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
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。
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）。
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。
计算机组成原理 实验报告
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。
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。
计算机组成原理实验教程
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。
(完整版)《计算机组成原理》实验指导书
《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。
计算机系统结构winDLX流水线实验报告
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。
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。
计算机组成原理与指令流水线性能优化概述
计算机组成原理与指令流水线性能优化概述计算机组成原理是计算机科学中的重要课程，它研究计算机硬件系统的组成和工作原理，包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备等。
而指令流水线是计算机中的一种重要的优化技术，通过对指令执行过程进行流水线化，以提高处理器的执行效率。
本文将从计算机组成原理和指令流水线的基本概念入手，探讨如何进行性能优化。
一、计算机组成原理概述计算机组成原理是研究计算机硬件系统如何组成，以及各个部件如何协同工作的学科。
计算机硬件系统主要包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备等。
其中，CPU是计算机的核心部件，主要负责执行程序指令，其性能直接影响到计算机的运行速度。
计算机组成原理的研究围绕着提高计算机的性能，降低成本，提高可靠性等目标展开。
其主要内容包括指令系统设计、CPU结构设计、存储器层次结构设计、输入输出系统设计等。
通过对这些部件的优化，可以提高计算机的性能。
二、指令流水线的基本概念指令流水线是一种将指令执行过程划分为多个阶段，并通过并行执行提高处理器效率的技术。
在传统的单周期执行方式中，每条指令的执行需要占用一个时钟周期。
而指令流水线将每条指令的执行划分为多个阶段，不同指令在不同阶段同时执行，从而提高了处理器的吞吐量。
指令流水线的基本阶段包括取指令（IF）、指令译码（ID）、执行（EX）、访存（MEM）和写回（WB）等。
每个阶段只需占用一个时钟周期，而不同指令在不同阶段之间交错执行，从而实现多条指令的并行执行。
指令流水线的工作原理类似于流水线上的工厂，每个工人负责完成流水线上的一个工序，从而实现生产效率的提高。
三、指令流水线性能优化的方法1. 增加流水线级数：流水线级数是指流水线中的阶段数，增加流水线级数可以进一步提高处理器的性能。
较长的流水线可以使得吞吐量更大，但也会增加流水线的延迟。
因此，在提高流水线级数时需要平衡吞吐量和延迟，选择适当的流水线级数。
2. 解决数据冒险问题：数据冒险是指在指令流水线中，后一条指令需要用到前一条指令的结果，但前一条指令的结果还未计算出来，导致流水线停顿的情况。
计算机组成原理中的指令流水线与超标量
计算机组成原理中的指令流水线与超标量计算机组成原理是计算机科学中的重要概念之一，它研究了计算机的硬件组成和工作原理。
其中，指令流水线和超标量技术是提高计算机性能的重要手段。
本文将介绍指令流水线和超标量技术的基本原理，并讨论它们在计算机系统中的应用。
一、指令流水线指令流水线是一种将指令执行过程分为多个阶段，并且在每个阶段中同时执行多条指令的技术。
通过将指令执行过程划分为多个独立的阶段，可以使得指令在执行过程中能够重叠进行，从而提高了计算机的运行速度。
指令流水线通常包括取指、译码、执行、访存和写回这五个阶段。
在每个时钟周期中，各个阶段同时执行不同的指令，以提高整个系统的效率。
