“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”實(shí)驗(yàn)課程改革和實(shí)踐

摘要：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程通常是使用WinDLX、DLXView、SimpleScalar等模擬器仿真的方式來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但此方式呆板枯燥且流于形式，我院改革了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，采用”實(shí)驗(yàn)機(jī)箱+PC機(jī)+模擬器”的方式，真正實(shí)現(xiàn)從呆板的\"驗(yàn)證為主\"到創(chuàng)新的\"設(shè)計(jì)為主\"的飛躍。本文介紹了我院的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：SimpleScalar；CMPP；模擬器；實(shí)驗(yàn)機(jī)箱；驗(yàn)證；設(shè)計(jì)創(chuàng)新

中圖分類號：G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1引言

“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)中重要的專業(yè)課程，是一門從組織和結(jié)構(gòu)角度上學(xué)習(xí)、總體把握和領(lǐng)會計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的課程。因?yàn)槠淅碚撔暂^強(qiáng)，知識結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，它的實(shí)驗(yàn)課設(shè)置一直是一個空白。但是，作為一門針對本科高年級學(xué)生的計(jì)算機(jī)綜合設(shè)計(jì)課程，沒有相應(yīng)實(shí)驗(yàn)課對學(xué)生理解能力的提高和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，所謂的綜合設(shè)計(jì)課程也成了一句空談，為此，我們使用WinDLX、DLXView、SimpleScalar模擬器(安裝在微機(jī)上)來仿真計(jì)算機(jī)，讓學(xué)生在這個虛擬計(jì)算機(jī)上設(shè)置各種不同高端計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)，然后通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到不同計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)對計(jì)算機(jī)性能的不同影響，最后給出統(tǒng)計(jì)結(jié)論。

但在實(shí)際教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)，此種“PC機(jī)+模擬器”的實(shí)驗(yàn)方式形式過于單一，所有的實(shí)驗(yàn)都是先在模擬器中給出計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)設(shè)定，然后運(yùn)行測試程序，最后根據(jù)程序運(yùn)行結(jié)果給出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。對學(xué)生而言，所做的工作只是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的給定，然后面對一堆運(yùn)行出來的枯燥數(shù)據(jù)給出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。由于這些實(shí)驗(yàn)全是驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，使得學(xué)生沒有真正的實(shí)驗(yàn)體會，感覺也比較抽象，一個學(xué)期下來，整個實(shí)驗(yàn)課程沒有收到它應(yīng)有的效果，同時也沒能激發(fā)出學(xué)生的創(chuàng)新性。

為了讓學(xué)生更加有硬件實(shí)驗(yàn)體會，并發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新性思維，我們在原有的“PC機(jī)+模擬器”模式下增加一個實(shí)驗(yàn)機(jī)箱，變成 “實(shí)驗(yàn)機(jī)箱+PC機(jī)+模擬器”模式，經(jīng)過一個學(xué)期的實(shí)踐，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程有了突破性的進(jìn)展，取得了較好的效果。

本文其他部分內(nèi)容如下：第二節(jié)介紹原有的“PC機(jī)+模擬器”實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降木唧w細(xì)節(jié)及其弊端；第三節(jié)闡明“實(shí)驗(yàn)機(jī)箱+PC機(jī)+模擬器”新模式的由來；第四節(jié)說明新模式具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目改革；最后給出本實(shí)驗(yàn)課程教改的特色與創(chuàng)新之處，并作出結(jié)論。

2“PC機(jī)+模擬器”模式

“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”課程中的實(shí)驗(yàn)課程在以往的教學(xué)中一直是一個空白。為響應(yīng)微軟亞洲研究院的大力倡導(dǎo)，本課程初期引入由卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)提出的“Learning by doing”這一適用于工程教學(xué)的行之有效的先進(jìn)教學(xué)理念，對“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)進(jìn)行初步嘗試。

由于這門課程的實(shí)驗(yàn)是從無到有的一個過程，因此，在建設(shè)初期，我們首先采用的是一個生搬照學(xué)的方法。為此，我們找到張晨曦教授在同濟(jì)大學(xué)使用的“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)資料，然后根據(jù)本校學(xué)生具體情況對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行部分篩選，總結(jié)出“PC機(jī)+模擬器”模式，然后運(yùn)用到實(shí)際教學(xué)中。

