《计算机体系结构》课程实验教学大纲(Ⅰ)
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《计算机体系结构》课程实验教学大纲(Ⅰ)
[注：同一门实验课程若对不同专业开设的实验项目、实验要求不同，则大纲应不同，区分 可采用题目后加（Ⅰ）、（Ⅱ）、（Ⅲ）……的办法]
编 号： 课程总学时： 54 实验学时：8 课程总学分： 3 实验学分：（非单独设课的实验不用填此项） 先修课程：《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《数字逻辑》、《计
(3) 熟悉MIPS指令系统及其特点，加深对MIPS指令操作语义的理
解；
(4) 熟悉MIPS体系结构。
2. 实验内容
首先要阅读MIPSsim模拟器的使用方法，然后了解MIPSsim的指令系
统和汇编语言。
（1）启动MIPSsim（用鼠标双击MIPSsim.exe）。
（2）选择“配置”->“流水方式”选项，使模拟器工作在非流水方
(1) 实验平台采用指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim； (2) 计算机一台。
alltest.asm，然后查看“代码”窗口，查看程序所在的位置（起始地
址为0x00000100）。
（5）查看“寄存器”窗口PC寄存器的值：[PC]=0X
。
（6）执行load和store指令，步骤如下：
1）单步执行一条指令（F7）。
2）下一条指令地址为=0X
，是一条
（有，
无）符号载入
（字节，半字，字）指令。
功，失败）；查看R31的值，[R31]=0x_______________。 13) 单步执行1条指令。 14）查看R1的值，[R1]=0x_______________。 15）下一条指令地址为0x__________，是一条JALR指令，保存目标
地址的寄存器为R______，保存返回地址的目标寄存器为R______。 16）单步执行1条指令。 17）查看PC和R3的值，[PC]=0x_____ __，
3）单步执行一条指令（F5）。
4）查看R1的值，[R1]=0X
。
5）下一条指令地址为0X
，是一条
（有，无）
符号载入
（字节，半字，字）指令。
ห้องสมุดไป่ตู้
6）单步执行1条指令。
7）查看R1的值，[R1]=0X
。
8）下一条指令地址为，是一条
（有，无）符号载入
（字节，半字，字）指令。
9）单步执行1条指令。
10）查看R1的值，[R1]= 0X
IF：________________________________ ID：________________________________ EX：________________________________ MEM：______________________________ WB：________________________________ 画出这时的时钟周期图。 （6）这时各流水寄存器中的内容为：
2. 实验内容 首先要掌握MIPSsim模拟器的使用方法。
（1）启动MIPSsim。 （2）根据预备知识中关于流水线各段操作的描述，进一步理解流水 线窗口中各段的功能，掌握各流水寄存器的含义。（用鼠标双击各段， 就可以看到各流水寄存器的内容） （3）参照MIPSsim模拟器使用说明，熟悉MIPSsim模拟器的操作和使 用方法。 可以先载入一个样例程序（在本模拟器所在的文件夹下的“样例程 序”文件夹中）。然后分别以单步执行一条周期、执行多个周期、连续 执行、设置断点等的方式运行程序，观察程序的执行情况，观察CPU中 寄存器和存储器的内容的变化，特别是流水寄存器内容的变化。 （4）选择配置菜单中的“流水方式”选项，使模拟器工作于流水方 式下。 （5）观察程序在流水线中的执行情况，步骤如下： 1）选择MIPSsim的“文件”—>“载入程序”选项来加载 pipeline.s （在模拟器所在文件夹下的“样例程序”文件夹中）。 2）关闭定向功能。这是通过“配置”—>“定向”（使该项前面没 有√号）来实现的。 3）用单步执行一个周期的方式（在“执行”菜单中）或按F7键执 行该程序，观察每一个周期中，各段流水寄存器内容的变化、指令的执 行情况（“代码”窗口）以及时钟周期图。 4）当执行到第13个时钟周期时，各段分别正在处理的指令是：
