组成原理实验十 建立指令流水系统 (研究实验)
指令流水试验
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。
流水线实验报告
流水线实验报告一、实验目的本次实验旨在探究流水线技术在计算机体系结构中的应用，并了解流水线的工作原理与效果。
通过对流水线的实验，掌握流水线操作的过程和相关概念，并通过实践了解其对计算机性能的提升作用。
二、实验器材与软件环境实验使用的器材为一台配有Intel Core i7处理器的计算机。
软件环境为Windows 10操作系统，使用C语言编译器进行代码编写和实验运行。
三、实验内容1. 流水线概述流水线是一种用于提高计算机处理器效率的技术。
它将任务划分为多个阶段，使得每个阶段都能并行地处理不同的任务。
通过将多个任务拆分并在不同的阶段同时进行，可以显著提高计算机处理速度。
2. 流水线原理流水线工作原理如下：1) 将任务划分为多个子任务，并在不同的阶段上并行执行。
2) 每个阶段的任务之间通过专门的寄存器传递数据。
3) 每个阶段的任务完成后，将结果写入寄存器，供下一个阶段使用。
4) 流水线的效果取决于各个阶段的任务执行时间，如果存在某个阶段的任务耗时较长，则可能导致整个流水线效率下降。
3. 流水线的实现实验中我们使用C语言编写一段简单的代码来模拟流水线的实现过程。
我们通过将输入的整数加1后输出，来模拟流水线的工作状态。
cinclude <stdio.h>int main() {int input[5] = {1, 2, 3, 4, 5};int output[5];int i;for (i = 0; i < 5; i++) {output[i] = input[i] + 1;}for (i = 0; i < 5; i++) {printf("%d\n", output[i]);}return 0;}上述代码将输入数组中的每个元素加1后，输出到屏幕上。
在这个过程中，我们可以将输入和输出视为流水线中的阶段，每个阶段都有固定的任务。
4. 实验结果与分析在实验中，我们输入数组为{1, 2, 3, 4, 5}，运行结果如下：23456可以看到，实验结果符合我们的预期，每个输入元素都成功地加1后输出。
cpu组成与机器指令执行实验实验报告
cpu组成与机器指令执行实验实验报告CPU组成与机器指令执行实验实验报告一、引言计算机是现代社会不可或缺的工具，而中央处理器（CPU）则是计算机的核心组成部分。
理解CPU的组成和机器指令的执行过程对于深入理解计算机的工作原理至关重要。
本实验旨在通过搭建一个简单的CPU模型，探究CPU的组成结构和机器指令的执行过程。
二、实验原理1. CPU的组成结构CPU主要由运算器、控制器和寄存器组成。
运算器负责进行各种算术和逻辑运算，控制器则负责指挥各个部件的工作，寄存器用于存储数据和指令。
2. 机器指令的执行过程机器指令的执行包括取指令、译码、执行和访存四个阶段。
取指令阶段从内存中读取指令，译码阶段将指令翻译成对应的操作，执行阶段进行运算或逻辑操作，访存阶段用于读取或写入数据。
三、实验过程1. 搭建CPU模型根据实验要求，我们搭建了一个简单的CPU模型，包括运算器、控制器和寄存器。
通过将这些部件连接起来，我们可以模拟CPU的工作过程。
2. 编写指令为了测试CPU的功能，我们编写了一些简单的指令，包括加法、减法和逻辑运算等。
这些指令将被存储在内存中，CPU在执行过程中会逐条读取并执行。
3. 执行指令我们按照预定的顺序执行指令，观察CPU的工作状态和输出结果。
通过这个过程，我们可以更好地理解指令的执行过程和CPU的工作原理。
四、实验结果在实验过程中，我们成功搭建了一个简单的CPU模型，并编写了一些指令进行测试。
通过执行这些指令，我们观察到CPU按照预期工作，并得到了正确的输出结果。
五、实验分析通过本次实验，我们深入了解了CPU的组成结构和机器指令的执行过程。
