EduCoder平臺的SPOC課堂，可實現(xiàn)實驗自動測試，自動檢查，自動評分，學(xué)生實驗過程教師全程輕松管控，可一鍵到處實驗成績，大大降低了教師實驗教學(xué)工作強度，有效解決了硬件實驗難，檢查難、指導(dǎo)難的困局。 （5）實驗過程游戲化：借鑒游戲闖關(guān)的設(shè)計理念，將高挑戰(zhàn)度的CPU設(shè)計任務(wù)細分成若干可明確檢查的學(xué)習(xí)關(guān)卡。實驗內(nèi)容和難度逐漸遞進，通過各階段成果實時得分增強學(xué)習(xí)的及時反饋，提升學(xué)習(xí)趣味性；為學(xué)生提供豐富的測試用例以及自動檢測工具等學(xué)習(xí)裝備，讓學(xué)生的較短時間內(nèi)體驗更多的設(shè)計內(nèi)容；實驗完成率高，學(xué)生獲得感、成就感強，被學(xué)生評價為“這是一門讓人手癢的實踐課程”。

譚志虎，華中科技大學(xué)教授，院長助理，主要研究方向為計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)存儲，科研成果獲湖北省科技進步一等獎。主要承擔(dān)《計算機組成原理》、《計算機組織與結(jié)構(gòu)》、《計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)》、《Verilog語言》、《計算機系統(tǒng)能力綜合訓(xùn)練》等課程的教學(xué)工作，在中國大學(xué)慕課上開設(shè)《計算機組成原理》、《計算機硬件系統(tǒng)設(shè)計》兩門慕課課程，主編《計算機組成原理實踐教程---從邏輯門到CPU》教材一部。主持省部級教改項目5項，發(fā)表CSSCI類教研論文7篇，先后獲湖北省教學(xué)成果一等獎，校實驗技術(shù)成果一等獎，寶鋼優(yōu)秀教師獎，校教師教學(xué)競賽一等獎，教學(xué)質(zhì)量一等獎，課堂教學(xué)卓越獎。

第 1章 數(shù)據(jù)表示實驗 1.1　漢字編碼實驗　1 1.1.1　實驗?zāi)康摹? 1.1.2　實驗原理　1 1.1.3　實驗內(nèi)容　2 1.1.4　實驗思考　4 1.2　奇偶校驗設(shè)計實驗　4 1.2.1　實驗?zāi)康摹? 1.2.2　實驗原理　4 1.2.3　實驗內(nèi)容　5 1.2.4　實驗思考　6 1.3　磁盤陣列條帶校驗設(shè)計實驗　6 1.3.1　實驗?zāi)康摹? 1.3.2　實驗原理　6 1.3.3　實驗內(nèi)容　8 1.3.4　實驗思考　9 1.4　海明校驗碼設(shè)計實驗　9 1.4.1　實驗?zāi)康摹? 1.4.2　實驗原理　9 1.4.3　實驗內(nèi)容　10 1.4.4　實驗思考　12 1.5　CRC 校驗碼設(shè)計實驗　12 1.5.1　實驗?zāi)康摹?2 1.5.2　實驗原理　12 1.5.3　實驗內(nèi)容　13 1.5.4　實驗思考　15 1.6　編碼流水傳輸設(shè)計實驗　15 1.6.1　實驗?zāi)康摹?5 1.6.2　實驗原理　15 1.6.3　實驗內(nèi)容　15 1.6.4　實驗思考　16 第　2章 運算器實驗　17 2.1　可控加減法電路設(shè)計實驗　17 2.1.1　實驗?zāi)康摹?7 2.1.2　實驗內(nèi)容　17 2.1.3　實驗思考　18 2.2　4 位快速加法器設(shè)計實驗　18 2.2.1　實驗?zāi)康摹?8 2.2.2　實驗內(nèi)容　18 2.2.3　實驗思考　19 2.3　多位快速加法器設(shè)計實驗　19 2.3.1　實驗?zāi)康摹?9 2.3.2　實驗內(nèi)容　20 2.3.3　實驗思考　21 2.4　32 位 ALU 