[R3]=0x____________。 3. 实验要求
通过本实验应达到如下要求： (1) 对指令级模拟器有一定了解； (2) 能够熟练使用MIPSsim模拟器； (3) 理解MIPS指令系统及其特点，加深对MIPS指令操作语义的理 解。 4. 实验器材 (1) 实验平台采用指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim； (2) 计算机一台。
二、本课程实验应开设项目
所需主要设备型号、名
序号
实验项目名称
学时 类型 必做/选做
称
1
实验 一
2 验证性
必做 微机1台、 MIPSsim模拟
MIPS指令系统和MIPS体系
结构
器
2
实验 二 流水线及流水线 2 验证性
必做 微机1台、 MIPSsim模拟
中的冲突
器
3
实验 三 指令调度和延迟 2 验证性
必做 微机1台、 MIPSsim模拟
算机组成原理》,《操作系统》,《编译原理》 适用专业：计算机科学与技术（嵌入式本科）、网络工程（本科）、计算
机科学与技术（信息技术方向本科）
一、本课程实验的主要目的与任务
本课程实验的主要目的与任务是为了配合本课程更好的深入开展和 执行，通过让学生做一定数量的实验，提高学生从总体结构、系统分析 这一层次来研究和分析计算机系统的能力，帮助学生建立整机的概念； 使学生掌握计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构、基本设 计和分析方法，并对计算机系统结构的发展历史和现状有所了解。
式。
（3）参照使用说明，熟悉MIPSsim模拟器的操作和使用方法。
可以先载入一个样例程序（在本模拟器所在的文件夹下的“样例程
序”文件夹中），然后分别以
单步执行一条指令、执行多条指令、连续执行、设置断点等的方式运行
程序，观察程序的执行情况，观察CPU中寄存器和存储器的内容的变
化。
（4）选择“文件”->“载入程序”选项，加载样例程序
IF/ID.IR：________________________________ IF/ID.NPC：______________________________ ID/EX.A：________________________________ ID/EX.B：________________________________ ID/EX.Imm：______________________________ ID/EX.IR：________________________________ EX/MEM.ALUo：___________________________ EX/MEM.IR：______________________________ MEM/WB.LMD：___________________________ MEM/WB.ALUo：___________________________ MEM/WB.IR：______________________________ （7）观察和分析结构冲突对CPU性能的影响，步骤如下： 1）加载structure_hz.s（在模拟器所在文件夹下的“样例程序”文 件夹中）。 2）执行该程序，找出存在结构冲突的指令对以及导致结构冲突的部 件。 3）记录由结构冲突引起的停顿时钟周期数，计算停顿时钟周期数占 总执行周期数的百分比。 4）把浮点加法器的个数改为4个。 5）再次重复步骤①~③的工作。 6）分析结构冲突对CPU性能的影响，讨论解决结构冲突的方法。 （8）观察数据冲突并用定向技术来减少停顿，步骤如下： 1）全部复位。 2）加载data_hz.s（在模拟器所在的文件夹下的“样例程序”文件 夹中）。 3）关闭定向功能。这是通过“配置”->“定向”（是该项前面没 有√号）来实现的。 4）用单步执行一个周期的方式（F7）执行该程序，同时查看时钟
3) 单步执行一条指令。
