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“計(jì)算機(jī)組成原理”是一門理論性、工程性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的專業(yè)核心基礎(chǔ)課程，其實(shí)踐教學(xué)對理論教學(xué)具有強(qiáng)支撐作用，是強(qiáng)化讀者計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力、分析與解決復(fù)雜工程問題能力的重要途徑。作者本著“理論與實(shí)踐一體化、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)系統(tǒng)化、實(shí)驗(yàn)平臺虛擬化、課程實(shí)驗(yàn)在線化、實(shí)驗(yàn)過程游戲化”的原則，歷經(jīng)十年持續(xù)的實(shí)踐教學(xué)改革，開發(fā)了一系列原創(chuàng)的硬件在線仿真實(shí)驗(yàn)，建立了立足計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、逐層遞進(jìn)、以設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)為主導(dǎo)的實(shí)踐教學(xué)體系。本書站在硬件工程師的視角，從邏輯門電路開始逐步設(shè)計(jì)運(yùn)算器、存儲器、數(shù)據(jù)通路和控制器、沖突冒險(xiǎn)與中斷異常處理機(jī)制，直至完整的RISC-V流水CPU，旨在幫助讀者深入理解計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)。本書可作為高等學(xué)校計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)“計(jì)算機(jī)組成原理”課程的配套實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)用書和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的參考書，也可供相關(guān)專業(yè)工程技術(shù)人員參考。

（1）理論實(shí)踐一體化：相關(guān)實(shí)驗(yàn)緊扣理論教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)，課程內(nèi)容覆蓋率90%以上，有助于構(gòu)建理論課堂中教學(xué)師生的共同語境，為翻轉(zhuǎn)課堂提供豐富的教學(xué)素材，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大多處于布魯姆認(rèn)知分類法中的運(yùn)用、分析、綜合、評價(jià)四個(gè)層次，學(xué)生完成系列實(shí)驗(yàn)，對相關(guān)知識的掌握更透徹，為理論教學(xué)提供了強(qiáng)支撐。（2）實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)系統(tǒng)化：實(shí)驗(yàn)圍繞計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)能力培養(yǎng)目標(biāo)，讓學(xué)生站在硬件工程師的視角，從邏輯門電路開始逐步設(shè)計(jì)運(yùn)算部件，存儲器、數(shù)據(jù)通路和控制器、沖突冒險(xiǎn)與中斷異常處理機(jī)制直至完整的流水CPU來深入理解計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)，將系統(tǒng)能力培養(yǎng)的復(fù)雜工程問題---CPU設(shè)計(jì)的高挑戰(zhàn)度任務(wù)分解成若干難度遞進(jìn)的子任務(wù)和單元實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生實(shí)踐中不斷提升計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力。（3）實(shí)驗(yàn)平臺虛擬化：實(shí)驗(yàn)采用跨平臺開源的Logisim虛擬仿真平臺，該平臺簡單易學(xué)，易調(diào)試、無需任何硬件平臺即可開展實(shí)驗(yàn)，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對空間和時(shí)間的要求。加州大學(xué)伯克利分校CS61C、康奈爾大學(xué)CS3410課程均采用了該平臺。采用分離數(shù)字電路對象構(gòu)建原理圖的方式進(jìn)行CPU系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真，有效延續(xù)了數(shù)字邏輯課程的設(shè)計(jì)方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生硬件設(shè)計(jì)思維。無需額外開設(shè)硬件描述語言類先導(dǎo)課程，有效回避了硬件描述語言過于抽象、硬件設(shè)計(jì)程序化、學(xué)習(xí)周期長的問題。（4）課程實(shí)驗(yàn)在線化。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)全部上線EduCoder頭哥在線實(shí)訓(xùn)平臺面向全國開放，結(jié)合EduCoder平臺的SPOC課堂，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)自動測試，自動檢查，自動評分，學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程教師全程輕松管控，可一鍵到處實(shí)驗(yàn)成績，大大降低了教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作強(qiáng)度，有效解決了硬件實(shí)驗(yàn)難，檢查難、指導(dǎo)難的困局。（5）實(shí)驗(yàn)過程游戲化：借鑒游戲闖關(guān)的設(shè)計(jì)理念，將高挑戰(zhàn)度的CPU設(shè)計(jì)任務(wù)細(xì)分成若干可明確檢查的學(xué)習(xí)關(guān)卡。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和難度逐漸遞進(jìn)，通過各階段成果實(shí)時(shí)得分增強(qiáng)學(xué)習(xí)的及時(shí)反饋，提升學(xué)習(xí)趣味性；為學(xué)生提供豐富的測試用例以及自動檢測工具等學(xué)習(xí)裝備，讓學(xué)生的較短時(shí)間內(nèi)體驗(yàn)更多的設(shè)計(jì)內(nèi)容；實(shí)驗(yàn)完成率高，學(xué)生獲得感、成就感強(qiáng)，被學(xué)生評價(jià)為“這是一門讓人手癢的實(shí)踐課程”。

第 1章數(shù)據(jù)表示實(shí)驗(yàn) 1.1　漢字編碼實(shí)驗(yàn)　1 1.1.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 1.1.2　實(shí)驗(yàn)原理　1 1.1.3　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　2 1.1.4　實(shí)驗(yàn)思考　4 1.2　奇偶校驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　4 1.2.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 1.2.2　實(shí)驗(yàn)原理　4 1.2.3　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　5 1.2.4　實(shí)驗(yàn)思考　6 1.3　磁盤陣列條帶校驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　6 1.3.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 1.3.2　實(shí)驗(yàn)原理　6 1.3.3　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　8 1.3.4　實(shí)驗(yàn)思考　9 1.4　海明校驗(yàn)碼設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　9 1.4.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 1.4.2　實(shí)驗(yàn)原理　9 1.4.3　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　10 1.4.4　實(shí)驗(yàn)思考　12 1.5　CRC 校驗(yàn)碼設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　12 1.5.