我们发现，CPU的运算器、控制器和寄存器相互配合，完成了复杂的运算和逻辑操作。
同时，我们也注意到指令的执行过程需要经过多个阶段，每个阶段都起到了重要的作用。
六、实验总结本次实验让我们对CPU的组成与机器指令的执行有了更深入的理解。
通过搭建CPU模型并执行指令，我们亲身体验了CPU的工作过程，加深了对计算机原理的理解。
指令流水与并行
指令流水与并行实验一、实验目的掌握指令集流水性,并行性及对开发的理解。
.二、实验原理龙芯2号F版本（简称“龙芯2F”）是一款实现64位MIPSⅢ指令集的通用RISC处理器, 采用先进的四发射超标量超流水结构，采用简单指令集，类似于MIPS指令集。
为提高处理器执行指令的效率，把一条指令的操作分成多个细小的步骤，每个步骤由专门的电路完成。
龙芯2F的基本流水线包括取指、预译码、译码、寄存器重命名、调度、发射、读寄存器、执行、提交等9级。
每个阶段都要花费一个时钟周期，如果没有采用流水线技术，那么这条指令执行需要9个时钟周期；如果采用了指令流水线技术，那么当这条指令完成“取指”后进入“预译码”的同时，下一条指令就可以进行“取指”了，这样就提高的指令的执行效率。
CPI流水线= CPI理想+ 各类停顿周期数的总和流水线的理想CPI是流水线的最大流量。
各类停顿包括：（1）结构相关停顿：是由于两条指令使用同一个功能部件而导致的停顿。
（2）控制相关停顿：是由于指令流的改变（如分支指令）而导致的停顿。
（3）RAW、WAR和WAW停顿：由数据相关造成的。
当指令之间不存在相关时，它们在流水线中是可以重叠起来并行执行的。
这种指令序列中存在的潜在并行性称为指令级并行(Instruction-Level parallelism, ILP)。
流水线处理器的实际CPI：减少其中的任何一种停顿，都可以有效地减少CPI，从而提高流水线的性能。
循环级并行：使一个循环中的不同循环体并行执行。
开发循环体中存在的并行性最常见、最基本是指令级并行研究的重点之一例如，考虑下述语句：for （i=1；i<=500；i=i＋1）a[i]=a[i]＋s；每一次循环都可以与其他的循环重叠并行执行；在每一次循环的内部，却没有任何的并行性。
二、实验平台龙芯2F，主频：800HZ，内存1G。
三、实验内容和步骤本实验采用有无循环级并行，用一加法程序对比无循环级并行与有循环级并行的运行时间。
计算机组成大型实验报告—机器指令设计实验
机器指令设计实验-实验报告一、实验目的与要求（1）通过实验分析简单模型机结构，了解计算机工作原理。
（2）掌握计算机微程序控制器的控制方法，掌握计算机指令执行过程。
（3）简单模型计算机部件构架、微程序控制器中微程序代码功能实现、微程序流程、指令系统定义和简单模型计算机汇编语言程序进行验证。
（4）在简单模型计算机基础上设计新的技巧指令，在第二章实验八的基础上实施，使用的实验部件和接线不变，增加5条新机器指令，目的是提高学生对计算机机器指令的理解，锻炼学生自己动手设计模型计算机机器指令的能力。
二、实验原理1.简单模型计算机构架简单模型计算机逻辑结构如图1所示，构成简单模型计算机的实验部件以总线为基本连接通道，主要有以下7个：（1）算术逻辑运算部件ALU UNIT进行算术逻辑运算操作。
（2）存储器部件MEM UNIT，存储模型计算机汇编语言程序和操作数据。
（3）地址寄存器部件ADDRESS UNIT,包含两部分电路，地址寄存器AR：接收存储器程序中的指令地址和指令中的数据地址；指令地址计数器PC：用于指示程序中的指令地址并通过地址缓冲器送往地址寄存器AR。
（4）指令寄存器部件INS UNIT，寄存器当前正在执行的机器指令，此指令的指令码通过指令译码器向微程序控制器指示相应的微程序入口地址；此指令的地址码指示的操作数地址，送往地址寄存器AR。
（5）输入/输出部件INPUT/OUTPUT,操作数据的输入与输出显示。
（7）通用寄存器部件REG UNIT,暂存运算的中间数据。