設(shè)計實驗　21 2.4.1　實驗?zāi)康摹?1 2.4.2　實驗內(nèi)容　22 2.4.3　實驗思考　23 2.5　陣列乘法器設(shè)計實驗　23 2.5.1　實驗?zāi)康摹?3 2.5.2　實驗內(nèi)容　24 2.5.3　實驗思考　25 2.6　原碼一位乘法器設(shè)計實驗　25 2.6.1　實驗?zāi)康摹?5 2.6.2　實驗內(nèi)容　26 2.6.3　實驗思考　27 2.7　補碼一位乘法器設(shè)計實驗　27 2.7.1　實驗?zāi)康摹?7 2.7.2　實驗內(nèi)容　27 2.7.3　實驗思考　29 2.8　乘法流水線設(shè)計實驗　29 2.8.1　實驗?zāi)康摹?9 2.8.2　實驗內(nèi)容　29 2.8.3　實驗思考　30 第3章存儲系統(tǒng)實驗　41 3.1　RAM組件實驗　41 3.1.1　實驗?zāi)康摹?1 3.1.2　實驗原理　41 3.1.3　實驗內(nèi)容　42 3.1.4　實驗思考　42 3.2　存儲器擴展實驗　42 3.2.1　實驗?zāi)康摹?2 3.2.2　實驗內(nèi)容　42 3.2.3　實驗思考　44 3.3　存儲子系統(tǒng)設(shè)計實驗　44 3.3.1　實驗?zāi)康摹?4 3.3.2　實驗原理　44 3.3.3　實驗內(nèi)容　45 3.3.4　實驗思考　48 3.4　寄存器文件設(shè)計實驗　48 3.4.1　實驗?zāi)康摹?8 3.4.2　實驗內(nèi)容　48 3.4.3　實驗思考　50 3.5　cache硬件設(shè)計實驗　50 3.5.1　實驗?zāi)康摹?0 3.5.2　實驗原理　50 3.5.3　實驗內(nèi)容　51 3.5.4　實驗思考　53 3.6　cache軟件仿真實驗　54 3.6.1　實驗?zāi)康摹?4 3.6.2　實驗原理　54 3.6.3　實驗內(nèi)容　55 3.7　cache性能分析實驗　55 3.7.1　實驗?zāi)繕恕?5 3.7.2　實驗原理　56 3.7.3　實驗內(nèi)容　56 3.8　虛擬存儲器仿真實驗　60 3.8.1　實驗?zāi)康摹?0 3.8.2　實驗內(nèi)容　60 第4章RISC-V匯編程序設(shè)計實驗　62 4.1　RISC-V體系結(jié)構(gòu)　62 4.1.1　RISC-V通用寄存器　62 4.1.2　RISC-V浮點寄存器　63 4.1.3　RISC-V控制狀態(tài)寄存器　64 4.2　RISC-V指令集　65 4.2.1　功能描述符號　65 4.2.2　指令格式　65 4.2.3　R型指令　66 4.2.4　I型指令　67 4.2.5　S型指令　68 4.2.6　B型指令　68 4.2.7　U型指令　69 4.2.7　J型指令　70 4.2.6　RISC-V尋址方式　70 4.2.7　RISC-V數(shù)據(jù)類型　71 4.3　RISC-V匯編入門　71 4.3.1　程序結(jié)構(gòu)　71 4.3.2　數(shù)據(jù)聲明　72 4.3.3　RISC-V訪存指令　73 4.3.4　匯編尋址方式　74 4.3.5　算術(shù)運算指令　75 4.3.6　程序控制指令　75 4.3.7　RISC-V偽指令　76 4.3.8　系統(tǒng)調(diào)用與輸入/輸出　77 4.4　RISC-V編程進階　78 4.4.1　運算語句　78 4.4.2　數(shù)組訪問　78 4.4.3　條件分支結(jié)構(gòu)　78 4.4.4　do while循環(huán)結(jié)構(gòu)　79 4.4.5　while循環(huán)結(jié)構(gòu)　79 4.4.6　for循環(huán)結(jié)構(gòu)　79 4.4.7　