《计算机体系结构》第二次实验-指令集实验

兰州大学计算机科学与技术专业(本科)《计算机体系结构》教学标准目录一. 课程基本信息二. 课程的性质、地位与任务三. 教材与主要参考书四. 计划学时与学时分配五. 课程内容与要求第 1 章计算机设计基础第 2 章指令集的设计第 3 章CPU 的设计第 4 章流水线技术第 5 章存储器层次结构第 6 章计算机输入/输出系统第7 章网络并行计算系统第8 章多处理器计算机结构六. 教学环节七. 实验环节八. 考试要求九. 其它相关说明一. 课程基本信息课程编号：2043061课程名称：计算机体系结构课程英文名称：Computer Architecture课程性质：指定选修课先修课程：数字逻辑；计算机组成原理；概率论与统计；数据结构；操作系统；编译原理。

适用专业：计算机科学与技术专业、通信工程专业开课学期：第七学期学时：72（54）学分：4（3）二. 课程的性质、地位与任务计算机系统结构是计算机科学与技术领域的重要学科，也是高等院校计算机系本科生和研究生学习设计、分析和评价计算机的主干课程。

许多著名的院校作为研究生入学考试课程之一。

该课程以讲授计算机系统结构的基本概念和基本原理为主，而不是完整介绍各种系统结构，即不是以具体的机器为实例进行教学。

在教学中引进定量原理，让学生学会如何测试实际机器，分析实际机器，分析计算机设计中遇到的各种限制因素，培养正确选择各种折衷方案的能力。

强调计算机系统结构与操作系统和编译系统的相互关系，充分反映出计算机系统结构不是单纯的硬件课程，而是硬件和系统软件的结合点，因此本课程不仅适用于培养系统结构和芯片设计工程师和计算机系统工程师，而且也适用于培养编译系统和操作系统工程师。

三. 教材与主要参考书1.教材：《计算机体系结构》石教英等著杭州:浙江大学出版社,1998[1版].2.参考书：①《计算机系统结构—量化研究方法》（第三版）(美)J ohn L.H e nn e ss y D av i dA.P a tt e r s on著郑伟明、汤志忠、汪东升译电子工业出版社,2004[1版].②《高级计算机体系结构》(美)K a i H w a ng著ADVANCED COMPUTER ARCHITECTURE 机械工业出版社,1999[1版].③《计算机系统结构》郑伟民、汤志忠著清华大学出版社,1998[2 版].④《计算机系统结构》李学干著西安电子科技大学出版社,2000[3 版].⑤《计算机体系结构》张晟曦著高等教育出版社,2000[3 版].[21 世纪教材]四.计划学时与学时分配1.教学建议《计算机体系结构》课程分经典教案面授和电子教案面授两种。

计算机组成原理中的指令与指令集计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门基础课程，旨在介绍计算机系统的各个组成部分及其工作原理。

在这门课程中，指令与指令集是其中一个重要的内容，它涉及到计算机的指令执行过程和指令的编码方式。

一、指令的基本概念和作用指令是计算机程序中最基本的执行单位，它是计算机硬件中能够被执行的操作。

指令包括了操作码和操作数两个部分，操作码指明了要执行的操作类型，而操作数指明了操作码要操作的数据。

指令的作用是通过对数据的操作和处理来实现程序的功能。

不同的指令可以完成不同的操作，例如数据传输、运算、逻辑判断等。

通过不同的指令的组合和执行，计算机可以完成各种复杂的任务。

二、指令格式与编码方式指令的格式和编码方式是计算机硬件设计中的关键问题，它涉及到指令的存储、传输和执行等方面。

常见的指令格式包括固定格式、可变格式和寄存器-存储器格式等，不同的指令格式适用于不同的计算机体系结构。

指令的编码方式是指将指令的各个部分和参数按照特定的规则编码成二进制数。

根据指令的长度不同，编码方式可以分为定长编码和变长编码。

定长编码将所有指令都表示为相同长度的二进制数，这样可以简化指令的解码过程；而变长编码可以根据指令的需要灵活地分配不同长度的二进制数。

三、指令集的组成和分类指令集是一组用于描述计算机指令的规范，它包括了计算机所能执行的所有指令的集合。

指令集可以根据不同的要求和功能进行分类，常见的分类方式包括RISC指令集和CISC指令集。

RISC（Reduced Instruction Set Computers）指令集是一种精简指令集，它的设计原则是将指令集的数量减少到最小，并且每条指令的执行时间相当。

