课程概述


      本课程设计的系列原创的虚拟仿真实验有效克服了传统计算机硬件实验平台和实验体系的不足，无需任何硬件实验平台，突破了传统硬件实验对实验场地和实验平台的约束，课内课外相结合，特别适合线上线下开展。遵循层次化、递进化、系统化的思想，利用简单易学的虚拟仿真实验平台，采用最直观的构建原理图的方式，让学生从门电路开始逐步设计组合逻辑、时序逻辑、运算器、存储系统、数据通路和控制器、流水控制逻辑直至完整的MIPS CPU来深入理解计算机系统，大大加深硬件系列课程的理解。计算机相关专业同学在学习《数字逻辑》、《计算机组成与体系结构》时可配套本课程的部分或全部内容进行辅助学习，可大大提升相关课程学习效果。
       课程成果从2019年开始逐步应用在我院《计算机组成与体系结构实验》、《系统硬件综合训练》等课程的实践教学中，受到了广大师生的一致好评。课程的改革成效获得了同行的高度认可，课程先后获省级教学团队、省级示范课程、省级一流课程，2020年获得省级混合式教学金课荣誉称号。教指委计算机类多位委员评价“课程教学改革具有先进性、前沿性、适用性，具有较高的科学性水平”





无需硬件，一小时玩转实验平台，随时随地做实验

实验无需任何硬件平台，采用基于JAVA平台的Logisim虚拟仿真软件开展相关实验，可在支持Win、Linux、Mac平台。平台简单易学，一小时即可上手实验，有效突破传统硬件实验对时间、空间的限制，改变实验模式，极大的拓展延长了课外实验时间，大大提升实验效率，特别适合线上线下开展。目前加州伯克利大学CS61C课程，康奈尔大学CS3410课程、杜克大学ECE250D课程均采用该平台进行实验。 

原理图构建电路，简单直观，培养硬件思维

传统实验箱实验可靠性低，调试工作量大，挫败感严重，维护工作量大，在固定的实验场所有限时间内很难完成复杂的设计型实验。FPGA开发板实验采用硬件描述语言进行硬件设计，但学习周期过长，调试难度大，技术水平要求过高；硬件设计程序化导致学生很难建立硬件设计与底层电路的对应关系，硬件设计体会不深。本课程在Logisim虚拟仿真平台上采用原理图方式进行硬件电路设计，不需学习硬件描述语言等课程，平台易学易用，调试方便，原理图构建电路可有效提升学生的硬件思维，延续了数字逻辑课程中的设计方法。

  做中学，玩中学，丰富的原创实验等你来通关

本课程开发的一系列的原创性实验，既体现趣味性，又体现实验难度，让学生在做中学，玩中学。原创的海明、CRC校验码编码流水传输实验、流水乘法器实验、磁盘阵列控制器实验、cache硬件设计实验、MIPS多周期硬布线与微程序控制器设计、MIPS五段流水CPU设计、动态分支预测实验等均是国际国内首创，一个个层次递进，由易到难的实验就犹如游戏中设计精巧的关卡，等待你去通关，不服来战！


  评测自动化，结果及时反馈，无需老师相伴左右

通过输入输出接口规范化，测试用例标准化，性能指标数据化，实验测试评分自动化等一系列手段，构建了实验一分钟检测框架，大大提升实验的易检查性。原创的硬件实验自动评测系统，学生可自行检查实验、系统可进行故障记录、自动评分，及时反馈实验结果，大大提升实验效率，为实验提供精准指导，学生自主学习，主动实践，促进实践教学模式的改革。


  无缝对接理论课程，提升学习效果，培养系统能力

实践内容紧扣硬件课程理论教学重点难点，努力让枯燥的理论知识在实践中鲜活起来，重知识点的综合应用和评价，学生反馈完成实验知识点想忘都难，真正做到实践教学助力理论教学。将高难度的CPU设计任务分解为层次递进，由易到难的多个单元实验，跨课程实施，最终集成为完整的CPU，让多门课程衔接更顺畅，在递进的学习过程中让学生养成系统观，有效提升学生计算机系统设计能力。



预备知识

    第二章先修课为数字逻辑、其他章节先修课为计算机组成原理、汇编语言设计、C语言程序设计，课程可以配合《操作系统》一起学习，方便大家从软件和硬件两个层次深入理解计算机。


授课大纲

1、课程导学与实验环境

1.0 《计算机硬件系统设计》课程导学

1.1 一小时玩转Logisim

1.2 Logisim中的延迟与险象

1.3 Logisim中的震荡现象

1.4 Logisim常用组件库【线路库看看即可,其它用啥学啥】

1.5 Logisim新手实验(★必做实验★)

1.6 Logisim作品秀《五级流水CPU+操作系统+应用程序》

1.7 Educoder在线测试

实验工具知识测试

2 数字逻辑基础实验 (数字逻辑)

2.1 组合逻辑电路设计

2.2 同步时序电路设计

2.3 小型数字系统设计

数字逻辑知识测试

3 数据表示实验 (组成原理)

3.1 汉字编码实验

3.2 奇偶校验应用实验 RAID控制器(建设中)

3.3 海明编码设计实验

3.4 CRC编码设计实验

3.5 编码流水传输实验

4 运算器设计

4.1 运算器实验基本框架

4.2 快速加法器实验

4.3 32位ALU设计实验

4.4 阵列乘法器以及乘法流水线设计

4.5 原码一位乘法器设计

4.6 补码一位乘法器设计

5 存储系统设计

5.1 存储系统实验框架

5.2 汉字字库存储扩展实验

5.3 MIPS RAM设计

5.4 MIPS寄存器文件设计

5.5 Cache映射机制与逻辑实现

5.6 硬件cache机制设计设计实验

6 MIPS CPU设计

6.1 单周期MIPS架构

6.2 多周期MIPS架构

6.3 单周期MIPS CPU设计（8条指令）

6.4 多周期MIPS CPU微程序控制器设计

6.5 多周期MIPS CPU硬布线控制器设计

6.6 单周期MIPS CPU设计（24条指令）

6.7 MIPS中断处理机制

参考资料


1、主要参考教材

  •  谭志虎，计算机组成原理实验指导与习题解析. 北京：人民邮电出版社，2022年.


2、其他参考资料

  1. George Self(美). EXPLORING DIGITAL LOGIC WITH LOGISIM，2013年.

  2. 欧阳星明 溪利亚. 数字电路逻辑设计(第2版) 北京：人民邮电出版社，2016年.  

  3. M.Morris Mano(美). 逻辑与计算机设计基础（第4版）.北京：机械工业出版社，2012年. 

  4. 秦磊华，吴非，莫正坤.计算机组成原理. 北京：清华大学出版社，2011年.

  5. 袁春风. 计算机组成与系统结构. 北京：清华大学出版社，2011年.

  6. David A. Patterson(美).计算机组成与设计硬件/软件接口(原书第5版).北京：机械工业出版社.

  7. Randal E. Bryant (美). 深入理解计算机系统（第3版）.北京：机械工业出版社，2016年.

  8. 张晨曦，王志英. 计算机系统结构. 高等教育出版社.北京：2008年.

  9. David Money Harris(美).数字设计和计算机体系结构（第二版）. 机械工业出版社，2016年. 组成原


常见问题

[1]     实验环境：logisim-ita-cn-20200118，java平台，支持Win、Linux、MAC平台，无需任何硬件平台。

[2]     实验资料下载：   https://gitee.com/totalcontrol/hustzc/  （码云下载）