（7）微程序控制器部件MAIN CONTROL UNIT，控制各部件完成指令的功能。
2.简单模型计算机指令系统此简单模型计算机的指令系统包括控制台指令与机器指令。
共三条控制台指令，由手动控制单元（MANUAL UNIT）的KB,KA开关设定。
控制台指令只能由手工操作一条条指令，不能编写在汇编程序中。
实验八已经给出5条机器指令。
分别是输入指令IN R0，PORTAR，算术加指令ADD R0，[ADDR]，寄存器内容送存储器指令STA [ADDR],R0，输出指令OUT [PORTAR],[ADDR]，转移指令JMP PORTAR。
单片机的流水灯实验原理
单片机的流水灯实验原理
单片机的流水灯实验原理主要包括以下几个步骤：
1. 硬件连接：将单片机的输出口连接到LED灯的驱动电路上，使得单片机可以控制LED灯的亮灭。
2. 软件编程：通过单片机的编程语言（如C语言）编写程序，实现流水灯效果。
一般采用循环控制语句和位操作指令来控制LED的亮灭。
3. 初始化：在程序的开始部分，需要对单片机的IO口进行初始化，设置为输出模式，以便能够控制LED灯的亮灭。
4. 流水灯效果：通过循环控制语句，依次将不同的IO口设置为高电平，即LED 亮起，然后延时一段时间。
再将前一个IO口设置为低电平，即LED熄灭，依次类推，实现LED的流水灯效果。
5. 循环控制：为了能够实现反复循环的流水灯效果，可以在程序末尾使用一个死循环语句，使得程序不断执行，从而实现流水灯不断闪烁。
总的来说，单片机的流水灯实验原理就是通过控制不同IO口的高低电平状态，控制LED的亮灭，从而实现LED灯的流水灯效果。
组成原理实验报告
一、实验目的1. 理解计算机组成原理的基本概念和原理。
2. 掌握计算机硬件各模块的功能和相互关系。
3. 培养动手实践能力，提高对计算机硬件的认识。
二、实验内容1. 计算机硬件系统组成2. 中央处理器（CPU）的结构与功能3. 存储器系统组成与工作原理4. 输入/输出系统组成与工作原理5. 总线系统组成与工作原理三、实验步骤1. 计算机硬件系统组成（1）观察计算机硬件系统，了解各模块的名称和功能。
（2）分析各模块之间的相互关系，理解计算机硬件系统的整体结构。
2. 中央处理器（CPU）的结构与功能（1）观察CPU模块，了解其内部结构。
（2）分析CPU的各个部件，如寄存器、控制器、算术逻辑单元（ALU）等的功能。
（3）理解CPU的工作原理，包括指令的获取、译码、执行和存储等过程。
3. 存储器系统组成与工作原理（1）观察存储器模块，了解其内部结构。
（2）分析存储器的基本单元，如RAM、ROM等的功能和特点。
（3）理解存储器的工作原理，包括地址译码、数据读/写等过程。
4. 输入/输出系统组成与工作原理（1）观察输入/输出模块，了解其内部结构。
（2）分析输入/输出设备的类型和功能，如键盘、鼠标、显示器等。
（3）理解输入/输出系统的工作原理，包括数据传输、控制信号等过程。
5. 总线系统组成与工作原理（1）观察总线模块，了解其内部结构。
（2）分析总线的类型和功能，如地址总线、数据总线、控制总线等。
（3）理解总线系统的工作原理，包括数据传输、同步信号等过程。
四、实验结果与分析1. 计算机硬件系统组成实验结果显示，计算机硬件系统由CPU、存储器、输入/输出设备和总线等模块组成，各模块之间相互配合，共同完成计算机的运行。
2. 中央处理器（CPU）的结构与功能实验结果显示，CPU由寄存器、控制器和ALU等部件组成，负责指令的获取、译码、执行和存储等过程。
3. 存储器系统组成与工作原理实验结果显示，存储器由RAM、ROM等基本单元组成，负责数据的存储和读取。
输出流水实验报告
输出流水实验报告实验名称：流水实验实验目的：了解流水线的工作原理以及流水线的性能优势。
实验内容：1. 搭建流水线实验平台；2. 编写流水线程序并进行测试；3. 测量流水线的性能指标。
