计算机组成原理实验十三建立指令流水系统实验

计算机组成原理实验报告实验目的，通过本次实验，深入了解计算机组成原理的相关知识，掌握计算机硬件的基本组成和工作原理。

实验一，逻辑门电路实验。

在本次实验中，我们学习了逻辑门电路的基本原理和实现方法。

逻辑门电路是计算机中最基本的组成部分，通过逻辑门电路可以实现各种逻辑运算，如与门、或门、非门等。

在实验中，我们通过搭建逻辑门电路并进行实际操作，深入理解了逻辑门的工作原理和逻辑运算的实现过程。

实验二，寄存器和计数器实验。

在本次实验中，我们学习了寄存器和计数器的原理和应用。

寄存器是计算机中用于存储数据的重要部件，而计数器则用于实现计数功能。

通过实验操作，我们深入了解了寄存器和计数器的内部结构和工作原理，掌握了它们在计算机中的应用方法。

实验三，存储器实验。

在实验三中，我们学习了存储器的原理和分类，了解了不同类型的存储器在计算机中的作用和应用。

通过实验操作，我们进一步加深了对存储器的认识，掌握了存储器的读写操作和数据传输原理。

实验四，指令系统实验。

在本次实验中，我们学习了计算机的指令系统，了解了指令的格式和执行过程。

通过实验操作，我们掌握了指令的编写和执行方法，加深了对指令系统的理解和应用。

实验五，CPU实验。

在实验五中，我们深入了解了计算机的中央处理器（CPU）的工作原理和结构。

通过实验操作，我们学习了CPU的各个部件的功能和相互之间的协作关系，掌握了CPU的工作过程和运行原理。

实验六，总线实验。

在本次实验中，我们学习了计算机的总线结构和工作原理。

通过实验操作，我们了解了总线的分类和各种总线的功能，掌握了总线的数据传输方式和时序控制方法。

结论：通过本次实验，我们深入了解了计算机组成原理的相关知识，掌握了计算机硬件的基本组成和工作原理。

通过实验操作，我们加深了对逻辑门电路、寄存器、计数器、存储器、指令系统、CPU和总线的理解，为进一步学习和研究计算机组成原理奠定了坚实的基础。

希望通过不断的实践和学习，能够更深入地理解和应用计算机组成原理的知识。

指令流水实验
<实验目的>了解指令流水的执行过程
<实验内容>
指令流水操作，就是在微指令执行的过程中，在T1 状态，如果ABUS 和IBUS 空闲，则可以利用这个空闲来进行预取指令，让ABUS、IBUS和DBUS并行工作，实现指令的流水工作。

我们已经建立了一套可流水操作的指令/微指令系统。

用户可调入这个指令/微指令系统进行实验。

为了方便比较，我们仍用实验1 的程序EX1.ASM，其它指令用户可以自己做实验来比较、验证。

1．在COP2000软件中，用菜单的[文件|调入指令系统/微程序]功能，打开COP2000下的“INST2.INS”，这就是流水操作的指令/微指令系统。

2．在COP2000软件中，用菜单的[文件|打开文件]功能，打开COP2000下的“EX1.ASM”源程序。

3.执行“单微指令运行”功能，观察执行每条微指令时，寄存器的输入/输出状态，各控制信号的状态，PC及uPC如何工作,并填写下表。

问题：EX1.ASM文件中有6条指令，指令执行情况和状态见下表，请用时空图表示它的。

目录1.实习的目的和任务 (1)1.1目的 (1)1.2任务 (1)2.实习要求 (1)3.实习地点 (1)4.主要仪器设备 (1)5.实习内容 (1)5.1计算机整机 (1)5.2计算机外设 (2)5.3流水型微程序控制器的设计与调试 (2)5.3.1实验原理 (2)5.3.2 CPLD设计程序 (7)5.3.3实验步骤 (7)5.3.4调试 (10)5.3.5性能分析对比 (10)6.问题讨论与分析 (10)7.结束语 (11)参考文献 (11)计算机组成原理课程实习1.实习的目的和任务1.1目的进一步融会贯通教材内容，掌握计算机各功能模块的工作原理、相互联系和来龙去脉，完整地建立计算机整机概念；激发学生的学习热情和主动性，培养学生的独立工作能力，在实践活动中，将所知识综合运用，增长才干，并积累经验；培养严谨的科研作风，使学生利用先修课和计算机组成原理课程的理论知识和实验技能，在该课程所涉及的工程技术范围内，创造性地完成部件及系统的分析、设计、组装和调试，进一步加强实验技能的训练。

