计算机系统结构实践教程
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本书设计和编写了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。本书覆盖面广，内容丰富，有利于加深对系统结构知识的理解。本书的实验既有基于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。本书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。本书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。本书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。
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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
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
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计算机系统结构是计算机专业及相关专业的一门重要的专业课程。但是，长期以来，该课程的实验一直是一个令人头疼的问题。系统结构课程内容比较抽象、单调，不少内容要通过实验才能更好地理解。而且，通过实验研究对系统结构进行量化分析，是国际上流行的一种方法。
基于硬件平台来做实验不仅成本高，而且目前没有合适的系统结构实验平台。国外研究和实践经验表明，基于模拟器开设虚拟实验是一种有效的途径，有时其效果甚至比实物实验更好。因此，本教材基于我们自行开发的具有自主版权的模拟器，设计和编写了11个实验。其中前6个实验是分两组平行的，分别基于MIPS指令集(本书的第一部分)和SPARC指令集(本书的第二部分)。教师可以根据具体的教学需要从中选择一组。后5个实验构成第三部分，是必选的。
每个实验都由实验目的、实验平台、实验内容和步骤、模拟器使用手册以及相关知识5部分构成。“相关知识”部分系统地论述了与该实验相关的知识，使读者能为实验做好充分的准备。
采用本书，可以开设以下8个实验：
(1)指令系统和体系结构
(2)流水线及流水线中的冲突
(3)指令调度和延迟分支
(4)Cache性能分析
(5)Tomasulo算法
(6)再定序缓冲(ROB)工作原理
(7)多Cache一致性——监听协议
(8)多Cache一致性——目录协议
本书光盘中提供了所有上述实验所需要的模拟器和样例程序，只要把模拟器复制到硬盘中即可使用。
本书主要由同济大学的张晨曦、刘依，哈尔滨工业大学的刘宏伟，同济大学的孙太一，国防科技大学的沈立以及同济大学的李江峰等编写；张硕、程志强、王伟、江釜等也参加了部分内容的编写。
由于本书的“相关知识”部分系统地论述了与该实验相关的知识，所以本书可以跟大多
数系统结构教材配合使用，而且还可作为自学者的辅助教材。
本书所附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。
关于新的信息，请关注本课程的网站：WWW．GotoScholl．net或WWW．Arch365．net。
由于作者水平有限，书中难免有错误和不妥之处，敬请读者批评指正。
张晨曦
基于硬件平台来做实验不仅成本高，而且目前没有合适的系统结构实验平台。国外研究和实践经验表明，基于模拟器开设虚拟实验是一种有效的途径，有时其效果甚至比实物实验更好。因此，本教材基于我们自行开发的具有自主版权的模拟器，设计和编写了11个实验。其中前6个实验是分两组平行的，分别基于MIPS指令集(本书的第一部分)和SPARC指令集(本书的第二部分)。教师可以根据具体的教学需要从中选择一组。后5个实验构成第三部分，是必选的。
每个实验都由实验目的、实验平台、实验内容和步骤、模拟器使用手册以及相关知识5部分构成。“相关知识”部分系统地论述了与该实验相关的知识，使读者能为实验做好充分的准备。
