计算机组成原理实验指导与习题解析

　　“计算机组成原理”是一门理论性、工程性和实践性都很强的核心专业基础课程，其实践教学对理论教学具有强支撑作用，是强化学生计算机系统能力，分析解决复杂工程问题能力的重要途径。 作者本着理论实践一体化、实验目标系统化、实验测试自动化、课程实验在线化、实验过程游戏化的原则，历经八年持续的实践教学改革，开发了一系列原创的硬件在线虚拟仿真实验，建立了逐层递进、立足计算机系统、设计型实验为主导的实践教学体系。帮助学生站在硬件工程师的视角，从逻辑门电路开始逐步设计运算部件、存储器、数据通路和控制器、冲突冒险与中断异常处理机制直至完整的MIPS 流水CPU来深入理解计算机软硬件系统。同时，将《计算机组成原理（微课版）》一书课后习题进行了详细解析，有助于学生巩固课堂所学。 本书可供高等学校计算机相关专业“计算机组成原理”课程的配套实验指导用书和系统能力培养的重要参考，也可供相关专业工程技术人员参考。

　　谭志虎，华中科技大学教授，院长助理，主要研究方向为计算机系统结构，网络存储，科研成果获湖北省科技进步一等奖。主要承担《计算机组成原理》、《计算机组织与结构》、《计算机系统基础》、《Verilog语言》、《计算机系统能力综合训练》等课程的教学工作，在中国大学慕课上开设《计算机组成原理》、《计算机硬件系统设计》两门慕课课程，主编《计算机组成原理实践教程：从逻辑门到CPU》教材一部。主持省部级教改项目5项，发表CSSCI类教研论文7篇，先后获湖北省教学成果一等奖，校实验技术成果一等奖，宝钢优秀教师奖，校教师教学竞赛一等奖，教学质量一等奖，课堂教学卓越奖。

第 1章数据表示实验1
1．1 汉字编码实验 1
1．2 奇偶校验实验 4
1．3 磁盘阵列条带校验实验 6
1．4 海明校验码设计实验 9
1．5 CRC校验码设计实验 12
1．6 编码流水传输实验 15
第 2章 运算器组成实验 18
2．1 可控加减法电路设计实验 18
2．2 4位快速加法器设计实验 19
2．3 多位快速加法器设计实验 20
2．4 32位ALU设计实验 22
2．5 阵列乘法器设计实验 24
2．6 原码一位乘法器设计实验 26
2．7 补码一位乘法器设计实验 28
2．8 乘法流水线设计实验 30
第3章 存储系统实验 32
3．1 RAM组件实验 32
3．2 存储器扩展实验 33
3．3 MIPS RAM设计实验 35
3．4 MIPS寄存器文件设计实验 38
3．5 cache硬件设计实验 41
3．6 cache软件仿真实验 44
3．7 cache性能分析实验 46
3．8 虚拟存储器仿真实验 50
第4章 MIPS汇编程序设计实验 53
4．1 MIPS体系结构 53
4．2 MIPS指令集 56
4．3 MIPS汇编入门 60
4．4 MIPS编程进阶 67
4．5 MIPS程序设计实验 71
第5章 MIPS处理器设计实验 77
5．1 单总线三级时序CPU设计实验 77
5．2 单总线现代时序CPU设计实验 85
5．3 单周期MIPS处理器设计实验 91
5．4 多周期MIPS处理器设计实验 101
第6章 指令流水线设计实验 109
6．1 理想流水线CPU设计实验 109
6．2 气泡流水线CPU设计实验 113
6．3 重定向流水线CPU设计实验 119
6．4 动态分支预测机制设计实验 122
第7章 输入输出系统实验 126
7．1 程序查询控制方式编程实验 126
7．2 中断服务程序编程实验 128
7．3 三级时序中断机制设计实验 129
7．4 现代时序中断机制设计实验 133
7．5 单级中断机制设计实验 138
7．6 多重中断机制设计实验 142
7．7 流水中断机制设计实验 144
第8章 实验平台与常见问题 147
8．1 Logisim软件介绍 147
8．2 Logisim常见问题 147
8．3 头哥平台介绍 152
8．4 头哥平台常见问题 153
8．5 Mars仿真器介绍 156
第9章 Logisim库参考手册 158
9．1 线路库 158
9．2 逻辑门库 162
9．3 复用器库 165
9．4 运算器库 168
9．5 存储库 172
9．6 输入 输出库 178
9．7 基础库(Base Library) 182
第 10章 习题解析 185
10．1 第 1章习题解析 185
10．2 第 2章习题解析 187
10．3 第3章习题解析 194
10．4 第4章习题解析 201
10．5 第5章习题解析 211
10．6 第6章习题解析 216
10．7 第7章习题解析 225
10．8 第8章习题解析 230
10．9 第9章习题解析 233