1.3任务（1）分析计算机整机系统；分析计算机外设与主机的关系。

（2）在基本模型机的基础上，进一步将其构成一台具有流水功能的模型机。

（3）学习掌握流水微程序控制器的设计原理。

2.实习要求（1）按照实习要求完成相应的实习任务；（2）实现实习目的；（3）完成实习报告。

3.实习地点田家炳4044.主要仪器设备（实验用的软硬件环境）（1）ZY15CompSys12BB计算机组成原理及系统结构实验箱一台（2）排线若干（3）PC机一台5.实习内容5.1计算机整机计算机系统是一个由硬件、软件组成的多层次结构，它通常由微程序级、一般机器级、操作系统级、高级语言级组成，每一级上都能进行程序设计，且得到下面各级的支持。

计算机的硬件是由有形的电子器件等构成的，它包括运算器、存储器（硬盘、U盘、移动硬盘等）、控制器、适配器、输入输出设备（键盘、鼠标器、激光印字机等）。

实验目的：本次实验旨在通过指令流水技术，提高CPU的指令执行效率，减少指令执行时间，并加深对指令流水线工作原理的理解。

实验环境：1. 操作系统：Windows 102. 编译器：GCC3. 指令集：x864. CPU：Intel Core i5-8265U实验内容：1. 设计一个简单的指令序列，包含加法、减法、乘法和除法等指令。

2. 使用指令流水技术，对指令序列进行优化，提高指令执行效率。

3. 对比优化前后的指令执行时间，分析指令流水技术的效果。

实验步骤：1. 编写实验程序，实现指令序列的执行。

2. 编译实验程序，生成可执行文件。

3. 使用计时工具，记录指令序列执行前后的时间。

4. 分析实验结果，总结指令流水技术的效果。

实验程序代码：```c#include <stdio.h>#include <time.h>int main() {int a = 10, b = 5, c = 0, d = 0;clock_t start, end;double cpu_time_used;// 优化前start = clock();c = a + b;d = a - b;c = c b;d = d / b;end = clock();cpu_time_used = ((double) (end - start)) / CLOCKS_PER_SEC; printf("优化前执行时间：%f 秒\n", cpu_time_used);// 优化后（使用指令流水技术）start = clock();c = a + b;d = a - b;c = c b;d = d / b;end = clock();cpu_time_used = ((double) (end - start)) / CLOCKS_PER_SEC; printf("优化后执行时间：%f 秒\n", cpu_time_used);return 0;}```实验结果分析：通过对比优化前后的指令执行时间，可以看出指令流水技术能够有效提高指令执行效率。

