计算机组成原理实验教程_关桂霞、朱晓燕、王晶_9787302504566

计算机组成原理实验教程

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丛书名：高等学校计算机专业规划教材

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本书根据计算机组成原理课堂教学的需求，以培养学生计算机系统设计能力为目的，详细介绍了针对MIPS指令子集的单周期CPU、多周期CPU以及5级流水线CPU的具体设计过程，展示了利用Logisim和Verilog两种方法进行功能部件的设计以及组装CPU的具体方法。本书的教学内容反映了当前CPU设计的主流方法，特色在于采用模块化、自底向上的设计方法将原理图设计与抽象的硬件语言描述相结合，更适合普通高校的学生参考。本书内容编排上由浅入深、由易到难，符合初学者的认知规律，使初学者能够根据实验指导顺利完成典型指令的CPU设计。通过本书的学习，读者还可以掌握利用Logisim进行逻辑设计的方法以及利用FPGA开发的设计流程。本书可作为应用型普通高校计算机专业计算机组成原理课程配套的实验教材，也可作为计算机系统设计爱好者的参考用书。

前言
计算机硬件系统由中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出设备等部件构成。掌握计算机硬件基础知识，理解计算机系统各部件的基本组成、内部运行机制以及计算机系统运行的基本原理，是对计算机专业学生的基本要求。在此基础上，具备一定的硬件系统设计能力，对今后从事硬件设计相关工作，或者进行更深入的学习和研究至关重要。
计算机组成原理是计算机相关专业的核心基础课程，重点讲解计算机硬件系统的基本组成、运行原理和协同工作机制。与其配套的实验课程，主要是帮助学生深入理解计算机各组成部件的工作原理及其相互协同的工作机制。
本书作为计算机组成原理实验教程，以设计支持MIPS典型指令的CPU为目标组织内容，采用原理图设计(Logisim)与抽象描述(Verilog)相结合的方法，首先设计功能部件运算器、寄存器文件、存储器、控制器，最后组装成完整的CPU。通过模块化的设计，使学生更加深入地理解计算机各功能部件的工作原理以及相互协同的工作机制。通过循序渐进的实验过程，使学生不仅掌握计算机各部件的具体实现方法以及相互协同的工作机制，而且让学生通过自己设计的CPU运行自己编写的汇编程序，体验设计CPU的成就感。全书共5章，各章的主要内容如下。
第1章：处理器设计。本章详细介绍了基于MIPS典型指令的CPU实现方案。
第2章：硬件平台。本章对Minisys开发板进行了简要的说明。
第3章：开发环境。本章介绍了后续章节实验中用到的开发环境Logisim、Mars和Vivado，通过实例帮助学生掌握以上开发环境的设计流程。
第4章：基础实验。本章通过循序渐进的实验内容，由熟悉开发环境到设计计算机的功能部件，再到组装CPU，要求学生最终完成支持7条典型指令的单周期CPU。这部分实验对掌握课堂教学内容有重要的帮助，同时也是后续拓展实验的基础。
第5章：拓展实验。这部分内容只给出了设计要求，要求同学在完成基础实验的基础上，全面运用所学知识，设计并实现多周期CPU、5级流水线CPU以及支持中断的CPU。通过这部分实验，培养学生综合运用知识的能力和解决实际问题的能力。〖1〗计算机组成原理实验教程前言[3]〖3〗本书实验的设计可能不是最完美的，但却是完成一款CPU设计不可缺少的环节。通过完成这些实验，学生不仅能够加深对理论知识的理解，而且能够掌握CPU设计的基本方法。针对不同专业学生的要求，可以有针对性地选做本书中的实验。
在本书的编写过程中，许多同行和同学都给予了帮助，在此特别感谢清华大学的刘卫东教授和北京航空航天大学的高小鹏教授，本书第1章的内容就是借鉴两位老师的讲义编写完成的。首都师范大学的张一驰、张珉琢、王崎3位同学对本书的校订做出了一定贡献，在此一并表示感谢。最后特别感谢依元素科技有限公司提供的Minisys开发板及相关资料。
由于作者水平有限，书中难免存在不妥之处，恳请广大读者批评指正。

关桂霞
2018年5月

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