4) 下一条指令地址为0x＿＿＿＿，是一条加法指令。
5) 单步执行一条指令。
6) 查看R3的值，[R3]= 0x＿＿＿＿。
7) 下一条指令地址为0x＿＿＿＿，是一条乘法指令。
8) 单步执行一条指令。
9) 查看LO、HI的值，[LO]=0x＿＿＿＿，[HI]= 0x＿＿＿＿。
（8）执行逻辑运算类指令。步骤如下：
实验2 流水线及流水线中的冲突
1. 实验目的 (1) 加深对计算机流水线基本概念的理解。 (2) 理解MIPS结构如何用5段流水线来实现，理解各段的功能和基 本操作。 (3) 加深对数据冲突、结构冲突的理解，理解这两类冲突对CPU性 能的影响。 (4) 进一步理解解决数据冲突的方法，掌握如何应用定向技术来 减少数据冲突引起的停顿。
期图，列出在什么时刻发生了RAW（先写后读）冲突，并与步骤3的结果 进行比较。
9）记录数据冲突引起的停顿时钟周期数以及程序执行的总时钟周期 数。计算采用定向技术后的性能是原来的几倍。 3. 实验要求
通过本实验应达到如下要求： (1) 能够加深对计算机流水线基本概念的理解。 (2) 能够理解MIPS结构如何用5段流水线来实现，理解各段的功能和 基本操作。 (3) 进一步加深对数据冲突、结构冲突的理解，理解这两类冲突对 CPU性能的影响。 (4) 进一步理解解决数据冲突的方法和如何应用定向技术来减少数 据冲突引起的停顿。 4. 实验器材
分支
器
4
实验 四 Cache 性能分析 2 验证性
必做 微机1台、 MyCache模拟
器
注：1、类型---指验证性、综合性、设计性；2、该表格不够可拓展。
三、各实验项目主要实验内容和基本要求
实验 1 MIPS指令系统和MIPS体系结构
1. 实验目的
(1) 了解和熟悉指令级模拟器；
(2) 熟练掌握MIPSsim模拟器的操作和使用方法；
周期图，列出在什么时刻发生了RAW（先写后读）冲突。 5）记录数据冲突引起的停顿时钟周期数以及程序执行的总时钟周期
数，计算停顿时钟周期数占总执行周期数的百分比。 6）复位CPU 。 7）打开定向功能。这是通过“配置”->“定向”（是该项前面有√
号）来实现的。 8）用单步执行一个周期的方式（F7）执行该程序，同时查看时钟周
。
11）单步执行1条指令。
12）下一条指令地址为0X
，是一条保存
（字
节，半字，字）指令。
13）单步执行一条指令（F5）。
14）查看内存BUFFER处字的值，值为0X
。
（7）执行算术运算类指令。步骤如下：
1) 双击“寄存器”窗口中的R1，将其值修改为2。
2) 双击“寄存器”窗口中的R2，将其值修改为3。
1）双击“寄存器”窗口中的R1，将其值修改为0XFFFF0000。
2）双击“寄存器”窗口中的R1，将其值修改为0XFFFF0000。
3）单步执行一条指令。 4）下一条指令地址为0x＿＿＿＿，是一条逻辑与运算指令，第二 个操作数寻址方式是＿＿＿＿＿（寄存器直接寻址，立即数寻 址）。 5）单步执行一条指令。 6）查看R3的值，[R3]= 0x＿＿＿＿。 7）下一条指令地址为0x＿＿＿＿，是一条逻辑或指令，第二个操 作数寻址方式是＿＿＿＿＿（寄存器直接寻址，立即数寻址）。 8）单步执行一条指令。 9）查看R3的值，[R3]= 0x＿＿＿＿。 （9）执行控制转移类指令。步骤如下： 1）双击“寄存器”窗口中R1，将其值修改为2。 2）双击“寄存器”窗口中R2，将其值修改为2。 3）单步执行一条指令。 4）下一条指令地址为0x__________，是一条BEQ指令,其测试条件 是__________，目标地址为0x__________。 5) 单步执行1条指令。 6) 查看PC的值，[PC]=0x__________，表明分支__________（成 功，失败）。 7) 一条指令是一条BGEZ指令，其测试条件是__________，目标地 址为0x__________。 8) 单步执行1条指令。 9) 查看PC的值，[PC]=0x__________，表明分支__________（成 功，失败）。 10) 下一条指令是一条BGEZAL指令，其测试条件是__________，目 标地址为0x__________。 11) 单步执行1条指令。 12) 查看PC的值，[PC]=0x__________，表明分支__________（成