PC機(jī)是我們計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程開展的硬件平臺，軟件平臺即我們的Windows操作系統(tǒng)以及安裝在其上的各種模擬器，包括WinDLX、DLXView、SimpleScalar模擬器。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生在這些模擬器中設(shè)置各種不同參數(shù)而獲得不同虛擬處理器，然后通過測試程序檢測不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)對處理器性能的影響。

WinDLX是一個基于Windows的模擬器。它能夠以圖的方式演示DLX流水線是如何工作的。學(xué)生通過改變流水線的結(jié)構(gòu)和時間要求、存儲器大小和其他幾個控制模擬的參數(shù)，獲得不同流水線的性能。實(shí)驗(yàn)一的流水線相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)二的循環(huán)展開及指令調(diào)度實(shí)驗(yàn)都是使用此模擬器。

DLXview是一個圖形化、交互式的DLX流水線模擬器。該模擬器能夠?qū)崿F(xiàn)對基本流水線、記分牌算法和Tomasulo算法的模擬。通過對內(nèi)存訪問延遲、功能部件的數(shù)目、功能部件的延遲的配置，實(shí)現(xiàn)不同流水線的模擬。實(shí)驗(yàn)三的記分牌和Tomasulo算法實(shí)驗(yàn)使用的是此模擬器。

而SimpleScalar模擬器是目前學(xué)術(shù)界最為流行的體系結(jié)構(gòu)模擬器，是一個單處理器架構(gòu)的性能模擬器工具集。其工具集包含了非常豐富的工具，可以配置成許多不同體系結(jié)構(gòu)的模擬器。同時，其源代碼公開，具有良好可移植性和可擴(kuò)展性，是開發(fā)微處理器芯片前期進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)驗(yàn)證的重要工具。也是使用軟件手段模擬和研究CPU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要手段。實(shí)驗(yàn)四的Cache性能分析中和實(shí)驗(yàn)五的虛擬Cache與偽相聯(lián)Cache使用的是此模擬器。

以上所述實(shí)驗(yàn)都是使用模擬器進(jìn)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)設(shè)定，然后運(yùn)行測試程序，最后根據(jù)程序運(yùn)行結(jié)果給出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，其實(shí)驗(yàn)屬性全部是驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)。對于學(xué)生而言，所做的工作僅僅只是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)的給定，和測試程序的運(yùn)行，最后從一堆運(yùn)行出來的數(shù)據(jù)中得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

這種軟件模擬的方式適合研究生程度以上的學(xué)生進(jìn)行學(xué)術(shù)研究和理論驗(yàn)證，這也是這些學(xué)生對于新思想新理論進(jìn)行學(xué)術(shù)論證的常用方法與手段，但是對于發(fā)展目標(biāo)為應(yīng)用型的本科學(xué)生而言，此種實(shí)驗(yàn)形式與方法都過于枯燥與單一，整個實(shí)驗(yàn)做下來，學(xué)生感覺比較抽象，收不到實(shí)際效果，更談不上激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識，實(shí)驗(yàn)做到最后便流于一種形式，一種走過場。

3新模式的引入

基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)初期所遇到的問題，我們決定重新規(guī)劃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程是一門綜合實(shí)驗(yàn)課程，既然是綜合課程，即說它是一個軟硬件結(jié)合體。在“PC機(jī)+模擬器”模式實(shí)驗(yàn)中，模擬器的引入可以很好的體現(xiàn)其軟的方面，而硬的方面我們則選用學(xué)生在前期課程計(jì)算機(jī)組成原理中使用的教學(xué)設(shè)備(TND-CM++唐都教學(xué)儀器實(shí)驗(yàn)箱)入手，以達(dá)到事半功倍的學(xué)習(xí)效果。

計(jì)算機(jī)組成原理課程是專業(yè)必修課程，其教學(xué)與實(shí)驗(yàn)方面已經(jīng)形成一個完整而成熟的體系。這是一門在整個計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程中份量很重的課程，也是一門非常重視實(shí)驗(yàn)課的課程，除開課程本身的70學(xué)時中包括20學(xué)時的實(shí)驗(yàn)課程，學(xué)生還有專門2周的課程設(shè)計(jì)工作需要完成。這些大量的前期學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，為學(xué)生熟練掌握和使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及對計(jì)算機(jī)是軟硬件綜合體的理解打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程本身就是計(jì)算機(jī)組成原理的后續(xù)和提高課程，利用前期的基礎(chǔ)作進(jìn)一步的理論提高和實(shí)驗(yàn)提高成了順理成章的事情。

