计算机系统结构实践教程

　　《计算机系统结构实践教程》设计和编写了11个实验： 指令系统和体系结构、流水线及流水线中的冲突、指令调度和延迟分支、Cache性能分析、Tomasulo算法、再定序缓冲（ROB）工作原理、多Cache一致性——监听协议、多Cache一致性——目录协议。《计算机系统结构实践教程》覆盖面广，内容丰富，有利于加深对系统结构知识的理解。《计算机系统结构实践教程》的实验既有基于MIPS指令集的，也有基于SPARC指令集的。教师可根据具体教学需要选择。《计算机系统结构实践教程》包含了实验所需相关知识的介绍，可以跟大多数系统结构教材配合使用。《计算机系统结构实践教程》所附光盘提供了我们专门为系统结构实验开发的一套运行于Windows平台的模拟器。这些模拟器界面友好，使用方便、直观，交互性很强。随书光盘还提供了计算机系统结构课程相关的动画和视频课件。《计算机系统结构实践教程》可作为本科生或研究生的系统结构课程以及计算机组成与结构课程的实验教材，也可作为自学者的辅助教材。

　　张晨曦，男，1960年9月生，汉族，福建龙岩人。现任同济大学软件学院教授，博士生导师。国家级“中青年有突出贡献专家”，国家杰出青年基金获得者。先后主持了4项国家自然科学基金项目。1988年获博士学位，后一直在国防科技大学计算机学院工作，2005年9月调入同济大学。作为课程负责人，张晨曦建设的计算机系统结构课程于2007年被评为上海市精品课程，2008年被评为国家级精品课程。他还先后获得了“教育部一微软精品课程”和“教育部一SUN精品课程”的荣誉。他主讲计算机系统结构课程和从事系统结构的研究二十余年，进行了一系列的教学改革和课程建设，取得了突出的成绩。1992年开发出国内第一套系统结构CAI课件（含30个动画），在清华大学、北京大学等全国十多所高校得到了应用。2003年完成教育部的新世纪网络课程建设工程项目“计算机体系结构网络课程”。2009年开发出了国内第一套系统结构实验模拟器。他负责编写出版的《计算机系统结构》（高等教育出版社）是“十五”和“十一五”国家级规划教材，该教材2002年获全国普通高等学校优秀教材二等奖。全国至少有60所大学采用了该教材。至2009年，他共编写出版了5本“十一五”国家级规划教材。撰写专著两部（第二作者），其中专著《新一代计算机》由荷兰North-Holland出版社出版，另一部1992年获“国家教委优秀专著特等奖”，1993年获“全国优秀科技图书一等奖”。发表学术研究论文90多篇，其中在《中国科学》、《计算机学报》等一级刊物上发表8篇，国外发表20多篇。有18篇被国际著名八大检索工具收录。张晨曦获部委级科技进步一等奖两项（排名第二），二等奖一项（排名第二）；获部委级教学成果二等奖、三等奖各一项。2007年获宝钢优秀教师奖和上海市育才奖，2008年被评为上海市高校教学名师，2009年被评为上海市模范教师。1991年被国家教委授予“做出突出贡献的中国博士”光荣称号，被评为湖南省科技青年“十佳”之一；1993年被评为“全军优秀教师”，1993年和1995年两次获“霍英东青年教师奖”；1995年获第4届“中国青年科技奖”。从15岁起当中学教师，对教学方法和现代教育技术有深入的研究的他，提出了面向远程教育和CAI的动画解析教学法。