[注：同一门实验课程若对不同专业开设的实验项目、实验要求不同，则大纲应不同，区分 可采用题目后加（Ⅰ）、（Ⅱ）、（Ⅲ）……的办法]
编 号： 课程总学时： 54 实验学时：8 课程总学分： 3 实验学分：（非单独设课的实验不用填此项） 先修课程：《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《数字逻辑》、《计
(3) 熟悉MIPS指令系统及其特点，加深对MIPS指令操作语义的理
解；
(4) 熟悉MIPS体系结构。
2. 实验内容
首先要阅读MIPSsim模拟器的使用方法，然后了解MIPSsim的指令系
统和汇编语言。
（1）启动MIPSsim（用鼠标双击MIPSsim.exe）。
（2）选择“配置”->“流水方式”选项，使模拟器工作在非流水方
(1) 实验平台采用指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim； (2) 计算机一台。
alltest.asm，然后查看“代码”窗口，查看程序所在的位置（起始地
址为0x00000100）。
（5）查看“寄存器”窗口PC寄存器的值：[PC]=0X
。
（6）执行load和store指令，步骤如下：
1）单步执行一条指令（F7）。
2）下一条指令地址为=0X
，是一条
（有，
无）符号载入
（字节，半字，字）指令。
功，失败）；查看R31的值，[R31]=0x_______________。 13) 单步执行1条指令。 14）查看R1的值，[R1]=0x_______________。 15）下一条指令地址为0x__________，是一条JALR指令，保存目标
地址的寄存器为R______，保存返回地址的目标寄存器为R______。 16）单步执行1条指令。 17）查看PC和R3的值，[PC]=0x_____ __，
3）单步执行一条指令（F5）。
4）查看R1的值，[R1]=0X
。
5）下一条指令地址为0X
，是一条
（有，无）
符号载入
（字节，半字，字）指令。
ห้องสมุดไป่ตู้
6）单步执行1条指令。
7）查看R1的值，[R1]=0X
。
8）下一条指令地址为，是一条
（有，无）符号载入
（字节，半字，字）指令。
9）单步执行1条指令。
10）查看R1的值，[R1]= 0X
IF：________________________________ ID：________________________________ EX：________________________________ MEM：______________________________ WB：________________________________ 画出这时的时钟周期图。 （6）这时各流水寄存器中的内容为：
2. 实验内容 首先要掌握MIPSsim模拟器的使用方法。
（1）启动MIPSsim。 （2）根据预备知识中关于流水线各段操作的描述，进一步理解流水 线窗口中各段的功能，掌握各流水寄存器的含义。（用鼠标双击各段， 就可以看到各流水寄存器的内容） （3）参照MIPSsim模拟器使用说明，熟悉MIPSsim模拟器的操作和使 用方法。 可以先载入一个样例程序（在本模拟器所在的文件夹下的“样例程 序”文件夹中）。然后分别以单步执行一条周期、执行多个周期、连续 执行、设置断点等的方式运行程序，观察程序的执行情况，观察CPU中 寄存器和存储器的内容的变化，特别是流水寄存器内容的变化。 （4）选择配置菜单中的“流水方式”选项，使模拟器工作于流水方 式下。 （5）观察程序在流水线中的执行情况，步骤如下： 1）选择MIPSsim的“文件”—>“载入程序”选项来加载 pipeline.s （在模拟器所在文件夹下的“样例程序”文件夹中）。 2）关闭定向功能。这是通过“配置”—>“定向”（使该项前面没 有√号）来实现的。 3）用单步执行一个周期的方式（在“执行”菜单中）或按F7键执 行该程序，观察每一个周期中，各段流水寄存器内容的变化、指令的执 行情况（“代码”窗口）以及时钟周期图。 4）当执行到第13个时钟周期时，各段分别正在处理的指令是：