每个指令在通过流水线的各个阶段时，都经历了不同的处理过程，最终完成指令的执行。
指令流水线的优点在于它可以充分利用计算机资源，提高处理器的性能。
然而，指令流水线技术也存在一些问题，例如流水线冲突和分支预测错误。
流水线冲突指的是由于数据相关性等原因导致指令无法按照顺序执行，而需要等待前一条指令完成。
分支预测错误则是指在程序执行过程中，由于分支指令的条件未知，导致指令流水线中的指令被误判，从而浪费了计算资源。
二、超标量技术超标量技术是指在一个时钟周期内同时发射多条指令，并且在多个功能部件上同时执行这些指令的技术。
相比于指令流水线，超标量技术更进一步地提高了计算机的性能。
超标量技术的核心是多发射和多功能部件。
多发射指的是在一个时钟周期内同时发射多条指令到流水线中。
多功能部件则是指在处理器中使用多个功能部件，以同时执行多条指令，从而提高计算机的性能。
超标量技术的优点在于它可以同时执行多条指令，提高计算机处理的并行性。
通过在一个时钟周期中同时发射多条指令，并在多个功能部件上执行这些指令，可以充分利用计算机资源，提高处理器的性能。
然而，超标量技术也存在一些问题，例如硬件复杂度和资源分配等。
由于需要同时执行多条指令，并且在多个功能部件上执行，因此需要更多的硬件资源来支持。
计算机组成原理实验指导书（JSY）
计算机组成原理实验指导书（JSY）计算机组成原理实验指导书青岛科技⼤学数字技术实验中⼼⽬录实验⼀运算器实验 (1)实验⼆进位运算和移位运算实验 (7)实验三静态存储器原理实验 (11)实验四数据通路实验 (13)实验五微程序控制器实验 (15)实验六微程序控制器实验 (25)实验⼀运算器实验⼀、实验⽬的1)熟悉实验装置；2)学习算术逻辑单元电路的构成及其⼯作原理，掌握运算器实验的数据传送通路的结构及不同实验状态下的各运算数据的流程；3)验证运算功能发⽣器（74LS181）的组合功能；⼆、实验设备JYS-4计算机组成原理实验箱及导线若⼲。
三、实验内容1、实验装置简介JYS-4计算机组成原理实验装置是⼀种能够通过多种“原理计算机”的设计和构造，来灵活地实现“计算机组成原理”课程的实验教学，以满⾜不同层次和不同教学环节实验要求的开放式教学实验设备。
使⽤JYS-4计算机组成原理实验装置可完成运算器实验、进位和移位控制实验、静态存储器原理实验、计算机的数据通路实验、微程序控制器实验、基本模型机的设计与实现实验、带移位运算的模型机的设计与实现等实验。
JYS-4计算机组成原理实验装置采⽤内、外总线结构，并按开放式结构要求设计了各关联的单元实验电路，除进⼀步规范了可组成的原理计算机结构外，也为实验教学提供了充⾜的硬件可设计空间和软件可设计空间，在实验电路构造⽅⾯，系统也提供了多种⼿段，可按部件层次组合⽅式逐次构造不同结构和复杂程度的部件实验电路及模型计算机。
整个实验仪器是由分散元器件构成，包括计算机中的各组成部件：运算器、存储器、控制器等，这些器件的内部连线已经连好，需要连接的是⼀些控制信号线。
实验板上对各个器件的划分⽐较清楚，都⽤⽩⾊框线表⽰，每个器件的名称也⽤⽩⾊注明。
JYS-4计算机组成原理实验装置具有以下特点：1)系统装置⽀持三种实验电路构造⽅式，即实验元件零连线⽅式（在⾯包板上⾃⼰搭建实验电路）、单元电路跨接⽅式（使⽤装置提供的排线通过跨接构造出实验电路）和实验“软连线”⽅式（使⽤可编程逻辑器件通过编程设计实验电路）。
计算机组成原理——指令流水线
计算机组成原理——指令流⽔线
计算机组成原理——指令流⽔线
1. 综述
为提⾼CPU利⽤率，加快执⾏速度，将指令分为若⼲个阶段，可并⾏执⾏不同指令的不同阶段，从⽽多个指令可以同时执⾏。
在有效地控制了流⽔线阻塞的情况下，流⽔线可⼤⼤提⾼指令执⾏速度。
经典的五级流⽔线：取址、译码/读寄存器、执⾏/计算有效地址、访问内存（读或写）、结果写回寄存器。
流⽔线阻塞的情况有三种（）：
1. 结构相关：指令重叠执⾏的过程中，硬件资源满⾜不了指令重叠执⾏的要求，发⽣资源冲突，这时将产⽣结构相关。
解决的办法是增加硬件资源，如解决访存冲突就采⽤指令Cache和数据Cache分离的哈弗结构。
2. 数据相关：当⼀条指令需要前⾯某条指令的执⾏结果，⽽两者正在并⾏执⾏的情况下，将产⽣数据相关。
解决⽅式：数据重定向，或称为旁路技术。
3. 控制相关：有跳转语句、分⽀指令，或其他改变IP值的指令，将产⽣控制相关。
解决⽅法：分⽀预测技术，投机执⾏，延迟分⽀。
若I1和I2数据相关，如I2需要I1的结果，则I2在其译码阶段被阻塞，直到I1全部完成才恢复流动。
