计算机组成与体系结构实验教学大纲.docx

计算机组成与体系结构实验教学大纲一、课程概况所属专业：计算机科学与技术开课单位：数学及计算机科学学院课程类型：专业实验课程课程代码：07412280开课学期：3学分：1学时：32核心课程：否拟使用教材：自编教材。国内（外）现有教材：1左冬红.计算机组成原理与接口技术一一基于MIPS架构实验教程.北京： 清华大学出版社.2014.82 Ulrich Golze,田泽等译.大型RISC处理器设计一一用描述语言 Verilog设计VLSI芯片.北京：北京航空航天大学出版社.2005.13李亚民.计算机原理与设计一一VerilogHDL版.北京：清华大学出版社. 2011.64包健.计算机组成原理与系统结构实验指导书.北京：高等教育出版 社.2010.1学习参考资料1 Samir Palnitkar（l）,夏宇闻（译）.Verilog HDL数字设计与综合（第二版）. 北京：电子工业出版社.2009.72 M. Morris Mano（著），Charles R. Kime（著），广B继顺（译）.逻辑与计算机设计 基础.北京：机械工业出版社.2012.43姜咏江.自己设计制作CPU与单片机.北京：人民邮电出版社.2014.9二、课程描述以数字逻辑实验课程为基础，通过本课程学习，培养学生分析和解决实 际问题的能力，学生将学习计算机组成与体系结构实验基本原理和方法，使用 Verilog HDL Xilinx Vivido 等 EDA 工具软件、Xilinx Artix FPGA,形成基本的 实验设计与操作技能（如运算器设计、控制器设计等，并进行仿真和测试等）， 训练计算机各组成部件及计算机硬件系统的设计、仿真、分析、综合、下载、测 试等环节操作的方法，验证计算机组成与体系结构课程的基本概念、基本结构、 基本工作原理，对组成计算机的各个部件的功能和工作过程、以及部件间的连接, 有较全面、较系统地认识，形成较完整的计算机组成与工作原理模型。三、课程目标通过课程学习与实验，以MIPS指令系统为基础，使学生能够熟练运用和操 纵 Verilog HDL、Xilinx Vivido 等 EDA 工具软件、Xilinx Artix FPGA,学会设计 计算机组成与体系结构实验的基本思路与方法，具备基本的实验设计和操作技 能，完成运算器、存储器、控制器等计算机组成部件及计算机硬件系统的设计、 仿真、分析、综合、下载、测试，理解计算机组成与体系结构的基本原理，形成 严谨、求实、创新的科学态度以及发现和解决问题的能力，掌握撰写计算机科学 与技术专业实验报告的基本方法。本课程是一门实践性很强的课程，通过实验课 的学习和锻炼，不但使学生硬件的动手能力得到初步训练，而且可以建立一个完 整的计算机整机概念。四、教学要求本课程由运算器等16组实验构成，分为演示、验证、综合、设计性等类型, 在做每个实验之前，教师要对本次实验的内容和要求进行讲解，将题目布置给学 生，以便让学生对本次实验相关内容进行预习。在实验进行中，授课教师对学生 进行实验辅导，并按照不同类型实验要求，做好实验准备工作，指导学生做好实 验方案设计、实验报告撰写等工作。学生应熟悉实验室管理相关规章制度，遵守实验操作要求，规范使用实验仪 器设备。积极做好实验准备工作，预习实验指导书中实验原理、做好实验设计等; 实验分为23人一组，协作完成，实验过程中认真设计、记录，及时发现并解决 问题；实验结束后认真完成实验报告撰写。五、考核方式及要求本门课程采用过程性考核和期末考核结合的方式进行考核。过程性考核占总 成绩70%,用于考察学生参与实验课程教学的行为表现、实验操作情况，其中： 考勤占10%,随机点到，每人不少于3次，其中无故缺席1次，按无考勤成绩计 算；平时实验操作16次，占50%；平时实验报告12次，占40%。期末考核占 总成绩30%,根据实验设计、流程安排、实验结果、实验报告进行评分，为综合 实验考查。六、课程内容实验一：Xilinx Vivado建模与仿真工具使用（授课时间：第三学期第一周）教学目标：学习Xilinx Vivado软件的使用；掌握Xilinx Vivado建模与仿真技术; 了 解 Verilog HDL。主要内容：安装Xilinx Vivado；建立工程，编辑工程文件，进行编译、仿真，查 看波形，进行分析和综合。学 时：2学时。教学方法：演示法/讲授/现场指导。实验类型：演示性实验。实验二：Verilog HDL模块化设计（授课时间：第三学期第二周）教学目标：掌握Verilog HDL的模块化设计方法；掌握Verilog HDL的模块端口 关联方法；掌握Verilog HDL的模块在的仿真和综合方法。主要内容：利用Verilog HDL的模块化设计方法描述、仿真、分析和综合全加器、 串行进位加法器等Verilog HDL模块。学 时：2学时。教学方法：演示法/讲授/现场指导。实验类型：演示性实验、验证性实验。实验三：Verilog HDL建模方法（授课时间：第三学期第三周）教学目标：掌握Verilog HDL的结构化、数据流和行为建模方法。主要内容：通过三人表决器实例演示学习Verilog HDL的结构化建模方法和验证 技术，对并行加法器/减法器建模和验证。通过双控开关控制逻辑电 路实例演示学习Verilog HDL数据流建模方法和验证技术，对4位数 值比拟器建模与仿真、3-8译码器、4-1多路选择器建模和验证。