計算機體系結(jié)構(gòu)實驗

前言

實驗是計算機體系結(jié)構(gòu)課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。通過完成相應(yīng)的實驗，學(xué)生不僅能夠更加深刻地理解該課程各個知識點所描述的理論和方法，還可以親身體會到如何進(jìn)行實現(xiàn)以及實現(xiàn)時所面臨的要點和難點。目前，進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)實驗主要有軟件模擬與硬件仿真兩種形式，雖然二者在功能上基本等效，但由于二者的抽象程度不同，它們所反映出的實現(xiàn)細(xì)節(jié)也不相同。例如在進(jìn)行cache子系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)時，采用硬件仿真可以更加清晰地反映出有效位（ValidBit）、“臟”位（DinyBit）等控制信息所占用的存儲容量。此外，不少實驗內(nèi)容涉及軟、硬兩方面的設(shè)計工作，即除了設(shè)計與實現(xiàn)必要的硬件模塊外，還必須實現(xiàn)對應(yīng)的軟件工具，以高效地對硬件模塊編程，例如指令擴(kuò)展等。因此，本書針對每一個實驗內(nèi)容都分別給出了軟件模擬或硬件仿真或軟硬件協(xié)同設(shè)計的實驗步驟。

內(nèi)容概要

考慮到完成實驗的工作量，我們選擇32位dlx結(jié)構(gòu)的處理器作為實驗對象，因為dlx指令系統(tǒng)具有規(guī)整、簡潔等優(yōu)點，且具有開源的模擬器和編譯器等軟件工具供大家使用。除了包含流水線、指令級并行、cache等經(jīng)典實驗內(nèi)容外，本書還特別面向指令集的設(shè)計與優(yōu)化專門設(shè)計了實驗。根據(jù)實驗難度和工作量的不同，本書中列出的實驗可分為兩個層次：　　一是，與計算機體系結(jié)構(gòu)課程中處理器性能評價、指令系統(tǒng)、流水線等方面的教學(xué)內(nèi)容相對應(yīng)。具體實驗內(nèi)容包括確定dlx處理器的指令系統(tǒng)和指令編碼方案，設(shè)計實現(xiàn)一個單流出的5級32位dlx整數(shù)流水線，并在fpga平臺上仿真。該流水線中沒有cache模塊，可以包含數(shù)據(jù)定向模塊。同時，根據(jù)dlx指令系統(tǒng)修改開源的gcc編譯器，使之能夠生成可用的二進(jìn)制測試代碼。　　二是，向在基礎(chǔ)實驗中實現(xiàn)的5級dlx整數(shù)流水線中增加一些高級功能模塊，并在fpga平臺上仿真。這里的高級功能模塊包括計算機體系結(jié)構(gòu)課程中介紹的開發(fā)指令級并行和數(shù)據(jù)級并行的硬件機制、cache等，如dlx浮點流水線、記分牌算法、vliw技術(shù)、分支目標(biāo)緩沖器、simd指令擴(kuò)展等，它們都是提高流水線性能的經(jīng)典技術(shù)。

作者簡介

沈立，2003年在國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計算機學(xué)院獲工學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)任國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計算機學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，長期從事計算機體系結(jié)構(gòu)專業(yè)的研究和教學(xué)工作，國家精品課程“計算機體系結(jié)構(gòu)”和“計算機原理”主講人之一。中國計算機學(xué)會會員，主要研究方向包括高性能微處