计算机组成原理与指令流水线探究
计算机组成原理与指令流水线探究计算机组成原理是指计算机硬件和软件之间相互协调、相互配合的总体规律。
而指令流水线是计算机组成原理中一个重要的概念，它可以提高计算机的运行效率，加快指令执行速度。
本文将深入探究计算机组成原理与指令流水线的关系，并对其进行详细阐述。
【引言】计算机组成原理是计算机科学中的重要学科之一，通过研究计算机的基本组成部分和运行原理，可以理解计算机的工作原理和运行机制，从而更好地进行计算机系统设计与优化。
而指令流水线则是计算机组成原理中的一种设计思想，通过将指令执行过程划分为多个步骤，并流水化地执行，以提高指令执行效率。
下面将对计算机组成原理与指令流水线进行深入探究。
【计算机组成原理】1. 中央处理器（CPU）：中央处理器是计算机的核心部件，负责控制和执行计算机的指令。
CPU主要由控制单元、算术逻辑单元和寄存器组成，其中控制单元负责指令的解码和执行，算术逻辑单元负责进行各种算术和逻辑运算。
2. 存储器：存储器用于存储数据和程序，包括内存和外存。
内存是计算机中的主要存储设备，用于存储当前运行的程序和数据，而外存则用于长期存储数据和程序。
3. 输入输出设备：输入输出设备用于与计算机进行数据和信息的交互，包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。
输入设备将外部的数据输入到计算机，输出设备将计算机处理后的数据输出给用户。
【指令流水线】指令流水线是一种将指令执行过程划分为多个步骤，并在不同的时钟周期内同时执行不同指令的技术。
通过流水线的方式，计算机可以同时执行多条指令，提高指令的执行效率。
指令流水线主要包括以下几个阶段：1. 取指令（IF）：根据程序计数器提供的地址，从内存中取出指令，并将程序计数器加一。
2. 译码（ID）：对取出的指令进行解码，确定指令的操作类型和操作数。
3. 执行（EX）：根据指令的操作类型和操作数，执行相应的算术和逻辑运算。
4. 访存（MEM）：将执行阶段得到的结果存储到内存中，或从内存中取出操作数。
上海大学 计算机组成原理实验报告十三
上海大学计算机学院《计算机组成原理实验》报告十三姓名学号教师王雪娟时间周一七、八、九节机位32 报告成绩实验名称:建立指令流水系统一、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。
3.了解指令流水执行的原理和特点。
二、实验原理硬部件的并行工作微指令的子操作使用的硬件（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，就是各个子操作的微指令码中为低电平（有效）的都不相同，于是可以将这些子操作的微指令码合并成一个微指令，这个微指令控制各个部分硬件并行工作。
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。
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。
实验箱系统实现指令流水的技巧由原理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。
简要说明指令流水原理
简要说明指令流水原理
指令流水原理是互联网社会成功运作的重要原理之一，在大多数计算机体系架构中应用极为广泛。
所谓的指令流水，即指计算机程序本质上就是一连串指令，而指令流水技术，则是根据计算机程序中指令的顺序、组织实现计算机程序发挥功能的技术。
指令流水原理则为计算机程序构建了容器，从而允许数据和指令按照指定的顺序进行流转。
这种有序流转通常根据程序发送指令并以不同的顺序执行它们的程序架构而发挥作用，且这也正是指令流水原理的基本原则。
一般情况下，指令流水原理的实现需要在计算机的控制单元中引入一段控制存储器，此存储器可分为寄存器组和控制寄存器两部分。
控制存储器用于存储指令，并利用其中的控制逻辑将被执行的指令存储在控制寄存器段中，从而得以依次发送被重复执行的指令流。
同时，控制存储器还可以接收返回而来的信息，进行控制，建立新的程序。
指令流水原理对于内存空间的优化使用，也起着至关重要的作用。
事实上，程序中的指令是恒定量，因此通过该原理的利用，可有效降低内存空间的复杂度，同时也创造有无穷多的充分可执行的可能性。
总而言之，指令流水原理在计算机体系架构中发挥着以上多方面的重要作用，使程序顺利对指令进行流转。