因此，“實(shí)驗(yàn)機(jī)箱+PC機(jī)+模擬器”模式引入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。在以前的教學(xué)中，“實(shí)驗(yàn)機(jī)箱+PC機(jī)”和“模擬器+PC機(jī)器”模式是分開使用的，因此PC機(jī)分別與兩者的結(jié)合不是問題，但是當(dāng)這三者(實(shí)驗(yàn)機(jī)箱、PC機(jī)和模擬器三者)結(jié)合在一起時，則需要對它們進(jìn)行重新分工組合，以達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)效果，這將在文章的第4節(jié)的具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中詳細(xì)敘述。

4“實(shí)驗(yàn)機(jī)箱+PC機(jī)+模擬器”模式

4.1“實(shí)驗(yàn)機(jī)箱+PC機(jī)+模擬器”模式簡介

“實(shí)驗(yàn)機(jī)箱+PC機(jī)+模擬器”模式是“PC機(jī)+模擬器”和“實(shí)驗(yàn)機(jī)箱+PC機(jī)”兩者的結(jié)合，但這種結(jié)合不是簡單機(jī)械的結(jié)合，而是一種有機(jī)的結(jié)合。在以前的教學(xué)中，“PC機(jī)+模擬器”方式用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)初期實(shí)驗(yàn)課程，“實(shí)驗(yàn)機(jī)箱+PC機(jī)”方式用于計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課程。但是，由于前一節(jié)“PC機(jī)+模擬器”方式所提到的弊端，即數(shù)據(jù)的枯燥性和理解的抽象性問題，我們把具有硬件動手優(yōu)勢的“實(shí)驗(yàn)機(jī)箱+PC機(jī)”方式中的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)機(jī)箱引入到此課程實(shí)驗(yàn)中。

實(shí)驗(yàn)條件準(zhǔn)備如下：首先在PC機(jī)器中安裝Windows操作系統(tǒng)，然后在此操作系統(tǒng)中安裝WinDLX、DLXView、SimpleScalar模擬器，同時安裝CMPP模擬器(實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠家隨實(shí)驗(yàn)設(shè)備匹配提供)。然后通過RS-232串口與PC微機(jī)聯(lián)機(jī)，這樣，利用PC機(jī)上具有的這些模擬器我們可以在PC 機(jī)上編程、向?qū)嶒?yàn)機(jī)箱系統(tǒng)裝載實(shí)驗(yàn)程序、然后在圖形界面下進(jìn)行動態(tài)調(diào)試及運(yùn)行。另外，系統(tǒng)具有的兩路邏輯信號測量平臺，使得可在PC機(jī)上看到信號測量波形。

我們實(shí)驗(yàn)的中心思想是：以計(jì)算機(jī)硬件為基礎(chǔ)，通過軟件配置擴(kuò)充功能，形成一個可能是相當(dāng)復(fù)雜的有機(jī)組合的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。最后通過模擬器中測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)獲得此系統(tǒng)性能的結(jié)論數(shù)據(jù)。

其中的硬件是指我們通過實(shí)驗(yàn)機(jī)箱把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)模塊通過總線(數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線)連接好；而配置軟件是指通過CMPP、SimpleScalar模擬軟件來進(jìn)行一些高級配置的擴(kuò)充，從而形成我們需要的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；最后，通過(WinDLX、DLXView、SimpleScalar)模擬器跑動測試程序以獲得此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的性能參數(shù)及結(jié)論數(shù)據(jù)。

4.2模式的可行性論證

“實(shí)驗(yàn)機(jī)箱+PC機(jī)+模擬器”模式的可行性論證主要討論如下問題(其中系統(tǒng)指實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，即實(shí)驗(yàn)設(shè)備)：

(1)PC機(jī)與系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)：

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)安裝有一個標(biāo)準(zhǔn)的DB型９針RS-232C 串口插座，使用配套的串行通訊電纜分別插在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及PC 微機(jī)的串口，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與PC 的聯(lián)機(jī)操作。系統(tǒng)通訊電纜連接方式如圖1：

(2)CMPP與系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)

系統(tǒng)配套的集成操作軟件CMPP具有專為聯(lián)機(jī)操而開發(fā)的圖形方式操作界面，其操作簡便、直觀且具有動態(tài)調(diào)試功能，可完全根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通路圖來實(shí)時、動態(tài)的顯示用戶設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)流的流向、數(shù)據(jù)值、控制線和各單元的內(nèi)容。CMPP軟件界面如圖2：