通过 举重裁判表决电路实例演示学习Verilog HDL的行为建模方法和验证 技术，对共阳极七段发光二极管的二一十进制译码器建模和验证。学 时：2学时。教学方法：演示法/讲授/现场指导。实验类型：演示性实验、验证性实验。实验四：定点加减法实现（授课时间：第三学期第四周）教学目标：掌握定点加法器的建模方法和验证技术，实现定点加法和减法运算。主要内容：利用Verilog HDL对4位超前进位加法器、32位加法器、32位定点 补码加法器建模与验证。学 时：2学时。教学方法：讲授/现场指导。实验类型：验证性实验。实验五：定点乘法实现（授课时间：第三学期第五周）教学目标：掌握定点乘法器的建模方法和验证技术，实现定点乘法运算。主要内容：利用Verilog HDL对定点原码一位乘法器和定点补码一位乘法器建模 与验证。对定点原码两位乘法器和定点补码两位乘法器建模与验证。对4位阵列乘法器和Wallace树型乘法器建模与验证。学 时：2学时。教学方法：讲授/现场指导。实验类型：验证性实验。实验六：定点除法实现（授课时间：第三学期第六周）教学目标：掌握定点触发器的建模方法和验证技术，实现定点除法运算。主要内容:利用Verilog HDL对恢复余数除法器和不恢复余数除法器建模与验证。 对带符号不恢复余数除法器建模与验证。对Goldschmidt除法和 Newton-Raphson除法建模与验证。学 时：2学时。教学方法：讲授/现场指导。实验类型：验证性实验。实验七：ALU设计（授课时间：第三学期第七周）教学目标：掌握SN74181的建模方法与验证技术。掌握16和32位ALU的建模 与验证技术。主要内容：利用Verilog HDL对SN74181建模与验证，16和32位ALU的建模 与验证。学 时：2学时。教学方法：演示法/讲授/现场指导。实验类型：设计性实验。实验八：寄存器设计（授课时间：第三学期第八周）教学目标：掌握寄存器的建模方法与验证技术。掌握寄存器组的建模与验证技术。 主要内容：利用Verilog HDL对指令寄存器、指令计数器、数据缓冲器等专用寄 存器建模与验证。利用Verilog HDL对寄存器组（通用寄存器）建模 与验证。学 时：2学时。教学方法：讲授/现场指导。实验类型：验证性实验。实验九：RAM和ROM设计（授课时间：第三学期第九周）教学目标：掌握RAM和ROM的建模方法和验证技术，掌握RAM和ROM容 量扩充方法。主要内容：利用Verilog HDL对RAM的建模与验证；ROM建模与验证；RAM 容量扩充；ROM容量扩充。学 时：2学时。教学方法：演示法/讲授/现场指导。实验类型：设计性实验。实验十：Cache设计（授课时间：第三学期第十周）教学目标：掌握Cache的建模方法和验证技术。主要内容：利用Verilog HDL对Cache建模与验证。学 时：2学时。教学方法：讲授/现场指导。实验类型：设计性实验。实验十一：MIPS汇编程序调试（授课时间：第三学期第十一周）教学目标：了解MIPS指令系统；掌握MIPS汇编程序调试方法。主要内容：安装并配置Marso利用MIPS编制汇编程序。利用Mars调试MIPS 汇编程序。学时： 2学时。教学方法：演示法/讲授/现场指导。实验类型：演示性实验。实验十二：简单MIPS微处理器设计（授课时间：第三学期第十二周）教学目标：理解MIPS微处理器工作原理；理解MIPS微处理器设计工程化设计 方法。主要内容：设计一个MIPS微处理器，支持addu、subu ori、lw、sw beq jal 等指令。在设计好的MIPS微处理器上执行一段程序，验证程序执行 结果。学 时：2学时。教学方法：演示法/讲授/现场指导。实验类型：综合性实验。实验十三：中规模MIPS微处理器设计（授课时间：第三学期第十三周）教学目标：理解MIPS微处理器工作原理；掌握MIPS微处理器设计工程化设计 方法。主要内容：设计一个MIPS微处理器，支持无符号和有符号运算类指令（不含乘 除）、数据传送类指令和程序控制类指令。学 时：2学时。教学方法：讲授/现场指导。实验类型：综合性实验。实验十四：大规模MIPS微处理器设计（授课时间：第三学期第十四周）教学目标：理解MIPS微处理器工作原理；掌握MIPS微处理器设计工程化设计方法。主要内容：设计一个MIPS微处理器，支持无符号和有符号运算类指令（含乘除）、 数据传送类指令、程序控制类指令、条件设置指令。学 时：2学时。教学方法：讲授/现场指导。实验类型：综合性实验。实验十五：微程序控制器设计（授课时间：第三学期第十五周）教学目标：理解微程序控制器工作原理；掌握微程序控制器设计方法。主要内容：编写几条可以连续运行的微代码，熟悉微代码设计方式，深入弄懂计 算机各种指令的设计和执行过程，掌握微程序设计的概念。定义五条 机器指令，编写相应微程序，弄懂微程序控制器是如何控制模型机运 行的，掌握整机动态工作过程。采用七条简单机器指令（含输入、输 出、移位、加法、转移等），综合运用所学知识，设计并实现较完整 的实验计算机，并进行测试。学 时：2学时。教学方法：演示法/讲授/现场指导。实验类型：综合性实验。实验十六：流水CPU实现（授课时间：第三学期第十六周）教学目标：理解流水线CPU工作原理；掌握流水线CPU设计方法。主要内容：设计一个流水线CPU,并进行测试。学 时：2学时。教学方法：演示法/讲授/现场指导。实验类型：综合性实验。