采用本书，可以开设以下8个实验：
(1)指令系统和体系结构
(2)流水线及流水线中的冲突
(3)指令调度和延迟分支
(4)Cache性能分析
(5)Tomasulo算法
(6)再定序缓冲(ROB)工作原理
(7)多Cache一致性——监听协议
(8)多Cache一致性——目录协议
本书光盘中提供了所有上述实验所需要的模拟器和样例程序，只要把模拟器复制到硬盘中即可使用。
本书主要由同济大学的张晨曦、刘依，哈尔滨工业大学的刘宏伟，同济大学的孙太一，国防科技大学的沈立以及同济大学的李江峰等编写；张硕、程志强、王伟、江釜等也参加了部分内容的编写。
由于本书的“相关知识”部分系统地论述了与该实验相关的知识，所以本书可以跟大多
数系统结构教材配合使用，而且还可作为自学者的辅助教材。
本书所附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。
关于新的信息，请关注本课程的网站：WWW．GotoScholl．net或WWW．Arch365．net。
由于作者水平有限，书中难免有错误和不妥之处，敬请读者批评指正。
张晨曦
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21世纪是知识经济的时代，是人才竞争的时代。随着21世纪的到来，人类已步人信息社会，信息产业正成为全球经济的主导产业。计算机科学与技术在信息产业中占据了最重要的地位，这就对培养21世纪高素质创新型计算机专业人才提出了迫切的要求。
为了培养高素质创新型人才，必须建立高水平的教学计划和课程体系。在20多年跟踪分析ACM和IEEE计算机课程体系的基础上，紧跟计算机科学与技术的发展潮流，及时制定并修正教学计划和课程体系是尤其重要的。计算机科学与技术的发展对高水平人才的要求，需要我们从总体上优化课程结构，精炼教学内容，拓宽专业基础，加强教学实践，特别注重综合素质的培养，形成“基础课程精深，专业课程宽新”的格局。
为了适应计算机科学与技术学科发展和计算机教学计划的需要，要采取多种措施鼓励长期从事计算机教学和科技前沿研究的专家教授积极参与计算机专业教材的编著和更新，在教材中及时反映学科前沿的研究成果与发展趋势，以高水平的科研促进教材建设。同时适当引进国外先进的原版教材。
为了提高教学质量，需要不断改革教学方法与手段，倡导因材施教，强调知识的总结、梳理、推演和挖掘，通过加快教案的不断更新，使学生掌握教材中未及时反映的学科发展新动向，进一步拓宽视野。教学与科研相结合是培养学生实践能力的有效途径。高水平的科研可以为教学提供最先进的高新技术平台和创造性的工作环境，使学生得以接触最先进的计算机理论、技术和环境。高水平的科研还可以为高水平人才的素质教育提供良好的物质基础。学生在课题研究中不但能了解科学研究的艰辛和科研工作者的奉献精神，而且能熏陶和培养良好的科研作风，锻炼和培养攻关能力和协作精神。
进入21世纪，我国高等教育进入了前所未有的大发展时期，时代的进步与发展对高等教育质量提出了更高、更新的要求。2001年8月，教育部颁发了《关：厂加强高等学校本科教学工作，提高教学质量的若干意见》。文件指出，本科教育是高等教育的主体和基础，抓好本科教学是提高整个高等教育质量的重点和关键。随着高等教育的普及和高等学校的扩招，在校大学本科计算机专业学生的人数将大量上升，对适合21世纪大学本科计算机科学与技术学科课程体系要求的，并且适合中国学生学习的计算机专业教材的需求量也将急剧增加。为此，中国计算机学会和清华大学出版社共同规划了面向全国高等院校计算机专业本科生的“21世纪大学本科计算机专业系列教材”。本系列教材借鉴美国ACM和IEEE最新制定的Computing Curricula 2005(简称CC2005)课程体系，反映当代计算机科学与技术学科水平和计算机科学技术的新发展、新技术，并且结合中国计算机教育改革成果和中国国情。
中国计算机学会教育专业委员会和全国高等学校计算机教-育研究会，在清华大学出版社的大力支持下，跟踪分析CC2001，并结合中国计算机科学与技术学科的发展现状和计算机教育的改革成果，研究出了《中国计算机科学与技术学科教程2002》(China Computing Curricula 2002，简称CCC2002)，该项研究成果对中国高等学校计算机科学与技术学科教育的改革和发展具有重要的参考价值和积极的推动作用。