本系統(tǒng)軟件CMPP通過PC 機(jī)串行口向?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)上的單片機(jī)控制單元發(fā)送指令，由實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的單片機(jī)直接對程序存儲器、微程序控制器進(jìn)行讀寫，控制單拍或單步微程序、單步機(jī)器指令和程序連續(xù)運(yùn)行等操作，實(shí)時監(jiān)測各數(shù)據(jù)流和控制流的情況，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時動態(tài)圖形方式下的系統(tǒng)跟蹤調(diào)式和運(yùn)行。

(3)SimpleScalar模擬器與系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)

SimpleScalar工具集是一個用于構(gòu)建各種模擬程序的系統(tǒng)軟件框架，可用于構(gòu)建各種體系結(jié)構(gòu)模擬器．它提供了一套參考模擬器，包括快速的功能模擬器，用于分支預(yù)測評估的模擬器，用于Cache層次評估的模擬器以及一個詳細(xì)的、動態(tài)調(diào)度的、多級存儲層次的微體系結(jié)構(gòu)模擬器．SimpleScalar還包含一個機(jī)器定義框架，允許絕大部分體系結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和模擬器的具體實(shí)現(xiàn)分離．除了模擬器，SimpleScalar工具集還提供統(tǒng)計(jì)分析、調(diào)試、驗(yàn)證和可視化支持．SimpleScalar工具集被廣泛用于計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的研究和教學(xué)．例如在2000年，頂級體系結(jié)構(gòu)會議上超過三分之一的文章是使用SimpleScalar來評價設(shè)計(jì)。

由于Simplescalar的使用廣泛性和完整性，我們把它引入我們的實(shí)驗(yàn)課程中，但由于這個模擬器與我們的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是各自獨(dú)立的個體，因此當(dāng)把這兩者融合在一起時就存在一個有機(jī)組合問題。Simplescalar模擬器是一個原代碼公開的軟件，具有良好的可移植性和可擴(kuò)展性，因此我們希望通過代碼的更改，獲得SimpleScalar模擬器與實(shí)驗(yàn)設(shè)備的有機(jī)整合。雖然這部分工作我們已經(jīng)展開，但是工作做得還很不夠，這也是我們下一步要繼續(xù)進(jìn)行的重點(diǎn)工作之一。

4.3存在的問題

(1) 實(shí)驗(yàn)延續(xù)性的問題

通常，計(jì)算機(jī)組成原理課程會開在第五學(xué)期，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課程開在第七學(xué)期，因此，這兩門課程之間有一個學(xué)期的間隔，由于這兩門實(shí)驗(yàn)課程的順延性較強(qiáng)，因此在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)中，初始實(shí)驗(yàn)應(yīng)先重復(fù)計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課程中綜合性強(qiáng)，并在后續(xù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程中需要應(yīng)用到的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

(2) 課時偏少而實(shí)驗(yàn)內(nèi)容偏多的問題

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課時偏少，一般是8個課時(4個學(xué)時)。但是由于其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容綜合性強(qiáng)，復(fù)雜度大，因此很難在一個學(xué)時(2個課時)完成一個實(shí)驗(yàn)。這就要求老師和學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課之前要做較多的工作，包括老師在實(shí)驗(yàn)課之前詳細(xì)的講解，學(xué)生在課前完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)工作，這樣，才能充分利用一個學(xué)時的時間完成一次的實(shí)驗(yàn)。

(3)SimpleScalar與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整合問題

前面說過，我們利用SimpleScalar模擬器的開放性代碼把SimpleScalar模擬器和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整合在一起，這個工作還需要繼續(xù)完善。這個工作也是整個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程改革的一個重要的步驟。它是一個需要長期驗(yàn)證、修改和調(diào)試以及完善的工作，不是短時間就能完成的工作。

4.4實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)

(1)CISC(復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī))實(shí)驗(yàn)

此實(shí)驗(yàn)要求先按照實(shí)驗(yàn)連接圖把計(jì)算機(jī)的主要模塊通過總線連接起來(這個操作在實(shí)驗(yàn)機(jī)箱內(nèi)進(jìn)行)，然后為這個模型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)包括16條機(jī)器指令(包括算術(shù)邏輯指令、I/O指令、訪問及轉(zhuǎn)移指令和停機(jī)指令)的指令集，編寫相應(yīng)的微程序，通過PC機(jī)中CMPP模擬器裝載和調(diào)試程序，以使同學(xué)們通過這個過程掌握整機(jī)概念，并能綜合運(yùn)用所學(xué)計(jì)算機(jī)原理知識，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)較為完整的計(jì)算機(jī)。

