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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.2014.8
[2] 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.2005.1
[3]李亚民.计算机原理与设计一一VerilogHDL版.北京：清华大学出版社. 2011.6
[4]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.2009.7
[2] 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.2012.4
[3]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2〜3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。