書籍目錄

第1章　處理器設(shè)計流程　　　1.1　設(shè)計定制　　　1.2　行為設(shè)計　　　1.3　物理設(shè)計　　　1.4　硅片出品　　　1.5　驗證　　　1.6　實驗內(nèi)容安排與組織　　　1.7　實驗1：fastdlx模擬器的使用　　　　1.7.1　簡要說明　　　　1.7.2　實驗?zāi)康摹　　　?.7.3　實驗工具和平臺　　　　1.7.4　實驗步驟　　　　第2章　指令系統(tǒng)　　　2.1　cisc和risc　　　2.2　dlx指令系統(tǒng)　　　　2.2.1　dlx的寄存器　　　　2.2.2　dlx的數(shù)據(jù)表示　　　　2.2.3　dlx的數(shù)據(jù)尋址方式　　　　2.2.4　dlx的指令格式　　　　2.2.5　dlx的操作　　　　2.2.6　dlx的控制指令　　　　2.2.7　dlx的浮點操作　　　2.3　指令系統(tǒng)的改進(jìn)和發(fā)展　　　2.4　實驗2：dlx指令編碼的優(yōu)化　　　　2.4.1　簡要說明　　　　2.4.2　實驗?zāi)康摹　　　?.4.3　實驗工具和平臺　　　　2.4.4　實驗步驟　　　2.5　實驗3：dlx匯編器的設(shè)計與實現(xiàn)　　　　2.5.1　簡要說明　　　　2.5.2　實驗?zāi)康摹　　　?.5.3　實驗工具和平臺　　　　2.5.4　實驗步驟　　　2.6　實驗4：面向特定應(yīng)用的指令擴(kuò)展　　　　2.6.1　簡要說明　　　　2.6.2　實驗?zāi)康摹　　　?.6.3　實驗工具和平臺　　　　2.6.4　實驗步驟　　　　第3章　邏輯設(shè)計　　　3.1　硬件描述語言　　　3.2　電子設(shè)計自動化　　　3.3　實驗5：modelsim的使用　　　　3.3.1　簡要說明　　　　3.3.2　實驗?zāi)康摹　　　?.3.3　實驗工具和平臺　　　　3.3.4　實驗步驟　　　3.4　實驗6：寄存器文件的設(shè)計與實現(xiàn)　　　　3.4.1　簡要說明　　　　3.4.2　實驗?zāi)康摹　　　?.4.3　實驗工具和平臺　　　　3.4.4　實驗步驟　　　3.5　實驗7：存儲器模塊設(shè)計與實現(xiàn)　　　　3.5.1　簡要說明　　　　3.5.2　實驗?zāi)康摹　　　?.s.3　實驗工具和平臺　　　　3.5.4　實驗步驟　　　　第4章　流水線設(shè)計　　　4.1　dlx整數(shù)指令　　　4.2　dlx流水線　　　　4.2.1　流水寄存器　　　　4.2.2　取指段　　　　4.2.3　譯碼段　　　　4.2.4　執(zhí)行段　　　　4.2.5　訪存段　　　　4.2.6　寫回段　　　　4.2.7　多路選擇器　　　4.3　改進(jìn)dlx流水線的性能　　　　4.3.1　減少分支開銷　　　　4.3.2　數(shù)據(jù)定向　　　　4.4　實驗8：dlx整數(shù)流水線的設(shè)計與實現(xiàn)　　　4.4.1　簡要說明　　　　4.4.2　實驗?zāi)康摹　　　?.4.3　實驗工具和平臺　　　　4.4.4　實驗步驟　　　4.5　實驗9：數(shù)據(jù)定向邏輯的設(shè)計與實現(xiàn)　　　4.5.1　簡要說明　　　　4.5.2　實驗?zāi)康摹　　　?.5.3　實驗工具和平臺　　　　4.5.4　實驗步驟　　　第5章　高級dlx流水線設(shè)計實驗　　　5.1　實驗10：dlx浮點流水線　　　　5.1.1　簡要說明　　　　5.1.2　實驗?zāi)康摹　　　?.1.3　實驗工具和平臺　　　　5.1.4　實驗步驟　　　5.2　實驗11：支持動態(tài)指令調(diào)度的記分牌算法　　　5.2.1　簡要說明　　　　5.2.2　實驗?zāi)康摹　　　?.2.3　實驗工具和平臺　　　　5.2.4　實驗步驟　　　5.3　實驗12：超長指令字技術(shù)　　　5.3.1　簡要說明　　　　5.3.2　實驗?zāi)康摹　　　?.3.3　實驗工具和平臺　　　　5.3.4　實驗步驟　　　5.4　實驗13：分支預(yù)測目標(biāo)緩沖(btb)　　　　5.4.1　簡要說明　　　　5.4.2　實驗?zāi)康摹　　　?.4.3　實驗工具和平臺　　　5.4.4　實驗步驟　　　5.5　實驗14：simd指令擴(kuò)展　　　　5.5.1　簡要說明　　　　5.5.2　實驗?zāi)康摹　　　?.5.3　實驗工具和平臺　　　　5.5.4　實驗步驟　　　5.6　實驗15：cache設(shè)計與實現(xiàn)　　　　5.6.1　簡要說明　　　　5.6.2　實驗?zāi)康摹　　　?.6.3　實驗工具和平臺　　　　5.6.4　實驗步驟　　　　第6章　fpga相關(guān)工具　　　6.1　設(shè)計準(zhǔn)備　　　　6.1.1　基本流程　　　　6.1.2　ise的啟動和配置　　　6.2　基于hdl語言設(shè)計輸入　　　　6.2.1　創(chuàng)建新工程　　　　6.2.2　完成hdl編寫　　　　6.2.3　ise向?qū)赡K　　　6.3　設(shè)計仿真　　　　6.3.1　添加測試激勵　　　　6.3.2　仿真類型選擇　　　　6.3.3　編譯xilinx仿真庫　　　6.4　系統(tǒng)生成及仿真　　　　6.4.1　時序約束　　　　6.4.2　IO配置　　　　6.4.3　配置文件生成及后仿真　　6.5　配置下載　　參考文獻(xiàn)　