此實(shí)驗(yàn)是在前計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課程中掌握部件單元電路實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將其組成系統(tǒng)。同時也是對以前所學(xué)知識的溫習(xí)。

(2)RISC(精簡指令集計(jì)算機(jī))實(shí)驗(yàn)

RISC是針對CISC結(jié)構(gòu)存在的問題所提出的思想。它選取使用頻率最高，以及很有用但不復(fù)雜的指令，這些指令大部分能在一個時鐘周期內(nèi)完成，并且只有Load和store兩條指令訪存等思想設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，在此實(shí)驗(yàn)中，我們選取使用頻度比較高的五條基本指令：MOV、ADD、STORE、LOAD、JMP。然后尋址方式采用寄存器尋址及直接尋址兩種方式來設(shè)計(jì)這個RISC計(jì)算機(jī)(依照前一實(shí)驗(yàn)方法，也是由CMPP模擬器進(jìn)行調(diào)試)。

然后，我們通過在SimpleScalar模擬器中設(shè)置參數(shù)來比較RISC計(jì)算機(jī)和CISC計(jì)算機(jī)，這是通過跑同一測試程序來完成的。結(jié)論是：RISC機(jī)器執(zhí)行的速度和效率大大提高。如對于此實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的機(jī)器指令在RISC處理器中執(zhí)行完需9個機(jī)器周期，而在復(fù)雜模型機(jī)實(shí)驗(yàn)中，需34個機(jī)器周期才能完成。

這樣的實(shí)驗(yàn)程序的設(shè)計(jì)，可以讓同學(xué)們深刻體會到兩種不同處理器的運(yùn)行效率，同時讓同學(xué)們體會到實(shí)驗(yàn)直觀性。

(3) 重疊實(shí)驗(yàn)

此實(shí)驗(yàn)是在RISC模型機(jī)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將其構(gòu)成一臺具有重疊功能的模型機(jī)。

一條指令的執(zhí)行包括“取指”和“分析執(zhí)行”兩個階段，而重疊技術(shù)是指把前條指令的“分析和執(zhí)行”與后條指令的“取指”重疊在一起執(zhí)行。

在此實(shí)驗(yàn)中，計(jì)算機(jī)“執(zhí)行部件”數(shù)據(jù)通路的控制由微程序控制器來完成，而“指令預(yù)取”部件的數(shù)據(jù)通路由一片CPLD 來模擬。以原基本模型機(jī)的五條機(jī)器指令為例，編寫相應(yīng)的微程序，然后具體上機(jī)調(diào)試掌握重疊概念。

然后，在SimpleScalar模擬器中設(shè)置參數(shù)比較RISC計(jì)算機(jī)和重疊計(jì)算機(jī)。結(jié)論是：重疊計(jì)算機(jī)執(zhí)行的速度和效率明顯提高。如前所述的同段機(jī)器指令在重疊處理器中執(zhí)行完需要20個機(jī)器周期，而在RISC模型機(jī)的實(shí)驗(yàn)中，需要27個機(jī)器周期。

(4) 流水實(shí)驗(yàn)

流水可以看作是重疊的引申，一次重疊是一種簡單的指令流水線。在流水計(jì)算機(jī)中，一條指令的執(zhí)行包括“取指令”、“指令譯碼”、“取操作數(shù)”、“執(zhí)行”四個子過程(前三階段由指令分析部件完成，而第四階段由指令執(zhí)行部件完成)，而每個子過程可以與其他子過程同時進(jìn)行，這叫并行性中的并發(fā)性。

這種并行性大大提高了計(jì)算機(jī)的處理效率。本實(shí)驗(yàn)除“指令執(zhí)行部件”為板上的“ALU UNIT”和“REG UNIT”電路構(gòu)成外，其余全部由CM＋＋板上的一片CPLD 芯片設(shè)計(jì)，輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、RAM 及時序仍由板上輸入單元、輸出顯示單元、存儲器單元及時序單元電路給出。

實(shí)驗(yàn)過程類似于前述實(shí)驗(yàn)。

5實(shí)驗(yàn)特色與創(chuàng)新

新設(shè)計(jì)的“實(shí)驗(yàn)機(jī)箱+PC機(jī)+模擬器”實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ接腥缦鹿δ芴攸c(diǎn)。