[R3]=0x____________。 3. 实验要求
通过本实验应达到如下要求： (1) 对指令级模拟器有一定了解； (2) 能够熟练使用MIPSsim模拟器； (3) 理解MIPS指令系统及其特点，加深对MIPS指令操作语义的理 解。 4. 实验器材 (1) 实验平台采用指令级和流水线操作级模拟器MIPSsim； (2) 计算机一台。
二、本课程实验应开设项目
所需主要设备型号、名
序号
实验项目名称
学时 类型 必做/选做
称
1
实验 一
2 验证性
必做 微机1台、 MIPSsim模拟
MIPS指令系统和MIPS体系
结构
器
2
实验 二 流水线及流水线 2 验证性
必做 微机1台、 MIPSsim模拟
中的冲突
器
3
实验 三 指令调度和延迟 2 验证性
必做 微机1台、 MIPSsim模拟
算机组成原理》,《操作系统》,《编译原理》 适用专业：计算机科学与技术（嵌入式本科）、网络工程（本科）、计算
机科学与技术（信息技术方向本科）
一、本课程实验的主要目的与任务
本课程实验的主要目的与任务是为了配合本课程更好的深入开展和 执行，通过让学生做一定数量的实验，提高学生从总体结构、系统分析 这一层次来研究和分析计算机系统的能力，帮助学生建立整机的概念； 使学生掌握计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构、基本设 计和分析方法，并对计算机系统结构的发展历史和现状有所了解。
式。
（3）参照使用说明，熟悉MIPSsim模拟器的操作和使用方法。
可以先载入一个样例程序（在本模拟器所在的文件夹下的“样例程
序”文件夹中），然后分别以
单步执行一条指令、执行多条指令、连续执行、设置断点等的方式运行
程序，观察程序的执行情况，观察CPU中寄存器和存储器的内容的变
化。
（4）选择“文件”->“载入程序”选项，加载样例程序
IF/ID.IR：________________________________ IF/ID.NPC：______________________________ ID/EX.A：________________________________ ID/EX.B：________________________________ ID/EX.Imm：______________________________ ID/EX.IR：________________________________ EX/MEM.ALUo：___________________________ EX/MEM.IR：______________________________ MEM/WB.LMD：___________________________ MEM/WB.ALUo：___________________________ MEM/WB.IR：______________________________ （7）观察和分析结构冲突对CPU性能的影响，步骤如下： 1）加载structure_hz.s（在模拟器所在文件夹下的“样例程序”文 件夹中）。 2）执行该程序，找出存在结构冲突的指令对以及导致结构冲突的部 件。 3）记录由结构冲突引起的停顿时钟周期数，计算停顿时钟周期数占 总执行周期数的百分比。 4）把浮点加法器的个数改为4个。 5）再次重复步骤①~③的工作。 6）分析结构冲突对CPU性能的影响，讨论解决结构冲突的方法。 （8）观察数据冲突并用定向技术来减少停顿，步骤如下： 1）全部复位。 2）加载data_hz.s（在模拟器所在的文件夹下的“样例程序”文件 夹中）。 3）关闭定向功能。这是通过“配置”->“定向”（是该项前面没 有√号）来实现的。 4）用单步执行一个周期的方式（F7）执行该程序，同时查看时钟
3) 单步执行一条指令。
4) 下一条指令地址为0x＿＿＿＿，是一条加法指令。
5) 单步执行一条指令。
6) 查看R3的值，[R3]= 0x＿＿＿＿。