RISC指令集的特点是指令简单、指令执行时间短、流水线技术应用广泛等。

CISC（Complex Instruction Set Computers）指令集是一种复杂指令集，它的设计原则是将常用的操作通过单条指令来完成，以减少程序的长度和执行时间。

《计算机体系结构》教学大纲英文名称：Computer Architecture预修课程：计算机原理、数据结构、操作系统、编译原理、高级语言总学时数：45学时，其中讲授36学时，课内实验4学时。

学分：2.5教学对象：计算机科学与技术专业本科学员开课学期：第6学期一、课程的性质、地位和任务该课程是计算机专业一门非常重要的专业基础课。

课程系统介绍进行计算机系统设计所必须了解与掌握的专业知识，重点介绍计算机体系结构的基本思想、基本概念、设计原理、设计方法与评价分析方法。

本课程内容广、概念多、系统性强、实例多，涉及计算机体系结构技术领域前沿。

本课程的任务是要使学生能够系统全面正确理解和掌握计算机体系结构技术的基本思想，并培养学生按照定量分析的方法初步设计和评价计算机系统的能力。

二、教学内容和要求（一）计算机体系结构基础内容和要求：了解计算机系统设计的基本任务；了解计算机技术发展的趋势；了解计算机性能与成本的影响因素，以及性能的评价方法，掌握计算机体系结构基本概念和定量分析方法的基本原理。

重点：计算机设计的基本任务，计算机体系结构基本概念，定量分析方法基本原理（二）计算机指令集结构设计内容和要求：从计算机系统指令集结构设计出发了解典型指令集结构的技术特点及其发展，掌握计算机系统指令集结构的设计方法以及各种设计方案的优缺点；掌握一种RISC指令集结构实例。

重点：计算机系统指令集结构设计，RISC指令集结构实例（三）流水线技术内容和要求：掌握流水线技术的基本原理及其性能评价方法；掌握RISC指令集结构流水线的基本设计方法，并能够从数据相关与控制相关两个方面分析流水线性能，掌握提高流水线性能的软硬件方法。

掌握向量处理机原理；了解基本的向量处理机结构；掌握向量处理机性能改善和评价的基本方法。

重点：流水线的基本原理与设计、分析评价方法、向量处理机原理（四）指令级并行内容和要求：掌握指令级并行的基本概念、指令的动态调度技术，理解控制相关的动态解决技术，掌握多指令流出技术的基本原理。