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?2 1.5.2　實(shí)驗(yàn)原理　12 1.5.3　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　13 1.5.4　實(shí)驗(yàn)思考　15 1.6　編碼流水傳輸設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　15 1.6.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?5 1.6.2　實(shí)驗(yàn)原理　15 1.6.3　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　15 1.6.4　實(shí)驗(yàn)思考　16 第　2章運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)　17 2.1　可控加減法電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　17 2.1.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?7 2.1.2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　17 2.1.3　實(shí)驗(yàn)思考　18 2.2　4 位快速加法器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　18 2.2.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?8 2.2.2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　18 2.2.3　實(shí)驗(yàn)思考　19 2.3　多位快速加法器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　19 2.3.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?9 2.3.2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　20 2.3.3　實(shí)驗(yàn)思考　21 2.4　32 位 ALU 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　21 2.4.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?1 2.4.2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　22 2.4.3　實(shí)驗(yàn)思考　23 2.5　陣列乘法器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　23 2.5.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?3 2.5.2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　24 2.5.3　實(shí)驗(yàn)思考　25 2.6　原碼一位乘法器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　25 2.6.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?5 2.6.2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　26 2.6.3　實(shí)驗(yàn)思考　27 2.7　補(bǔ)碼一位乘法器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　27 2.7.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?7 2.7.2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　27 2.7.3　實(shí)驗(yàn)思考　29 2.8　乘法流水線設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　29 2.8.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?9 2.8.2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　29 2.8.3　實(shí)驗(yàn)思考　30 第3章存儲系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)　41 3.1　RAM組件實(shí)驗(yàn)　41 3.1.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?1 3.1.2　實(shí)驗(yàn)原理　41 3.1.3　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　42 3.1.4　實(shí)驗(yàn)思考　42 3.2　存儲器擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)　42 3.2.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?2 3.2.2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　42 3.2.3　實(shí)驗(yàn)思考　44 3.3　存儲子系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　44 3.3.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?4 3.3.2　實(shí)驗(yàn)原理　44 3.3.3　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　45 3.3.4　實(shí)驗(yàn)思考　48 3.4　寄存器文件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　48 3.4.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?8 3.4.2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　48 3.4.3　實(shí)驗(yàn)思考　50 3.5　cache硬件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　50 3.5.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?0 3.5.2　實(shí)驗(yàn)原理　50 3.5.3　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　51 3.5.4　實(shí)驗(yàn)思考　53 3.6　cache軟件仿真實(shí)驗(yàn)　54 3.6.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?4 3.6.2　實(shí)驗(yàn)原理　54 3.6.3　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　55 3.7　cache性能分析實(shí)驗(yàn)　55 3.7.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)　55 3.7.2　實(shí)驗(yàn)原理　56 3.7.3　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　56 3.8　虛擬存儲器仿真實(shí)驗(yàn)　60 3.8.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?0 3.8.2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　60 第4章RISC-V匯編程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　62 4.1　RISC-V體系結(jié)構(gòu)　62 4.1.1　RISC-V通用寄存器　62 4.1.2　RISC-V浮點(diǎn)寄存器　63 4.1.3　RISC-V控制狀態(tài)寄存器　64 4.2　RISC-V指令集　65 4.2.1　功能描述符號　65 4.2.2　指令格式　65 4.2.3　R型指令　66 4.2.4　I型指令　67 4.2.5　S型指令　68 4.2.6　B型指令　68 4.2.7　U型指令　69 4.2.7　J型指令　70 4.2.6　RISC-V尋址方式　70 4.2.7　RISC-V數(shù)據(jù)類型　71 4.3　RISC-V匯編入門　71 4.3.1　程序結(jié)構(gòu)　71 4.3.2　數(shù)據(jù)聲明　72 4.3.3　RISC-V訪存指令　73 4.3.4　匯編尋址方式　74 4.3.5　算術(shù)運(yùn)算指令　75 4.3.6　程序控制指令　75 4.3.7　RISC-V偽指令　76 4.3.8　系統(tǒng)調(diào)用與輸入/輸出　77 4.4　RISC-V編程進(jìn)階　78 4.4.1　運(yùn)算語句　78 4.4.2　數(shù)組訪問　78 4.4.3　條件分支結(jié)構(gòu)　78 4.4.4　do while循環(huán)結(jié)構(gòu)　79 4.4.5　while循環(huán)結(jié)構(gòu)　79 4.4.6　for循環(huán)結(jié)構(gòu)　79 4.4.7　過程調(diào)用　80 4.5　RISC-V程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　81 4.5.