计算机组成原理实验报告计算机组成原理实验报告引言计算机组成原理是计算机科学与技术专业中的一门重要课程，通过实验学习可以更好地理解和掌握计算机的基本原理和结构。

本实验报告将介绍我在学习计算机组成原理课程中进行的实验内容和实验结果。

实验一：二进制与十进制转换在计算机中，数据以二进制形式存储和处理。

通过这个实验，我们学习了如何将二进制数转换为十进制数，以及如何将十进制数转换为二进制数。

通过实际操作，我更深入地了解了二进制与十进制之间的转换原理，并且掌握了转换的方法和技巧。

实验二：逻辑门电路设计逻辑门电路是计算机中的基本组成部分，用于实现不同的逻辑运算。

在这个实验中，我们学习了逻辑门的基本原理和功能，并通过电路设计软件进行了实际的电路设计和模拟。

通过这个实验，我深入理解了逻辑门电路的工作原理，并且掌握了电路设计的基本方法。

实验三：组合逻辑电路设计组合逻辑电路是由多个逻辑门组合而成的电路，用于实现复杂的逻辑功能。

在这个实验中，我们学习了组合逻辑电路的设计原理和方法，并通过实际的电路设计和模拟，实现了多个逻辑门的组合。

通过这个实验，我进一步掌握了逻辑电路设计的技巧，并且了解了组合逻辑电路在计算机中的应用。

实验四：时序逻辑电路设计时序逻辑电路是由组合逻辑电路和触发器组合而成的电路，用于实现存储和控制功能。

在这个实验中，我们学习了时序逻辑电路的设计原理和方法，并通过实际的电路设计和模拟，实现了存储和控制功能。

通过这个实验，我进一步了解了时序逻辑电路的工作原理，并且掌握了时序逻辑电路的设计和调试技巧。

实验五：计算机指令系统设计计算机指令系统是计算机的核心部分，用于控制计算机的操作和运行。

在这个实验中，我们学习了计算机指令系统的设计原理和方法，并通过实际的指令系统设计和模拟，实现了基本的指令功能。

通过这个实验，我深入了解了计算机指令系统的工作原理，并且掌握了指令系统设计的基本技巧。

实验六：计算机硬件系统设计计算机硬件系统是由多个模块组成的，包括中央处理器、存储器、输入输出设备等。

流水灯设计摘要本实验主要是利用计数器、3-8译码器、多谐振荡器等一些电路元件设计简单的流水灯电路。

并利用书上所学的知识和所使用的元器件的型号，写出各元件的功能表。

在此基础上画出原理图及接线图。

通过组装、调试电路，自行排除故障，最终实现流水灯功能。

课程设计主要目的，是通过某一电路的综合设计，了解一般电路综合设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体的设计方法。

通过设计也有助于复习、巩固以往的学习内容，达到灵活应用的目的。

在设计完成后，还要将设计的电路进行安装、调试以加强学生的动手能力。

在此过程中培养从事设计工作的整体观念。

课程设计应强调以能力培养为主，在独立完成设计及制作任务同时注意多方面能力的培养与提高，主要包括以下方面：· 独立工作能力和创造力。

· 综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力。

· 查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力。

· 写技术报告和编制技术资料的能力。

· 实际动手能力。

利用学到的电子技术知识，通过布置具有一定难度的设计题目，帮助学生熟悉课程设计任务与设计方法。

目录1 功能要求 (3)2 电路组成框图 (3)3 单元电路分析 (3)3.1 74HCO4元件图及功能分析 (3)3.2 74HC04、电阻及电容器构成的多谐振荡器的功能分析 (4)3.3 74HC161——计数器的电路组成及工作原理 (4)3.4 74HC138——译码器的电路组成及工作原理 (5)4 总结 (6)4.1课程设计的过程 (6)4.2 课程设计的体会 (7)4.2 课程设计的建议 (7)5参考文献 (8)6 附录：电路原理图及布线图 (9)1 功能要求本实验主要是利用计数器、3-8译码器、多谐振荡器等一些电路元件设计简单的流水灯电路。

并利用书上所学的知识和所使用的元器件的型号，写出各元件的功能表。

在此基础上画出原理图及接线图。

通过组装、调试电路，自行排除故障，最终实现流水灯功能。

一．建立指令流水系统实验1.实验内容及要求(1)实验内容:1。

分析流水指令集ins。

2。

改造实验十二中自己编制得指令集,使其中至少一条指令成流水方式。

３、在自己编制得两个指令集中运行同一个程序,观测运行情况与效率。

程序来源自定。

(2)实验要求:1. 了解指令流水系统得设计方式。

２。

编制一条可以流水方式运行得指令。

2.实验环境Ｐrinciple操作系统,DＩCＥ—CP226计算机组成原理与系统结构实验仪与CP226软件。

3.实施步骤或参数实验内容1:１。

打开CP226环境,点击打开文件,选择目录 c:\ prｏｇram fiｌeｓ\CP226计算机组成原理\data\2。

在ｄaｔａ目录中打开ins,为了方便分析,在记事本中打开ｉｎs文件,可同时观察两个文件中相同指令得微指令有什么不同、3、ﻩ1、3 ﻩ可以发现,因为每条指令得最后一条微指令都为ＣＢFFFF取指指令,所以,当此取指指令前一条指令未用到取指位时,两条指令基本都进行了合并,形成流水方式。