今天的网络社会正是基于此原理而建立起来的，其卓越的运行效能成为了互联网社会发展的一个新的里程碑。
计算机组成原理 指令系统 实验报告
学生实验报告课程名称：__计算机组成原理__ 专业班级：__ __ 姓名：______ ______ 学号：___ ____--学年第学期实验项目(四) —实验报告项目名称指令系统指导教师实验室实验日期分组情况成绩实验步骤（算法、代码、方法）算术运算及对标志位的影响（1）41H+3BH；（2）启动DEBUG程序（3）利用汇编命令a输入完成上述运算的助记符指令（4）MOV AH, 41将操作数41送ah寄存器（5）ADD AH, 3B将3b与ah当中的41做累加,并将累加结果保存在ah寄存器当中（6）MOV [2000], ah 将ah寄存器当中的累加结果，存入指定的内存单元2000H当中（7）利用执行的程序命令t单步执行从13D4：0100开始的每条指令（8）记录运行结果及标志位状态。
逻辑运算及对标志位的影响（1）5A&A5H（2）启动DEBUG程序（3）利用汇编命令a输入完成运算的助记符指令（4）mov ah,5a 将操作数5a送ah寄存器（5）and ah,3b 将操作数a5与ah当中的操作数5a做逻辑与运算，并将最终的逻辑与运算的结果保存在ah寄存器当中（6）mov [2000],ah将ah寄存器当中的累加结果，存入指定的内存单元2000H 当中（7）利用执行的程序命令t单步执行从13D4：0100开始的每条指令（8）记录运行结果循环程序的执行将DS：2000开始的5个字节内存内容（依次赋初值为01H，02H，03H，04H，05H）相加，并把相加的结果存放在DS：2005内存单元中。
（1）启动DEBUG程序（2）利用修改内存的命令e将2000-2004五个内存单元分别赋以初值（3）利用汇编命令a输入完成运算的助记符指令（4）mov cx,5指定循环次数为5次，并将其记录在cx寄存器中（5）mov al,0将al寄存器清零，做累加器用（6）mov bx,2000将第一个操作数01的内存单元地址送bx寄存器（7）add al,[bx]将以bx寄存器中的值为地址的内存单元中的操作数与al寄存器当中的值累加，并将累加结果存放在al寄存器中（8）inc bx操作数的地址增一（9）loop 0108循环执行累加和地址自增的操作，0108为循环操作的起始地址，每执行一次循环操作，cx的值自动减一，直至cx寄存器当中的值为0时，该循环累加的过程结束（10）mov [bx],al将al当中的累加结果送以bx寄存器的值为地址的内存单元中（11）利用执行的程序命令t单步执行上述的每条指令（12）记录运行结果。
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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 insfile
2.MIC。
2. 改造实验十二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。
（2）实验要求：
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。
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和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insfile2.mic，为了方便分析，在记事本中打开insfile1.mic 文件，可同时观察两个文件中相同指令的微指令有什么不同。
3. 1.3 可以发现，因为每条指令的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. 实验十二的代码为：（由于word排版问题，源文件的各列可能没有对齐，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 CBFFFF
01 FFFFFF
02 FFFFFF
03 FFFFFF
04 FFFFFF
05 FFFFFF
06 FFFFFF
07 FFFFFF
08 FFFFFF
09 FFFFFF
0A FFFFFF
0B FFFFFF
0C FFFFFF
0D FFFFFF
0E FFFFFF
0F FFFFFF
A-W A,#* T2 10 C7FFEF
T1 11 FFFE91