实验步骤：1. 搭建流水线实验平台配置一台流水线实验平台，包括流水线处理器、存储器、输入设备和输出设备等。
2. 编写流水线程序并进行测试编写适合流水线处理器的程序，并进行相应的测试。
测试可以包括程序的正确性、执行时间和资源利用率等方面。
3. 测量流水线的性能指标测量流水线的性能指标，包括时钟周期、指令完成时间、吞吐量和效率等。
实验结果：通过实验，我们得到如下结果：- 测试的流水线程序在流水线处理器上能够正常运行，并且输出结果与预期一致；- 流水线在执行相同的任务时，相较于传统的单周期处理器，在指令完成时间和吞吐量方面展现出明显的优势；- 流水线的时钟周期相对较短，能够提高指令执行的速度；- 流水线的效率较高，能够更好地利用硬件资源；- 流水线的性能随着流水线级数的增加而提高，但也会受到数据冒险和控制冒险等问题的影响。
实验分析：传统的单周期处理器在处理一条指令时，需要按照取指令、解码、执行、访存和写回的顺序逐个完成。
而流水线处理器将一条指令分为多个子指令，并同时开始执行不同阶段的子指令，以此提高指令的执行速度。
流水线的工作原理类似于工厂的流水线生产，每个工人负责完成生产过程的一部分，从而使产品能够连续地由一个工人传递给下一个工人进行处理，提高了生产效率。
流水线的性能优势体现在几个方面：1. 指令完成时间：流水线通过同时进行多个子指令的执行，缩短了完成一条指令所需的时间。
2. 吞吐量：流水线能够并行处理多条指令，提高了单位时间内完成的指令数量，从而提高了系统的吞吐量。
3. 时钟周期：流水线的时钟周期相对较短，可以让指令更快地执行。
4. 资源利用率：流水线能够更好地利用硬件资源，减少资源的闲置时间。
然而，流水线也存在一些问题，比如数据冒险和控制冒险。
计算机原理实验报告
实验名称：计算机原理实验实验日期：2023年X月X日实验地点：计算机实验室实验目的：1. 理解计算机的基本工作原理和组成结构。
2. 掌握计算机各部件的功能和相互关系。
3. 熟悉计算机指令系统和工作流程。
4. 培养动手能力和实验技能。
实验内容：一、计算机硬件组成实验1. 实验目的：了解计算机硬件的组成和各部件的功能。
2. 实验步骤：（1）观察计算机主机，识别各硬件部件，如CPU、内存、硬盘、显卡等。
（2）了解各硬件部件的功能和相互关系。
（3）拆装计算机，练习硬件组装和维修。
二、计算机指令系统实验1. 实验目的：熟悉计算机指令系统，掌握指令的格式和功能。
2. 实验步骤：（1）学习计算机指令系统的基础知识，了解指令的分类和功能。
（2）分析指令的格式，掌握指令的编码方式。
（3）编写简单的程序，实现指令的功能。
三、计算机工作流程实验1. 实验目的：理解计算机的工作流程，掌握程序执行的过程。
2. 实验步骤：（1）学习计算机工作流程的基本知识，了解程序的加载、执行和存储过程。
（2）观察计算机运行程序的过程，分析程序执行过程中的指令执行顺序。
（3）编写程序，验证程序执行的正确性。
实验结果与分析：一、计算机硬件组成实验实验结果：通过观察和拆装计算机，掌握了计算机硬件的组成和各部件的功能，熟悉了计算机的硬件结构。
分析：计算机硬件是计算机系统的基础，了解硬件组成有助于更好地理解计算机的工作原理。
二、计算机指令系统实验实验结果：学习了计算机指令系统的基础知识，掌握了指令的格式和功能，能够编写简单的程序实现指令的功能。
分析：计算机指令系统是计算机执行程序的基础，熟悉指令系统对于程序设计和开发具有重要意义。
三、计算机工作流程实验实验结果：理解了计算机的工作流程，掌握了程序执行的过程，能够分析程序执行过程中的指令执行顺序。
分析：计算机工作流程是计算机执行程序的关键，了解工作流程有助于优化程序设计和提高程序执行效率。
实验总结：本次计算机原理实验使我对计算机的基本工作原理和组成结构有了更深入的了解。
流水作业实验报告
1. 了解流水作业的基本原理和操作流程；2. 掌握流水作业的编制方法和优化措施；3. 培养团队协作能力和实际操作技能。