(1) 結(jié)構(gòu)清晰的單元式實(shí)驗(yàn)電路，可構(gòu)造出不同結(jié)構(gòu)及復(fù)雜程度的原理性計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)采用部件單元式結(jié)構(gòu)，包括運(yùn)算器及數(shù)據(jù)通路、存儲器、控制器、信號及時序控制、內(nèi)總線、外總線、外圍接口及輸入輸出設(shè)備、大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷扔?jì)算機(jī)部件的單元電路，可使用排線連接方式(實(shí)驗(yàn)機(jī)箱)或計(jì)算機(jī)電子自動邏輯設(shè)計(jì)方式(SimpleScalar等模擬器)，根據(jù)自己所設(shè)計(jì)的模型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)方案，來構(gòu)造出不同結(jié)構(gòu)及復(fù)雜程度的原理性計(jì)算機(jī)，使學(xué)生能夠?qū)τ?jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)有清楚的認(rèn)識和理解。

(2) 對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有完全的開放性，增強(qiáng)學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力。系統(tǒng)所具有的軟硬件結(jié)構(gòu)(實(shí)驗(yàn)機(jī)箱和模擬器)對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有完全的開放性，其數(shù)據(jù)線、地址線、控制線都由學(xué)生來操作連接，系統(tǒng)中的運(yùn)算器結(jié)構(gòu)、控制器結(jié)構(gòu)及微程序指令的格式及定義均可根據(jù)教學(xué)需要來做靈活改變或重新設(shè)計(jì)。這對于自行設(shè)計(jì)各種結(jié)構(gòu)及不同復(fù)雜程度的模型計(jì)算機(jī)提供了強(qiáng)大的軟硬件操作平臺，從而避免了單純驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑瑯O大提高了學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)能力。

(3) 通用邏輯器件和大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷嘟Y(jié)合，可面向不同層次的學(xué)生。系統(tǒng)采用通用邏輯器件和大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷⒂玫姆绞?，既能給熟練掌握復(fù)雜邏輯系統(tǒng)設(shè)計(jì)的學(xué)生提供高檔的實(shí)驗(yàn)平臺，又能對不熟悉這些內(nèi)容的學(xué)生提供易操作的實(shí)驗(yàn)平臺。符合循序漸進(jìn)、先基礎(chǔ)后提高的教學(xué)原則。

(4) 具有實(shí)時調(diào)試功能的圖形方式操作界面，也可用于多媒體輔助教學(xué)。系統(tǒng)具有與PC微機(jī)聯(lián)機(jī)實(shí)時調(diào)試的功能，提供了圖形方式的調(diào)試界面(CMPP模擬器)，在調(diào)試過程中可動態(tài)實(shí)時顯示模型計(jì)算機(jī)各部件之間的數(shù)據(jù)傳送以及各部件和總線上的所有信息。這種圖形調(diào)試界面也可用于多媒體輔助教學(xué)，從而獲得極佳的教學(xué)效果。

(5) 多種輸入輸出方式及邏輯信號測量功能，實(shí)驗(yàn)操作及觀察更容易。系統(tǒng)提供多種輸入輸出方式。通過RS-232 串口與PC 微機(jī)聯(lián)機(jī)，可在PC 機(jī)上進(jìn)行編程并向系統(tǒng)裝載實(shí)驗(yàn)程序，在圖形界面下進(jìn)行動態(tài)調(diào)試及運(yùn)行。另外還具有兩路邏輯信號測量平臺，可在PC 機(jī)上看到信號測量波形；如單獨(dú)使用本系統(tǒng)，則可通過開關(guān)及LED以二進(jìn)制碼形式進(jìn)行編程、顯示及調(diào)試運(yùn)行。

(6) 實(shí)驗(yàn)電路的實(shí)時在線檢測功能，便于檢查接線錯誤。系統(tǒng)具有實(shí)驗(yàn)電路檢測功能，通過人機(jī)交互方式可實(shí)時在線檢測各實(shí)驗(yàn)單元電路的好壞以及模型機(jī)實(shí)驗(yàn)線路連接是否正確。

(7) 測試功能的完備性。SimpleScalar工具集所自帶的SimpleScalar Spec2000測試程序使得學(xué)生可以及時對自己設(shè)計(jì)出來的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行測試，然后根據(jù)測試結(jié)果對所設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行及時調(diào)整，以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)直觀性。

6小結(jié)

實(shí)踐證明，此模式把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成一門軟硬件結(jié)合的綜合實(shí)驗(yàn)課程，并真正實(shí)現(xiàn)從呆板的“驗(yàn)證為主”到創(chuàng)新的“設(shè)計(jì)為主”的飛躍。試用一年以來獲得較好效果。

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