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个阶段执行特定的操作,执行时间长的指令就执行多个周期,执行时间短的指令就使用相对少的几个周期,这样就提高了指令执行的效率.多周期CPU除了要完成上述所有单周期CPU需要执行的指令外,还增加了表3中的4条指令,这些指令包括逻辑移位指令和存储器访问指令.
观察多周期CPU可执行的指令,它比单周期CPU可执行的指令多了逻辑移位指令和存储访问指令,因此,多周期CPU在结构上比单周期CPU多了桶形移位器和数据存储器.另外,多周期CPU执行一条指令时需要多个时钟周期,只有在指令的运算周期,才会用到ALU,在其他周期ALU是空闲的.为了简化硬件结构,在ALU空闲期间可以用它来计算下一条指令的地址,这样用于计算下条指令地址的加法器就省略了.和单周期CPU相比,多周期CPU的控制信号也相应的有所增加,多周期CPU的结构图如图2所示.
3.3大型作业
进行了单周期CPU和多周期CPU的设计训练之后,同学们具备了一定的CPU设计基础,有了设计相对复杂的CPU的知识储备.在学期的后半段,我们会布置大型课程设计作业,作业内容包括MIPS体系结构5级流水线CPU的设计,或是ARM体系结构CPU的设计,我们也鼓励同学们自己设计指令系统,并能够设计出可以执行这些指令的CPU.
大型作业要求同学们分组完成,每组2～4名同学分工合作,这样既减轻了他们的工作量,又锻炼了他们协同合作的能力.
4教学效果
自2008年秋季学期开始,我系在计算机组成原理实验课程中采用了用EDA技术在FPGA上进行CPU设计的教学方式.通过对CPU设计的学习,同学们加强了对于计算机硬件结构的理解,增强了数字系统设计的能力.在有些设计阶段,同学们的设计超出了教学讲解的范围,他们通过讨论、查询网络和查阅图书资料等方式解决问题,增加了他们的自学能力和搜集利用资料的能力.部分同学因此对CPU的设计产生了浓厚的兴趣,有些同学设计了包含MIPS所有整数指令的五级流水CPU,还有的同学设计了ARM11结构的处理器,并在此基础上增加总线及总线接口、PS/2接口、VGA接口等部分,接上键盘和显示器,就构成了一台完整的计算机硬件裸机,然后又用已经实现的指令编写了游戏软件,实现了在自己设计的机器上玩自己设计的游戏的梦想.也有同学将设计的系统作为作品参加了相关的设计大赛,获得了很好的名次.
5结语
经过5年的教学实践,计算机系证明了在计算机组成原理实验课程中,指导学生利用EDA技术在FPGA上实现—个CPU在教学安排上是可行的,相关实践取得了很好的教学效果,为学生的研究和学习增加了—个可选的方向,对我国硬件人才的培养也非常有益.
参考文献：
[1]袁春风,张泽生,蔡晓燕.计算机组成原理课程实践教学探[J].计算机教育,2011（17）：110-114.
[2]王帅.美国一流大学计算机组成与系统结构实验课程研究[J].计算机教育,2011（17）：115-118.
[3]李山山,全成斌.计算机组成原理课程实验教学的调查与研究[J].计算机教育,2010（22）：127-129.
[4]袁春风.计算机组成与系统结构[M].北京：清华大学出版社,2010：229-264.
[5]李亚民.计算机原理与设计：VeirilogHDL版[M].北京：清华大学出版社,2011：127-202.
（编辑：孙怡铭）
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