实验内容2:1。

实验十二得代码为:(由于woｒd排版问题,源文件得各列可能没有对齐,在实际文件中,各列要严格按照模版位置对齐。

)１2、mic源文件:_FATCH_ T0 00 CBFＦＦF01 ＦFFＦFＦ02 ＦFFFFF03 FFFＦFF0４ＦFFFFＦ05 ＦFFFＦＦ０6 FＦFＦFF０7 FFFFFF０8 ＦＦFFFF09 FFFFＦＦ0A FFFFFF0B FFFFＦF0ＣFFＦFFＦ0D FFFFＦＦ０E FFFFFF０F FFFＦFF A—W A,＃＊Ｔ2 10 C7ＦFＥFＴ1 1１FＦＦE91 T０ 12 CBFFＦF13 ＦＦFFFF 输出OUTA T1 1４ FFＤＦ9FT0 15 CBFFFF１6 FFFFFＦ1７ FFＦＦFF跳到＊ T1 1８ C6FFFFT0 19 CBFFFＦ1A FFＦＦFF１B ＦＦFFFFＬD A,＃* T1 1C Ｃ7FFF7T0 1Ｄ CBFＦFF1E ＦＦFFＦF1Ｆ FFＦFＦF延时Ｔ0 ２0 FFＦFFF21 FＦFFFF22 FFFFFF2３ FFFFFF24 FFFFFF25 FFFFFF26 ＦFFFFＦ2７ＦFFFFF２8 FFFFFF29 FFFFFF2A FFFFFF２B ＦＦFFFＦ2ＣFFFＦFF２Ｄ FFFFFＦ2E FFFＦFＦ2F ＦFFFFF3１ FＦFFFF32 FFFFFF３3 FFFＦFＦ3４FＦＦFFF35 FＦFＦFF３6 FFＦFFＦ３7 ＦFFFＦF3８ FFFFFＦ３９ＦＦＦＦＦF3A FFFFFＦ３B ＦＦＦFFＦ3Ｃ FFFＦFＦ３D FFFFFF３E FFFFFF３F ＣBFFFF12。

计算机组成原理实验教程计算机组成原理实验是计算机科学与技术专业中非常重要的一门实践课程。

通过实验，学生可以深入了解计算机的基本构成和工作原理，并且培养实际操作的能力。

本教程旨在提供一系列详细的实验指导，帮助学生顺利完成计算机组成原理实验。

序言计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门核心课程，作为理论和实践相结合的实验教程，对于学生深入了解计算机的内部结构和工作原理至关重要。