過程調(diào)用　80 4.5　RISC-V程序設(shè)計實驗　81 4.5.1　實驗?zāi)康摹?1 4.5.2　實驗內(nèi)容　82 第5章RISC-V處理器設(shè)計實驗　86 5.1　單總線三級時序CPU設(shè)計實驗　86 5.1.1　實驗?zāi)康摹?6 5.1.2　實驗原理　86 5.1.3　實驗內(nèi)容　88 5.1.4　實驗思考　94 5.2　單總線現(xiàn)代時序CPU設(shè)計實驗　94 5.2.1　實驗?zāi)康摹?4 5.2.2　實驗原理　94 5.2.3　實驗內(nèi)容　95 5.2.4　實驗思考　100 5.3　單周期RISC-V處理器設(shè)計實驗　101 5.3.1　實驗?zāi)康摹?01 5.3.2　實驗原理　101 5.3.3　實驗內(nèi)容　101 5.3.4　注意事項　108 5.3.5　實驗思考　111 第6章指令流水線設(shè)計實驗　112 6.1　理想流水線CPU設(shè)計實驗　112 6.1.1　實驗?zāi)康摹?12 6.1.2　實驗原理　112 6.1.3　實驗內(nèi)容　113 6.1.4　實驗步驟　114 6.1.5　注意事項　115 6.1.6　實驗思考　116 6.2　氣泡流水線CPU設(shè)計實驗　116 6.2.1　實驗?zāi)康摹?16 6.2.2　實驗原理　116 6.2.3　實驗內(nèi)容　117 6.2.4　實驗測試　119 6.2.5　實驗思考　121 6.3　重定向流水線CPU設(shè)計實驗　121 6.3.1　實驗?zāi)康摹?21 6.3.2　實驗原理　121 6.3.3　實驗內(nèi)容　123 6.3.4　實驗思考　124 6.4　動態(tài)分支預(yù)測機制設(shè)計實驗　124 6.4.1　實驗?zāi)康摹?24 6.4.2　實驗原理　124 6.4.3　實驗內(nèi)容　125 6.4.4　實驗思考　127 第7章輸入/輸出系統(tǒng)實驗　128 7.1　程序查詢控制方式編程實驗　128 7.1.1　實驗?zāi)康摹?28 7.1.2　實驗原理　128 7.1.3　實驗內(nèi)容　129 7.2　中斷服務(wù)程序編程實驗　130 7.2.1　實驗?zāi)康摹?30 7.2.2　實驗原理　130 7.2.3　實驗內(nèi)容　130 7.3　三級時序中斷機制設(shè)計實驗　131 7.3.1　實驗?zāi)康摹?31 7.3.2　實驗內(nèi)容　131 7.3.3　實驗思考　135 7.4　現(xiàn)代時序中斷機制設(shè)計實驗　135 7.4.1　實驗?zāi)康摹?35 7.4.2　實驗內(nèi)容　135 7.4.3　實驗思考　141 7.5　單周期RISC-V單級中斷機制設(shè)計實驗　141 7.5.1　實驗?zāi)康摹?41 7.5.2　實驗內(nèi)容　141 7.5.3　實驗步驟　142 7.5.4　實驗思考　143 7.6　單周期RISC-V多重中斷機制設(shè)計實驗　145 7.6.1　實驗?zāi)康摹?45 7.6.2　實驗內(nèi)容　145 7.6.3　實驗步驟　145 7.6.4　實驗思考　146 7.7　流水中斷機制設(shè)計實驗　146 7.7.1　實驗?zāi)康摹?46 7.7.2　實驗內(nèi)容　146 7.7.3　實驗思考　147 第8章實驗平臺與常見問題　148 8.1　Logisim軟件介紹　148 8.2　Logisim常見問題　149 8.3　頭歌平臺介紹　154 8.4　頭歌平臺常見問題　155 8.5　RARS仿真器介紹　158 8.5.1　RARS集成開發(fā)環(huán)境　159 8.5.2　交互式調(diào)試功能　162 參考文獻　163