二、实验背景流水作业是一种生产方式，通过将生产过程分解为若干道工序，使物料在各个工序之间有序流动，实现生产效率的最大化。
流水作业具有生产效率高、物料流动顺畅、生产成本低等优点。
三、实验内容1. 流水作业原理及操作流程（1）流水作业原理：流水作业将生产过程分解为若干道工序，通过物料在各个工序之间的有序流动，实现生产效率的最大化。
（2）流水作业操作流程：①确定生产任务；②划分工序；③计算各工序作业时间；④确定各工序的作业顺序；⑤计算流水作业节拍；⑥绘制流水作业图。
2. 流水作业编制方法（1）划分工序：根据生产任务和物料特性，将生产过程划分为若干道工序。
（2）计算各工序作业时间：根据各工序的操作要求，计算各工序的作业时间。
（3）确定各工序的作业顺序：根据物料流动规律，确定各工序的作业顺序。
（4）计算流水作业节拍：根据生产任务和各工序作业时间，计算流水作业节拍。
（5）绘制流水作业图：根据流水作业节拍和工序顺序，绘制流水作业图。
3. 流水作业优化措施（1）缩短各工序作业时间：通过改进工艺、提高设备性能、加强操作人员培训等措施，缩短各工序作业时间。
（2）优化物料流动：通过调整设备布局、改善物流通道等措施，优化物料流动。
（3）降低生产成本：通过合理配置资源、提高设备利用率等措施，降低生产成本。
1. 实验准备：确定生产任务、物料特性、设备条件等。
2. 划分工序：根据生产任务和物料特性，将生产过程划分为若干道工序。
3. 计算各工序作业时间：根据各工序的操作要求，计算各工序的作业时间。
4. 确定各工序的作业顺序：根据物料流动规律，确定各工序的作业顺序。
5. 计算流水作业节拍：根据生产任务和各工序作业时间，计算流水作业节拍。
6. 绘制流水作业图：根据流水作业节拍和工序顺序，绘制流水作业图。
7. 实施流水作业：按照流水作业图进行生产，观察生产过程，记录数据。
计算机组成原理实验十三建立指令流水系统实验
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。
组成原理实验十 建立指令流水系统 (研究实验)
例如：指导书108页的IN指令有两个状态T1和T0，T1状态 的微指令码为FFFF17，T0状态的微指令码为CBFFFF，二者为0 的位都不相同，故IN指令可以被改造为流水型指令 “CBFF17 ”——T1和T0微指令码的“与”运算值。
实验箱提供的一个二级流水模式指令示例insfile2.MIC ， 就遵循这一原则。
一.背景知识（2）
2. 指令流水执行
把 “使用不同硬件的操作可以同时工作”的概念推广到相继的两 条指令之间，就形成“指令的流水线执行模式”。 这个模式下，同一时间有多条指令各自在不同的硬件中执行，而 对同一条指令而言，不同时间顺序在不同的硬件中执行，很像在流水 型生产线上的产品，不同时刻顺序在不同的工位上加工。这就是指令 流水模式的名称来源。 显然，要形成指令流水模式，每条指令都应该分成几个独立的子 操作，当前趋指令的后几个子操作与后继指令的前几个子操作不使用 同样的硬件时，系统就可设计成流水线方式。 现代计算机大都采用指令流水模式，但这个模式会使中断响应过 程变得复杂，所以实时系统中多是有限地采用它。
一.背景知识（3）
3. 实验箱系统的指令流水硬件基础
实验箱系统的各种基本操作我们已经熟悉，其中的很多操作可以 在不同的硬件中同时执行，典型的是“取指令”的微操作，其微指令 码微CBFFFF，与大多数的微操作无关。在厂家给的默认指令系统中 这个操作编在了每条指令的最后一个状态，即每条指令的操作完成后 就取进下一条指令。这是典型的“取指、执行、取指……”模式。即 一条指令先被“取指”，再执行其他微操作，完成后再取下一条指令。 如果一条指令的最后一个微操作与取指无关，就可以把二者合并 成一个微指令，于是这个指令的最后一个微操作与取下一条指令并行 进行。对下一条指令而言，其“取指”与“其他操作”在不同硬件中 顺序执行——指令二级流水。