7) 下一条指令地址为0x＿＿＿＿，是一条乘法指令。
8) 单步执行一条指令。
9) 查看LO、HI的值，[LO]=0x＿＿＿＿，[HI]= 0x＿＿＿＿。
（8）执行逻辑运算类指令。步骤如下：
实验2 流水线及流水线中的冲突
1. 实验目的 (1) 加深对计算机流水线基本概念的理解。 (2) 理解MIPS结构如何用5段流水线来实现，理解各段的功能和基 本操作。 (3) 加深对数据冲突、结构冲突的理解，理解这两类冲突对CPU性 能的影响。 (4) 进一步理解解决数据冲突的方法，掌握如何应用定向技术来 减少数据冲突引起的停顿。
期图，列出在什么时刻发生了RAW（先写后读）冲突，并与步骤3的结果 进行比较。
9）记录数据冲突引起的停顿时钟周期数以及程序执行的总时钟周期 数。计算采用定向技术后的性能是原来的几倍。 3. 实验要求
通过本实验应达到如下要求： (1) 能够加深对计算机流水线基本概念的理解。 (2) 能够理解MIPS结构如何用5段流水线来实现，理解各段的功能和 基本操作。 (3) 进一步加深对数据冲突、结构冲突的理解，理解这两类冲突对 CPU性能的影响。 (4) 进一步理解解决数据冲突的方法和如何应用定向技术来减少数 据冲突引起的停顿。 4. 实验器材
分支
器
4
实验 四 Cache 性能分析 2 验证性
必做 微机1台、 MyCache模拟
器
注：1、类型---指验证性、综合性、设计性；2、该表格不够可拓展。
三、各实验项目主要实验内容和基本要求
实验 1 MIPS指令系统和MIPS体系结构
1. 实验目的
(1) 了解和熟悉指令级模拟器；
(2) 熟练掌握MIPSsim模拟器的操作和使用方法；
周期图，列出在什么时刻发生了RAW（先写后读）冲突。 5）记录数据冲突引起的停顿时钟周期数以及程序执行的总时钟周期
数，计算停顿时钟周期数占总执行周期数的百分比。 6）复位CPU 。 7）打开定向功能。这是通过“配置”->“定向”（是该项前面有√
号）来实现的。 8）用单步执行一个周期的方式（F7）执行该程序，同时查看时钟周
。
11）单步执行1条指令。
12）下一条指令地址为0X
，是一条保存
（字
节，半字，字）指令。
13）单步执行一条指令（F5）。
14）查看内存BUFFER处字的值，值为0X
。
（7）执行算术运算类指令。步骤如下：
1) 双击“寄存器”窗口中的R1，将其值修改为2。
2) 双击“寄存器”窗口中的R2，将其值修改为3。
1）双击“寄存器”窗口中的R1，将其值修改为0XFFFF0000。
2）双击“寄存器”窗口中的R1，将其值修改为0XFFFF0000。
3）单步执行一条指令。 4）下一条指令地址为0x＿＿＿＿，是一条逻辑与运算指令，第二 个操作数寻址方式是＿＿＿＿＿（寄存器直接寻址，立即数寻 址）。 5）单步执行一条指令。 6）查看R3的值，[R3]= 0x＿＿＿＿。 7）下一条指令地址为0x＿＿＿＿，是一条逻辑或指令，第二个操 作数寻址方式是＿＿＿＿＿（寄存器直接寻址，立即数寻址）。 8）单步执行一条指令。 9）查看R3的值，[R3]= 0x＿＿＿＿。 （9）执行控制转移类指令。步骤如下： 1）双击“寄存器”窗口中R1，将其值修改为2。 2）双击“寄存器”窗口中R2，将其值修改为2。 3）单步执行一条指令。 4）下一条指令地址为0x__________，是一条BEQ指令,其测试条件 是__________，目标地址为0x__________。 5) 单步执行1条指令。 6) 查看PC的值，[PC]=0x__________，表明分支__________（成 功，失败）。 7) 一条指令是一条BGEZ指令，其测试条件是__________，目标地 址为0x__________。 8) 单步执行1条指令。 9) 查看PC的值，[PC]=0x__________，表明分支__________（成 功，失败）。 10) 下一条指令是一条BGEZAL指令，其测试条件是__________，目 标地址为0x__________。 11) 单步执行1条指令。 12) 查看PC的值，[PC]=0x__________，表明分支__________（成