计算机组成原理实验CPU设计与指令集仿真在计算机组成原理实验中，CPU的设计和指令集仿真是非常重要的一部分。

本文将以一种适合科技类文章的格式，详细介绍CPU设计和指令集仿真的过程和原理。

一、CPU设计CPU设计是计算机组成原理的核心内容之一。

在CPU设计中，需要考虑的主要有以下几个方面：1.1 指令集架构指令集架构是CPU设计的基础。

它定义了CPU能够执行的指令集合，包括指令的格式、指令的操作码以及指令的操作类型等。

常见的指令集架构有精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）等。

1.2 数据通路设计数据通路是指CPU中用于执行指令的路径。

它包括寄存器、算术逻辑单元（ALU）、控制单元等组成部分。

在数据通路设计中，需要考虑指令的执行顺序、数据的传输等关键问题。

1.3 控制单元设计控制单元是CPU中负责控制指令执行的部分。

它根据指令的操作码和操作数，产生控制信号，控制数据通路的工作。

在控制单元设计中，需要充分考虑指令的并行性、误差检测等因素。

1.4 存储器设计存储器是CPU与外部设备交换数据的接口。

在CPU设计中，需要选择适合的存储器结构，包括寄存器、缓存、主存等。

存储器的设计不仅关系到CPU的性能，还关系到整个计算机系统的性能。

二、指令集仿真指令集仿真是一种通过软件模拟CPU的工作过程，实现对指令集的测试和验证的方法。

指令集仿真主要分为以下几个步骤：2.1 定义指令集首先，需要根据CPU设计的指令集架构，定义仿真所需的指令集。

包括指令的格式、操作码和操作数等。

2.2 编写仿真程序根据指令集的定义，编写相应的仿真程序。

仿真程序可以使用高级编程语言如C、C++等编写，通过逐条解释CPU的指令，模拟CPU的执行过程。

2.3 仿真环境搭建为了能够进行指令集仿真，需要搭建相应的仿真环境。

包括模拟CPU的数据通路、控制单元以及存储器等组成部分。

可以使用软件仿真工具如ModelSim等来帮助搭建仿真环境。

2.4 指令集测试和验证在搭建好仿真环境后，可以对指令集进行测试和验证。

MIPS实验报告1. 引言MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）是一种经典的指令集架构（ISA），被广泛应用于计算机体系结构的教学和研究中。