“21世纪大学本科计算机专业系列教材“正是借鉴美国ACM和IEEE CC2005课程体系，依据CCC2002基本要求组织编写的计算机专业教材。相信通过这套教材的编写和出版，能够在内容和形式上显著地提高我国计算机专业教材的整体水平，继而提高我国大学本科计算机专业的教学质量，培养出符合时代发展要求的具有较强国际竞争力的高素质创新型计算机人才。
中国工程院院士
国防科学技术大学教授
21世纪大学本科计算机专业系列教材编委会名誉主任
为了培养高素质创新型人才，必须建立高水平的教学计划和课程体系。在20多年跟踪分析ACM和IEEE计算机课程体系的基础上，紧跟计算机科学与技术的发展潮流，及时制定并修正教学计划和课程体系是尤其重要的。计算机科学与技术的发展对高水平人才的要求，需要我们从总体上优化课程结构，精炼教学内容，拓宽专业基础，加强教学实践，特别注重综合素质的培养，形成“基础课程精深，专业课程宽新”的格局。
为了适应计算机科学与技术学科发展和计算机教学计划的需要，要采取多种措施鼓励长期从事计算机教学和科技前沿研究的专家教授积极参与计算机专业教材的编著和更新，在教材中及时反映学科前沿的研究成果与发展趋势，以高水平的科研促进教材建设。同时适当引进国外先进的原版教材。
为了提高教学质量，需要不断改革教学方法与手段，倡导因材施教，强调知识的总结、梳理、推演和挖掘，通过加快教案的不断更新，使学生掌握教材中未及时反映的学科发展新动向，进一步拓宽视野。教学与科研相结合是培养学生实践能力的有效途径。高水平的科研可以为教学提供最先进的高新技术平台和创造性的工作环境，使学生得以接触最先进的计算机理论、技术和环境。高水平的科研还可以为高水平人才的素质教育提供良好的物质基础。学生在课题研究中不但能了解科学研究的艰辛和科研工作者的奉献精神，而且能熏陶和培养良好的科研作风，锻炼和培养攻关能力和协作精神。
进入21世纪，我国高等教育进入了前所未有的大发展时期，时代的进步与发展对高等教育质量提出了更高、更新的要求。2001年8月，教育部颁发了《关：厂加强高等学校本科教学工作，提高教学质量的若干意见》。文件指出，本科教育是高等教育的主体和基础，抓好本科教学是提高整个高等教育质量的重点和关键。随着高等教育的普及和高等学校的扩招，在校大学本科计算机专业学生的人数将大量上升，对适合21世纪大学本科计算机科学与技术学科课程体系要求的，并且适合中国学生学习的计算机专业教材的需求量也将急剧增加。为此，中国计算机学会和清华大学出版社共同规划了面向全国高等院校计算机专业本科生的“21世纪大学本科计算机专业系列教材”。本系列教材借鉴美国ACM和IEEE最新制定的Computing Curricula 2005(简称CC2005)课程体系，反映当代计算机科学与技术学科水平和计算机科学技术的新发展、新技术，并且结合中国计算机教育改革成果和中国国情。
中国计算机学会教育专业委员会和全国高等学校计算机教-育研究会，在清华大学出版社的大力支持下，跟踪分析CC2001，并结合中国计算机科学与技术学科的发展现状和计算机教育的改革成果，研究出了《中国计算机科学与技术学科教程2002》(China Computing Curricula 2002，简称CCC2002)，该项研究成果对中国高等学校计算机科学与技术学科教育的改革和发展具有重要的参考价值和积极的推动作用。
“21世纪大学本科计算机专业系列教材“正是借鉴美国ACM和IEEE CC2005课程体系，依据CCC2002基本要求组织编写的计算机专业教材。相信通过这套教材的编写和出版，能够在内容和形式上显著地提高我国计算机专业教材的整体水平，继而提高我国大学本科计算机专业的教学质量，培养出符合时代发展要求的具有较强国际竞争力的高素质创新型计算机人才。
中国工程院院士
国防科学技术大学教授
21世纪大学本科计算机专业系列教材编委会名誉主任
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