章節(jié)摘錄

插圖：電路設(shè)計、版圖設(shè)計和流片是處理器的物理設(shè)計階段需要完成的三項任務(wù)。電路設(shè)計是用晶體管來實現(xiàn)HDL語言所描述的邏輯。在這個階段，主要關(guān)注的是對設(shè)計的時鐘頻率和功率的模擬，這時必須考慮晶體管的真實行為是什么，以及其行為如何隨制造技術(shù)的不同而改變。版圖設(shè)計階段應(yīng)確定組成電路設(shè)計的晶體管和導(dǎo)線的不同材料層的確切擺放位置。這個階段的核心工作是在最小的區(qū)域內(nèi)勾畫出所需要的電路，而且這個電路必須是可以制造出來的。版圖設(shè)計對電路的頻率和可靠性也有著很大的影響。物理設(shè)計的最后實現(xiàn)過程稱為流片。以前，當(dāng)完成版圖以后，設(shè)計人員會將所有需要的版圖復(fù)制到一個磁帶中，送到工廠以便開始制造過程。將磁帶送到工廠去，就稱為“去流片”?，F(xiàn)在，雖然可以簡單地通過計算機網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)制，但是仍然繼續(xù)用“流片”這個名詞來描述物理設(shè)計的最后實現(xiàn)過程。

編輯推薦

《計算機體系結(jié)構(gòu)實驗》特色：國內(nèi)第一門計算機體系結(jié)構(gòu)國家精品課程的實驗教材，充分結(jié)合了作者在國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)計算機學(xué)院多年的教學(xué)、科研經(jīng)驗和成果。實驗覆蓋面廣，內(nèi)容豐富，有助于加深對計算機體系結(jié)構(gòu)知識以及軟件模擬、硬件仿真等方法的理解和掌握。可讀性好，語言簡練，深入淺出，通俗易懂。適合作為高校計算機專業(yè)本科生及研究生計算機體系結(jié)構(gòu)課程實驗和實踐的教材?！队嬎銠C體系結(jié)構(gòu)實驗》有豐富的配套資源，包括《計算機體系結(jié)構(gòu)》和《計算機體系結(jié)構(gòu)教學(xué)與習(xí)題指導(dǎo)》，PPT講稿和實驗?zāi)M程序等。

圖書封面

評論、評分、閱讀與下載

---

    計算機體系結(jié)構(gòu)實驗 PDF格式下載

---