本实验报告将介绍使用MIPS指令集实现的一系列实验，包括指令执行、流水线设计和缓存优化等。

2. 实验目标本次实验的主要目标是通过设计和实现一系列MIPS指令，加深对计算机体系结构的理解，并掌握MIPS指令的执行过程和流水线设计。

3. 实验环境为了完成实验，我们使用了MIPS模拟器和相应的开发工具。

这些工具提供了一个仿真环境，可以在计算机上执行MIPS指令，并提供了调试和测试的功能。

4. 实验步骤步骤1：设计指令首先，我们需要设计一系列MIPS指令，以实现特定的功能。

例如，我们可以设计一个加法指令，将两个寄存器中的值相加，并将结果存储到另一个寄存器中。

步骤2：实现指令接下来，我们需要在MIPS模拟器中实现这些指令。

通过编写相应的汇编代码，我们可以将指令转化为机器码，并在模拟器中执行。

步骤3：调试和测试一旦指令实现完成，我们就可以开始调试和测试。

通过单步执行指令，我们可以观察程序的执行过程，并检查寄存器和内存中的数据是否符合预期。

步骤4：性能优化在实现指令的过程中，我们还可以考虑对程序进行性能优化。

例如，通过引入流水线技术，可以提高指令的执行速度。

此外，我们还可以设计和实现缓存系统，以减少内存访问的延迟。

5. 实验结果经过一系列的设计、实现和优化，我们成功完成了MIPS指令的实验。

通过观察实验结果，我们可以得出一些结论和发现。

6. 结论本次实验通过设计和实现MIPS指令，加深了对计算机体系结构的理解，并掌握了MIPS指令的执行过程和流水线设计。

通过调试和测试，我们进一步完善和优化了指令的实现。

实验结果表明，我们的设计能够成功执行各种指令，并具有一定的性能优化。

7. 参考文献参考文献提供了关于MIPS指令集和计算机体系结构的详细信息，为本实验提供了重要的支持和指导。

计算机体系结构实训课程学习总结指令级并行与流水线设计在计算机科学与技术领域中，计算机体系结构是一门关于计算机硬件与软件的核心学科。

在我修习的计算机体系结构实训课程中，我学习了指令级并行与流水线设计，掌握了该领域的核心概念与技术，下面是我对该课程的学习总结和心得体会。

一、指令级并行概述指令级并行是指在一个周期内同时执行多条指令，以减少指令的执行时间，提高计算机的性能。

在学习指令级并行的过程中，我了解了计算机指令的基本原理及其执行过程。

通过学习指令流水线、数据前推、乱序执行等技术，我深入理解了指令级并行的优势和实现方法。

在实训过程中，我通过搭建指令级并行的实验平台，进行了仿真实验和性能分析。

通过比较顺序执行和指令级并行执行的效果，我发现指令级并行可以大幅度提高计算机的执行效率。

而在实现指令级并行时，我也面临了一些挑战，如数据相关、控制相关等问题，但通过优化代码和调整指令执行顺序，我成功地解决了这些问题。

这个过程让我深刻体会到指令级并行设计的重要性和技术难点。

二、流水线设计与优化流水线设计是指将计算机指令的执行过程划分为多个阶段，并使不同阶段的指令并行执行，从而提高计算机的吞吐量。

在学习流水线设计的过程中，我深入了解了流水线的原理、特点和结构。

通过学习流水线的组织方式、数据冒险、控制冒险等问题，我掌握了流水线设计的关键技术。

在实验中，我设计了一个基于流水线的简单计算机，并通过编写适当的指令集和流水线寄存器，实现了流水线的功能。

通过性能测试，我发现流水线设计可以显著提高计算机的执行效率和吞吐量。

然而，我也发现了一些流水线设计中的问题，比如分支预测错误、资源冲突等，这些问题对流水线的性能产生了负面影响。

通过调整分支预测策略和添加冲突检测机制，我成功地进行了优化，提高了流水线设计的性能。

三、实训过程中的收获与反思通过学习指令级并行与流水线设计，我不仅极大地提高了对计算机体系结构的理解和掌握，还培养了解决实际问题的能力。

《计算机系统结构》教学大纲课程名称：计算机系统结构课程学时：72学时课程类型：专业必修课课程学分：3学分课程考核方式：考试一、课程目标本课程旨在使学生了解计算机系统的基本结构和原理，掌握计算机系统的层次结构、指令系统和中央处理器、主存储器和输入输出系统等方面的知识，培养学生分析和设计计算机系统的能力。

二、课程内容1.计算机系统概论1.1计算机系统的发展历程1.2计算机系统的基本组成部分1.3计算机系统的层次结构2.指令系统2.1指令的分类与特点2.2指令的寻址方式2.3指令的执行过程2.4简单指令系统的设计与实现3.中央处理器3.1数据通路和控制器3.2指令的执行过程3.3中央处理器的设计与实现3.4流水线技术4.主存储器4.1存储器的基本概念4.2存储器的层次结构4.3存储器的组织与管理4.4高速缓存存储器的设计与实现4.5虚拟存储器5.输入输出系统5.1输入输出系统的功能与分类5.2输入输出设备的接口技术5.3中断处理和DMA技术5.4输入输出系统的设计与实现三、教学方法本课程采用理论课和实验相结合的教学方法。

理论课主要讲授计算机系统的基本原理和概念，通过示例和案例分析加深学生的理解。

实验课将对部分计算机系统组成部分进行仿真和实践操作，提高学生的实际操作能力。

四、教材与参考书主教材：《计算机组成与设计》（第5版）- David A. Patterson, John L. Hennessy，机械工业出版社参考书：1. 《计算机系统结构教程》- M. Morris Mano, 赵洁，高等教育出版社2.《计算机体系结构》-王肇国，机械工业出版社五、考核方式与评分标准本课程采取考试的方式进行综合评估。

考试主要包括选择题、填空题、简答题和综合性问题。

评分标准包括学生对计算机系统原理的掌握程度、对计算机系统设计的理解程度以及实验操作能力的表现等。

六、实验内容1.设计一个简单的指令系统，包括指令集、寻址方式和控制流程。

计算机体系结构实验报告实验⼆结构相关⼀、实验⽬的：通过本实验，加深对结构相关的理解，了解结构相关对CPU性能的影响。

⼆、实验内容：1. ⽤WinDLX模拟器运⾏程序structure_d.s 。

2. 通过模拟，找出存在结构相关的指令对以及导致结构相关的部件。

3. 记录由结构相关引起的暂停时钟周期数，计算暂停时钟周期数占总执⾏周期数的百分⽐。

4. 论述结构相关对CPU性能的影响，讨论解决结构相关的⽅法。

三、实验程序structure_d.sLHI R2, (A>>16)&0xFFFF 数据相关ADDUI R2, R2, A&0xFFFFLHI R3, (B>>16)&0xFFFFADDUI R3, R3, B&0xFFFFADDU R4, R0, R3loop:LD F0, 0(R2)LD F4, 0(R3)ADDD F0, F0, F4 ；浮点运算，两个周期，结构相关ADDD F2, F0, F2 ; <- A stall is found (an example of how to answeryour questions)ADDI R2, R2, #8ADDI R3, R3, #8SUB R5, R4, R2BNEZ R5, loop ；条件跳转TRAP #0 ;; Exit <- this is a comment !!A: .double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10B: .double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10四、实验过程打开软件，load structure_d.s⽂件，进⾏单步运⾏。

经过分析，此程序⼀次循环中共有五次结构相关。

（R-stall 数据相关Stall- 结构相关）1)第⼀个结构相关：addd f2,,f0,f2由于前⾯的数据相关，导致上⼀条指令addd f0,f0,f4暂停在ID阶段，所以下⼀条指令addd f2,,f0,f2发⽣结构相关，导致相关的部件：译码部件。