T0 12 CBFFFF
13 FFFFFF 输出
OUTA T1 14 FFDF9F
T0 15 CBFFFF
16 FFFFFF
17 FFFFFF
跳到 * T1 18 C6FFFF
T0 19 CBFFFF
1A FFFFFF
1B FFFFFF
LD A,#* T1 1C C7FFF7
T0 1D CBFFFF
1E FFFFFF
1F FFFFFF
延时 T0 20 FFFFFF
21 FFFFFF
22 FFFFFF
23 FFFFFF
24 FFFFFF
25 FFFFFF
26 FFFFFF
27 FFFFFF
28 FFFFFF
29 FFFFFF
2A FFFFFF
2B FFFFFF
2C FFFFFF
2D FFFFFF
2E FFFFFF
2F FFFFFF
31 FFFFFF
32 FFFFFF
33 FFFFFF
34 FFFFFF
35 FFFFFF
36 FFFFFF
37 FFFFFF
38 FFFFFF
39 FFFFFF
3A FFFFFF
3B FFFFFF
3C FFFFFF
3D FFFFFF
3E FFFFFF
3F CBFFFF
12.mac源程序：
_FATCH_ 000000xx 00-03 1 清0首先执行_FATCH_ 指令取指 000001xx 04-04 1
000010xx 08-0B 1
000011xx 0C-0F 1
A-W A,#* 000100xx 10-13 II 2
OUTA 000101xx 14-17 1
跳到 * 000110xx 18-1B MM 2
LD A,#* 000100xx 1C-1F II 2
延时 000XXXXX 20-3F 1
12.dat源程序：
A-W A,#* 10 2
OUTA 14 1
跳到 * 18 2
LD A,#* 1C 2
延时 20 1
2. 本实验改动了12.mic指令A-W A,#*和OUTA。
13.mic源程序：
_FATCH_ T0 00 CBFFFF
01 FFFFFF
02 FFFFFF
03 FFFFFF
04 FFFFFF
05 FFFFFF
06 FFFFFF
07 FFFFFF
08 FFFFFF
09 FFFFFF
0A FFFFFF
0B FFFFFF
0C FFFFFF
0D FFFFFF
0E FFFFFF
0F FFFFFF
A-W A,#* T2 10 C7FFEF
T1 11 CBFE91
T0 12 FFFFFF
13 FFFFFF 输出
OUTA T1 14 CBDF9F
T0 15 FFFFFF
16 FFFFFF
17 FFFFFF
跳到 * T1 18 C6FFFF
T0 19 CBFFFF
1A FFFFFF 1B FFFFFF LD A,#* T1 1C C7FFF7 T0 1D CBFFFF
1E FFFFFF 1F FFFFFF 延时 T0 20 FFFFFF
21 FFFFFF
22 FFFFFF
23 FFFFFF
24 FFFFFF
25 FFFFFF
26 FFFFFF
27 FFFFFF
28 FFFFFF
29 FFFFFF
2A FFFFFF
2B FFFFFF
2C FFFFFF
2D FFFFFF
2E FFFFFF
2F FFFFFF
31 FFFFFF
32 FFFFFF
33 FFFFFF
34 FFFFFF
35 FFFFFF
36 FFFFFF
37 FFFFFF
38 FFFFFF
39 FFFFFF
3A FFFFFF
3B FFFFFF
3C FFFFFF
3D FFFFFF
3E FFFFFF
3F CBFFFF
3. 编写.asm源文件如下：
LOOP:
LD A,#55H
OUTA
OUTA
OUTA
OUTA
OUTA
LD A,#22H
OUTA
OUTA
OUTA
OUTA
OUTA
LD A,#55H
A-W A,#22H
OUTA
OUTA
OUTA
OUTA
OUTA
跳到 LOOP
END
4 分别导入12.mic 和13.mic，进行一个比较，记录实验结果。
4.测试或者模拟结果
OUT寄存器交替循环显示55，22，77，改动后的指令运行速度更快。
5.体会
本次实验主要在于能否理解流水系统，实质上是很好理解的，因为我们可以对应到生
活中的工人的流水线，所以改源程序的时候也很简单，我改了两个地方，让他们并行执行一下，但是由于我自己选择的上节课的程序不好，没有能看出速度的变化，在老师的提示下将延迟全部改成了OUT，这样就十分明显了。