第一部分 基于MIPS体系结构
实验1 MIPS指令系统和MIPS体系结构
1.1 实验目的
1.2 实验平台
1.3 实验内容和步骤
1.4 MIPSsim使用手册
1.4.1 启动模拟器
1.4.2 MIPSsim的窗口
1.4.3 MIPSsim的菜单
1.5 相关知识：MIPS指令系统
1.5.1 MIPS的寄存器
1.5.2 MIPS的数据表示
1.5.3 MIPS的数据寻址方式
1.5.4 MIPS的指令格式
1.5.5 MIPS的部分指令介绍
实验2 流水线及流水线中的冲突
2.1 实验目的
2.2 实验平台
2.3 实验内容和步骤
2.4 MIPSsim使用手册
2.5 相关知识：流水线、相关与冲突
2.5.1 一条经典的5段流水线
2.5.2 相关与流水线冲突
2.5.3 流水线的实现
实验3 指令调度和延迟分支
3.1 实验目的
3.2 实验平台
3.3 实验内容和步骤
3.4 MIPSsim使用手册
3.5 相关知识：指令调度和延迟分支
3.5.1 指令调度
3.5.2 延迟分支
第二部分 基于SPARC体系结构
实验4SPARC指令系统和SPARC体系结构
4.1 实验目的
4.2 实验平台
4.3 实验内容和步骤
4.4 SPARCsim使用手册
4.4.1 启动程序
4.4.2 SPARCsim的窗口
4.4.3 SPARCsim的菜单
4.5 相关知识：UltraSPARC指令系统
4.5.1 UltraSPARC的寄存器
4.5.2 UltraSPARC的数据表示
4.5.3 UltraSPARC的数据寻址方式
4.5.4 UltraSPARC的指令格式
4.5.5 UltraSPARC的部分指令介绍
实验5 流水线及流水线中的冲突
5.1 实验目的
5.2 实验平台
5.3 实验内容和步骤
5.4 SPARCsim使用手册
5.5 相关知识：流水线、相关与冲突
5.5.1 一条经典的5段流水线
5.5.2 相关与流水线冲突
5.5.3 流水线的实现
实验6 指令调度和延迟分支
6.1 实验目的
6.2 实验平台
6.3 实验内容和步骤
6.4 SPARCsim使用手册
6.5 相关知识：指令调度和延迟分支
第三部分 Cache和指令并行实验
实验7 Cache性能分析
7.1 实验目的
7.2 实验平台
7.3 实验内容和步骤
7.3.1 Cache容量对不命中率的影响
7.3.2 相联度对不命中率的影响
7.3.3 Cache块大小对不命中率的影响
7.3.4 替换算法对不命中率的影响
7.4 MyCache模拟器的使用方法
7.5 相关知识：Cache的基本原理
7.5.1 Cache的映像规则
7.5.2 查找方法
7.5.3 替换算法
7.5.4 写策略
7.5.5 改进Cache性能
7.5.6 3种类型的不命中
7.5.7 降低不命中率的方法
7.5.8 分离Cache和混合Cache
实验8 Tomasulo算法
8.1 实验目的
8.2 实验平台
8.3 实验内容和步骤
8.4 Tomasulo算法模拟器的使用方法
8.5 相关知识：Tomasulo算法
8.5.1 基本思想
8.5.2 具体算法
实验9 再定序缓冲（ROB）工作原理
9.1 实验目的
9.2 实验平台
9.3 实验内容和步骤
9.4 ROB模拟器的使用方法
9.5 相关知识：再定序缓冲ROB
实验10 多Cache一致性——监听协议
10.1 实验目的
10.2 实验平台
10.3 实验内容和步骤
10.4 监听协议模拟器的使用方法
10.5 相关知识：监听协议
10.5.1 基本思想
10.5.2 监听协议的实现
实验11 多Cache一致性——目录协议
11.1 实验目的
11.2 实验平台
11.3 实验内容和步骤
11.4 目录协议模拟器的使用方法
11.5 相关知识：目录协议
11.5.1 目录协议的基本思想
11.5.2 目录协议实例
附录A MIPSsim的指令列表（MIPS64指令集的一个子集）
附录B MIPSsim的指令系统（MIPS64指令集的一个子集）
附录C 模拟器MIPSsim的汇编语言
参考文献