计算机组成原理—流水灯设计实验报告
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。
计算机组成原理课程实习报告 流水微程序控制器
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）。
计算机组成原理4.4 指令流水
则
nm · t nm Δ Sp = m Δ t +(n-1) Δ t = m + n -1 · ·
3. 效率
流水线中各功能段的 利用率 由于流水线有 建立时间 和 排空时间 因此各功能段的 设备不可能 一直 处于 工作 状态
S空间
空间
S4 S3 S2
1 1 1 1 2 2 3 2 3 4
2 3 4
时钟周期 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
3. 超长指令字技术
由编译程序 挖掘 出指令间 潜在 的 并行性， 将 多条 能 并行操作 的指令组合成 一条 具有 多个操作码字段 的 超长指令字（可达几百位） 采用 多个处理部件
指令序列
IF ID EX WR
0
1
2
指令序列
IF ID EX WR
0
1
2
9
10 11 12
13
时钟 周期
2. 超流水线技术
在 一个时钟周期 内 再分段 （ 3 段） 在一个时钟周期内 一个功能部件使用多次（ 3 次） 不能调整 指令的 执行顺序 靠编译程序解决优化问题
指令序列
IF ID EX WR
流水线速度是原来速度的 3 倍
Δt
n Tp = m · t+ (n-1) ·Δ t Δ
2. 加速比 Sp
m 段的 流水线的速度 与等功能的 非流水线的速度 之比 设流水线各段时间为 Δ t 完成 n 条指令在 m 段流水线上共需 T = m · t + (n-1) · t Δ Δ 完成 n 条指令在等效的非流水线上共需 T ′= nm ·Δ t
3 4
4
5 … … … n-1 n
计算机组成原理实验报告 指令部件模块实验
西华大学数学与计算机学院实验报告课程名称：计算机组成原理年级：2011级实验成绩：指导教师：祝昌宇姓名：蒋俊实验名称：指令部件模块实验学号：312011*********实验日期：2013-12-15一、目的1.掌握指令部件的组成方式2.熟悉指令寄存器的打入方式，PC计数器的设置和+1操作，理解跳转指令的实现过程。
二、实验原理（1）指令部件模块实验的构成1．1片74LS374作为指令模块的指令寄存器IR1，另1片74LS374作为地址锁存器IR2。
8芯插座PC-IN作为数据输入端，可通过8芯扁平电缆把数据输入端连接到数据总线上。
2．2片74LS161作为PC计数器3．2片74LS245（同时只有1片输出）作为当前地址的输出。
8芯插座PC-OUT作为地址输出端，可通过短8芯扁平电缆把地址输出端连接到地址总线上。
4．1片74LS373来实现多种条件跳转指令（JZ，JC，JMP等条件跳转指令）（2）指令部件模块实验原理1．指令寄存器IR1（74LS374）的EIR1为低电平并且IR1CK有上升沿时，把来自数据总线的数据打入IR1，IR1的输出就作为本系统内的8位指令I0～I7。
在本系统内由这8位指令可最多译码256条不同的指令，通过译码可对应出这些指令在微程序存储器中入口地址，并且输出相应的微指令。
2．2片74LS161组成了PC计数器，它由信号ELP、信号PC-O、脉冲PCCK来控制PC 计数器+1和PC计数器置数操作。
在停机状态下，由控制台置起始地址，给出打入脉冲并置入74LS161。
当ELP＝0，PCCK有上升沿时可重新置PC值。
当PC-O＝0、ELP＝1，PCCK是上升沿时把当前PC计数器+1，并且把PC计数器的值作为地址输出到地址总线上。
3．置EIR为低电平，并且IR2CK有上升沿时，数据总线的数据打入IR2锁存器后，置IR2-O＝0、PC-O＝1，把IR2的值作为地址输出到地址总线上。