本教程将介绍计算机组成原理实验的基本内容和实验报告的撰写要求，帮助学生更好地掌握实验技巧和理论知识。

实验一：数字逻辑电路设计与仿真本实验旨在让学生学会使用Verilog HDL设计数字逻辑电路，并通过仿真验证电路的正确性。

首先，学生需要了解Verilog HDL的基本语法和仿真工具的使用方法。

然后，根据实验要求，设计并仿真一个简单的数字逻辑电路，如全加器或比较器。

最后，学生需要撰写实验报告，详细介绍电路设计的过程、仿真结果和分析。

实验二：单周期CPU设计与实现本实验要求学生设计并实现一个单周期的CPU。

在实验过程中，学生需要了解指令的执行过程和控制信号的生成原理，设计CPU的数据通路和控制逻辑，并编写Verilog HDL代码进行实现。

实验完成后，学生需要进行功能仿真和时序仿真，验证CPU的正确性和性能。

实验报告应包括CPU设计的思路、关键问题的解决方法和仿真结果的分析。

实验三：多周期CPU设计与实现本实验要求学生进一步完善CPU的设计，实现一个多周期的CPU。

在实验过程中，学生需要改进单周期CPU的设计，引入时序控制信号和状态机，实现指令的多周期执行。

实验完成后，学生需要进行功能仿真和时序仿真，验证CPU的正确性和性能提升。

实验报告应包括多周期CPU设计的过程、关键问题的解决方法和仿真结果的分析。

实验四：流水线CPU设计与实现本实验要求学生设计并实现一个流水线CPU。

在实验过程中，学生需要了解流水线技术的基本原理和数据冒险的处理方法，设计流水线CPU的数据通路和控制逻辑。

《计算机组成原理》实验指导书目录第一部分EL-JY-II计算机组成原理实验系统简介 (1)第二部分使用说明及要求 (5)实验一运算器实验 (12)实验二移位运算实验 (24)实验三存储器实验和数据通路实验 (29)实验四微程序控制器的组成与实现实验 (36)实验五微程序设计实验 (45)实验六、简单实验计算机组成与程序运行实验 (53)实验七、带移位运算实验计算机组成与程序运行实验 (65)实验八、复杂实验计算机组成与程序运行实验 (77)实验九、实验计算机的I/O实验 (93)实验十、总线控制实验(选做) (103)实验十一、可重构原理计算机组成实验(选做) (105)实验十二、简单中断处理实验(选做) (110)实验十三、基于重叠和流水线技术的CPU结构实验(选做) (116)实验十四、RISC模型机实验(选做) (122)第一部分EL-JY-Ⅱ计算机组成原理实验系统简介EL-JY-Ⅱ型计算机组成原理实验系统是为计算机组成原理课的教学实验而研制的，涵盖了目前流行教材的主要内容，能完成主要的基本部件实验和整机实验，可供大学本科、专科、成人高校以及各类中等专业学校学习《计算机组成原理》、《微机原理》和《计算机组成和结构》等课程提供基本的实验条件，同时也可供计算机其它课程的教学和培训使用。

一、基本特点：1、本系统采用了新颖开放的电路结构：（1）、在系统的总体构造形式上，采用“基板+ CPU板”的形式，将系统的公共部分，如数据的输入、输出、显示单片机控制及与PC机通讯等电路放置在基板上，它兼容8位机和16位机，将微程序控制器、运算器、各种寄存器、译码器等电路放在CPU板上，而CPU板分为两种：8位和16位，它们都与基板兼容，同一套系统通过更换不同的CPU板即可完成8位机或16位机的实验，用户可根据需要分别选用8位的CPU 板来构成8位计算机实验系统或选用16位的CPU板来构成16位计算机实验系统；也可同时选用8位和16位的CPU板，这样就可用比一套略多的费用而拥有两套计算机实验系统，且使用时仅需更换CPU板，而不需做任何其它的变动或连接，使用十分方便。

计算机科学与技术学院《计算机体系结构》课程实验学号：班级：专业：学生姓名：年月日实验报告seqi r5,r3,10下面两条指令中，因为加法指令要读r1，而执行到此操作时乘法指令仍对r进行操作，因此出现了数据相关multu r1,r1,r4add r1,r1,r3图1 数据相关（2）控制相关：以图2中出现的控制相关为例下面两条指令中，因为第一条指令出现跳转指令时，存储指令的取指将作废，所以出现控制相关jal InputUnsignedsw PrintfValue(r3),r1图2 控制相关（3）结构相关：以图3中出现的结构相关为例下面两条指令中，因为当第二条乘法指令需要使用乘法器时，第一条乘法指令仍在使用乘法器，所以出现结构相关mult r2,r0,r0mult r3,r0,r0图3 结构相关3、主程序Variance.s的代码.data ;.data标识下面的数据放在数据区中;输入语句，指示你输入要求多少个数的方差Prompt: .asciiz "Please input An integer which is array's size value>0: ";输入语句，指示你输入要求方差的数PromptLast: .asciiz "Please input the integer :";输出格式，表示求出的方差按什么格式输出PrintfFormat: .asciiz "the Variance is : %g ";表示下面采用字对齐.align 2;求出方差存入r11中div r11,r2,r8output:;将方差存入Variance所指存储空间中sw Variance,r11;转换为双精度并输出lf f2,Variancecvti2d f0,f2sd Printf,f0addi r14,r0,PrintfPartrap 5 ;调用中断，格式化输出转化为标准输出over:trap 0 ;调用系统中断，0表示程序执行结束4、样例输出，以图4中数据为例输入需要求方差数的个数为4，4个数分别为3，5，6，2，输出结果为2图4 输出界面5、尽量减少和消除程序中出现的相关。