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?1 4.5.2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　82 第5章RISC-V處理器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　86 5.1　單總線三級時(shí)序CPU設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　86 5.1.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?6 5.1.2　實(shí)驗(yàn)原理　86 5.1.3　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　88 5.1.4　實(shí)驗(yàn)思考　94 5.2　單總線現(xiàn)代時(shí)序CPU設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　94 5.2.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?4 5.2.2　實(shí)驗(yàn)原理　94 5.2.3　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　95 5.2.4　實(shí)驗(yàn)思考　100 5.3　單周期RISC-V處理器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　101 5.3.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?01 5.3.2　實(shí)驗(yàn)原理　101 5.3.3　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　101 5.3.4　注意事項(xiàng)　108 5.3.5　實(shí)驗(yàn)思考　111 第6章指令流水線設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　112 6.1　理想流水線CPU設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　112 6.1.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?12 6.1.2　實(shí)驗(yàn)原理　112 6.1.3　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　113 6.1.4　實(shí)驗(yàn)步驟　114 6.1.5　注意事項(xiàng)　115 6.1.6　實(shí)驗(yàn)思考　116 6.2　氣泡流水線CPU設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　116 6.2.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?16 6.2.2　實(shí)驗(yàn)原理　116 6.2.3　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　117 6.2.4　實(shí)驗(yàn)測試　119 6.2.5　實(shí)驗(yàn)思考　121 6.3　重定向流水線CPU設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　121 6.3.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?21 6.3.2　實(shí)驗(yàn)原理　121 6.3.3　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　123 6.3.4　實(shí)驗(yàn)思考　124 6.4　動態(tài)分支預(yù)測機(jī)制設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　124 6.4.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?24 6.4.2　實(shí)驗(yàn)原理　124 6.4.3　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　125 6.4.4　實(shí)驗(yàn)思考　127 第7章輸入/輸出系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)　128 7.1　程序查詢控制方式編程實(shí)驗(yàn)　128 7.1.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?28 7.1.2　實(shí)驗(yàn)原理　128 7.1.3　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　129 7.2　中斷服務(wù)程序編程實(shí)驗(yàn)　130 7.2.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?30 7.2.2　實(shí)驗(yàn)原理　130 7.2.3　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　130 7.3　三級時(shí)序中斷機(jī)制設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　131 7.3.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?31 7.3.2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　131 7.3.3　實(shí)驗(yàn)思考　135 7.4　現(xiàn)代時(shí)序中斷機(jī)制設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　135 7.4.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?35 7.4.2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　135 7.4.3　實(shí)驗(yàn)思考　141 7.5　單周期RISC-V單級中斷機(jī)制設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　141 7.5.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?41 7.5.2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　141 7.5.3　實(shí)驗(yàn)步驟　142 7.5.4　實(shí)驗(yàn)思考　143 7.6　單周期RISC-V多重中斷機(jī)制設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　145 7.6.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?45 7.6.2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　145 7.6.3　實(shí)驗(yàn)步驟　145 7.6.4　實(shí)驗(yàn)思考　146 7.7　流水中斷機(jī)制設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)　146 7.7.1　實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?46 7.7.2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容　146 7.7.3　實(shí)驗(yàn)思考　147 第8章實(shí)驗(yàn)平臺與常見問題　148 8.1　Logisim軟件介紹　148 8.2　Logisim常見問題　149 8.3　頭歌平臺介紹　154 8.4　頭歌平臺常見問題　155 8.5　RARS仿真器介紹　158 8.5.1　RARS集成開發(fā)環(huán)境　159 8.5.2　交互式調(diào)試功能　162 參考文獻(xiàn)　163

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