4．74LS153是4选1的芯片，可通过JS0、JS1来选择用JC还是JZ来实现条件转移的指令图1 指令寄存器原理图三、使用环境计算机组成原理实验箱四、实验步骤（一）准备工作1．按启停单元中的运行按钮，置实验机为运行状态。
指令流水实验报告
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。
流水线工作原理
2021/7/1
指令周期 减半 速度提高 1 倍
1
3. 影响指令流水效率加倍的因素
(1) 执行时间 > 取指时间
取指令 部件
指令部件 缓冲区
执行指令 部件
(2) 条件转移指令 对指令流水的影响
必须等 上条 指令执行结束，才能确定 下条 指令的地址，
造成时间损失
猜测法
解决办法 ？
2021/7/1
2
4. 指令的六级流水
Tp
=
n m ·Δt+ (n-1)
·Δ
t
2021/7/1
4
2. 加速比 Sp
m 段的 流水线的速度 与等功能的 非流水线的速度 之比
设流水线各段时间为 Δ t
完成 n 条指令在 m 段流水线上共需
T = m ·Δt + (n-1) Δ· t
完成 n 条指令在等效的非流水线上共需
T′= nm ·Δt
每个功能段的延迟时间均相等，流水线的输出端和输入端 之间有直接数据通路，而且设置有足够的缓冲寄存器。要 求用尽可能短的时间完成计算，画出流水线时空图，并计 算流水线的实际吞吐率、加速比和效率。
[分析]首先需要考虑的是，10个数的的和最少需要做几次加法。
我们可以发现，加法的次数是不能减少的：9次；
于是我们要尽可能快的完成任务，就只有考虑如何让流水线 尽可能充满，这需要消除前后指令之间的相关。
一、指令流水原理
1. 指令的串行执行
取指令 1 执行指令 1 取指令 2 执行指令 2 取指令 3 执行指令 3 …
取指令 取指令部件 完成 总有一个部件 空闲 执行指令 执行指令部件 完成
2. 指令的二级流水
取指令 1 执行指令 1
指令流水实验试验报告
西南交通大学实验报告课程名称计算机结构原理实验名称设计指令/微指令系统实验指导教师学号班级姓名实验日期成绩指令流水实验<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并行性。
RISC模型机实验<实验目的>了解RISC模型机指令的执行过程<实验内容>RISC处理器设计的一般原则：１．只选用使用频度高的指令，减小指令系统，使每一条指令能尽快的执行２．减少寻址方式，并让指令具有相同的长度３．让大部分指令在一个时钟完成４．所有指令只有存（ST）、取（LD）指令可访问内存，其他指令均在寄存器间进行运算５．使用组合逻辑实现控制器下面我们给出一个RISC的指令系统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“RISC.INS”，这就是RISC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“EX7.ASM”源程序。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
二. 实验任务
1. 分析流水指令集 insfile2.MIC。
2. 改造实验九中自己编制的指令集，使其中 至少一条指令成流水方式。 3. 在自己编制的两个指令集中运行同一个程 序，观测运行情况和效率。程序来源自定。
三. 实验过程提示
1. 在CP226环境中，通过“文件”下拉菜单的“调指令系统/ 微程序”操作，把“c:\ program files\CP226计算机组成原理\data\” 目录下的insfile2.MIC调入系统，在指令系统窗口逐条观察指令的 各微指令码，与指导书103到110页的对应指令的微指令码比较，分 析二者的异同。
计算机组成原理实验课程
实验十 建立指令流水系统（研究实验）
实验目的： 1. 了解指令流水系统的设计方式。
2.