实验一流水线中的相关一．实验目的1. 熟练掌握WinDLX模拟器的操作和使用，熟悉DLX指令集结构及其特点；2. 加深对计算机流水线基本概念的理解；3. 进一步了解DLX基本流水线各段的功能以及基本操作；4. 加深对数据相关、结构相关的理解，了解这两类相关对CPU性能的影响；5. 了解解决数据相关的方法，掌握如何使用定向技术来减少数据相关带来的暂停。

二．实验平台WinDLX模拟器三．预备知识1. WinDLXWinDLX模拟器是一个图形化、交互式的DLX流水线模拟器，能够演示DLX流水线是如何工作的。

该模拟器可以装载DLX汇编语言程序（后缀为“.s”的文件），然后单步、设断点或是连续执行该程序。

CPU的寄存器、流水线、I/O和存储器都可以用图形表示出来，以形象生动的方式描述DLX流水线的工作过程。

模拟器还提供了对流水线操作的统计功能，便于对流水线进行性能分析。

有关WinDLX的详细介绍，见WinDLX教程。

2. 熟悉WinDLX指令集和WinDLX源代码的编写3. 复习和掌握教材中相应的内容（1）DLX基本流水线（2）流水线的结构相关与数据相关结构相关：当指令在重叠执行过程中，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求，发生资源冲突时，将产生“结构相关”。

数据相关：当一条指令需要用到前面指令的执行结果，而这些指令均在流水线中重叠执行时，就可能引起“数据相关”。

（3）定向技术的主要思想：在发生数据相关时，等待前面计算结果的指令并不一定真的马上就用到该计算结果，如果能够将该计算结果从其产生的地方直接送到其他指令需要它的地方，就可以避免暂停。

四．实验内容及结果1. 用 WinDLX 模拟器执行下列三个程序（任选一个）：求阶乘程序 fact.s求最大公倍数程序 gcm.s求素数程序 prim.s分别以步进、连续、设置断点的方式运行程序，观察程序在流水线中的执行情况，观察CPU 中寄存器和存储器的内容。

熟练掌握WinDLX 的操作和使用。

Thco Mips 实验指导书目录一、实验目的二、实验环境三、实验步骤3.1 准备工作3.2 编译程序3.3 运行程序四、实验总结一、实验目的本实验旨在通过对Thco Mips进行实验操作，加深对计算机体系结构的理解，提高学生的实践能力，培养学生的动手能力，帮助学生掌握计算机系统的基本实验技能。

二、实验环境本实验需要使用Thco Mips模拟器进行操作。

Thco Mips是一个Mips指令集的模拟器，可以模拟Mips处理器的运行情况，对于学习计算机体系结构非常有帮助。

在进行本实验之前，请确保已经下载并安装了Thco Mips模拟器，并熟悉了其基本操作方法。

三、实验步骤3.1 准备工作1. 打开Thco Mips模拟器。

2. 点击“文件”菜单，选择“新建”创建一个新的Mips程序文件。

3. 在新建的Mips程序文件中，输入所需的Mips指令代码。

3.2 编译程序1. 点击“编辑”菜单，选择“编译”命令，对输入的Mips指令代码进行编译。

2. 如果程序中存在语法错误，会提示相应的错误信息，需要及时进行修改并重新编译程序，直至通过编译。

3.3 运行程序1. 点击“运行”菜单，选择“运行”命令，可在Thco Mips模拟器中运行已经编译通过的程序。

2. 在程序运行期间，可以通过监控寄存器和内存的方式，观察程序的运行情况，分析程序的执行过程。

四、实验总结通过本次实验，我深入了解了Thco Mips模拟器的使用方法，掌握了Mips指令集的基本编程技巧，加深了对计算机体系结构的理解。

在实验过程中，我不仅学会了如何编写Mips程序，还学会了如何调试和运行Mips程序，对于我今后的学习和研究都具有重要的意义。

通过这次实验，我对计算机体系结构有了更深入的认识，也为我未来的学习和研究打下了良好的基础。

实验实践能力的培养不仅仅是在课堂上学习理论知识，更需要通过实践操作，将理论知识转化为实际应用能力。

Thco Mips模拟器作为一个模拟Mips处理器的工具，给我们提供了一个很好的实践评台，让我们能够深入理解计算机体系结构的工作原理，加强对计算机系统的实际操作能力。