编制一条可以流水方式运行的指令。
教学目的： 了解指令流水执行的原理和特点。
一.背景知识（1）
1. 硬部件的并行工作
在实验3的“实验过程举例”中我们用一条微指令完成了“A ＋W”后右移一位的值送OUT的操作，这个操作明显地可以分成 三个子操作：A＋W、把“和”右移一位、把值送OUT。这三个 子操作为什么可以同时进行呢？因为这三个子操作使用的硬件 （包括总线)互不相同，于是可以同时工作。这一特点表现在微指 令编码上，就是这三个子操作的微指令码中为低电平（有效）的 都不相同，于是可以将这三个子操作的微指令码合并成一个微指 令，就是实验3 谈到的结果： c23~c0=1111 1111 1101 11 11 1011 1000=ff df b8H 这个微指令控制三部分硬件并行工作。
一.背景知识（2）
2. 指令流水执行
把 “使用不同硬件的操作可以同时工作”的概念推广到相继的两 条指令之间，就形成“指令的流水线执行模式”。 这个模式下，同一时间有多条指令各自在不同的硬件中执行，而 对同一条指令而言，不同时间顺序在不同的硬件中执行，很像在流水 型生产线上的产品，不同时刻顺序在不同的工位上加工。这就是指令 流水模式的名称来源。 显然，要形成指令流水模式，每条指令都应该分成几个独立的子 操作，当前趋指令的后几个子操作与后继指令的前几个子操作不使用 同样的硬件时，系统就可设计成流水线方式。 现代计算机大都采用指令流水模式，但这个模式会使中断响应过 程变得复杂，所以实时系统中多是有限地采用它。
一.背景知识（3）
3. 实验箱系统的指令流水硬件基础
实验箱系统的各种基本操作我们已经熟悉，其中的很多操作可以 在不同的硬件中同时执行，典型的是“取指令”的微操作，其微指令 码微CBFFFF，与大多数的微操作无关。在厂家给的默认指令系统中 这个操作编在了每条指令的最后一个状态，即每条指令的操作完成后 就取进下一条指令。这是典型的“取指、执行、取指……”模式。即 一条指令先被“取指”，再执行其他微操作，完成后再取下一条指令。 如果一条指令的最后一个微操作与取指无关，就可以把二者合并 成一个微指令，于是这个指令的最后一个微操作与取下一条指令并行 进行。对下一条指令而言，其“取指”与“其他操作”在不同硬件中 顺序执行——指令二级流水。
例如：指导书108页的IN指令有两个状态T1和T0，T1状态 的微指令码为FFFF17，T0状态的微指令码为CBFFFF，二者为0 的位都不相同，故IN指令可以被改造为流水型指令 “CBFF17 ”——T1和T0微指令码的“与”运算值。
实验箱提供的一个二级流水模式指令示例insfile2.MIC ， 就遵循这一原则。
一.背景知识（4）
4. 实验箱系统实现指令流水的技巧
由背景知识3可知：一条指令的最后一个微操作与取指无 关，就可以把二者合并成一个微指令。这个原则用微操作码表 述就是： 若取指令操作（CBFFFF）与它前面的微操作码没有相同的 位为0，则这两个微操作码的“与”就是二者合并后的微指令。 在程序中这条指令就会和它的后继指令形成二级流水模式。
特别注意mov A，R？和mov A，@R?两个指令，他们各自在 两个指令系统中的微指令码的异同。
2. 仿照insfile1.MIC和insfile2.MIC的异同改造自己编制的指令集。 并在两个指令系统中运行同一个程序，程序来源自定。
四.
参考资料
实验指导书P.83—86。