南京中医药大学校级虚拟仿真实验教学平台

CPU组合逻辑与指令执行虚拟仿真实验

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CPU组合逻辑与指令执行虚拟仿真实验

学院：人工智能与信息技术学院

所属学科：计算机类

专业门类：计算机科学与技术

项目负责人：高治国

课程年份：2020

课时数：54

课程唯一编号：380511

实验简介：

项目建设的必要性及实用性：

1. 本实验是立足教学实际，坚持十六字方针的创新性实验设计方案

党的十八大以来，习近平总书记就科技创新问题发表了一系列重要讲话，科技创新思想的科学内涵与时代特征主要体现在自主创新、重点跨越、支撑发展、引领未来的十六字方针上。要求我们抓住战略机遇，突出问题导向，高瞻远瞩，结合国情，以产业发展为导向，准确把握发展趋势，重视教育科普，提高全民素质，培养创新大军。本实验立足于教育教学实践，借鉴国内外前沿科技发展，利用虚拟仿真和三维图形（3DCG）等新技术，跨越现有实验条件的限制，为培养高素质人才设计的实验方案。

2. 本实验是培养大学生信息化素养的需要

君子多识前言往行，博学方能融会贯通。信息素养是一种了解、收集、评估和利用信息的知识结构，强调对技术的理解、认知和使用。本实验用生动的模型和动画向学生揭示了冯诺依曼体系结构的运行方式，为其理解编程和数据打下坚实的基础。

3. 本实验内容是一切信息类课程的理论基础

冯诺依曼体系结构是计算机的根本运行方式，芯片多种多样但是原理大同小异，无论你是计算机专业、信息管理专业、甚至是生物技术专业都需要了解计算机的思维方式，这种思维往往被称为计算思维或者是数据思维。

本实验的目的是培养学生的计算思维能力和数据思维能力，帮助他们结合自身专业领域知识完成相关医学实践和研究工作。符合立德树人、素质全面的教育方针和南京中医药大学的教学定位。本实验涉及的理论知识和概念高度抽象、逻辑单元关系复杂，对学生的逻辑重构和能力重构，对教学的内容重构和方法重构有着极高的要求，对于计算机后续课程的影响显而易见。

4. 从“三高一不一大”的角度看，结合多种新技术的虚拟仿真技术是实验制备的最优选择

高危或极端环境；高成本、高消耗；不可逆操作；大型综合训练统称“三高一不一大”

1) 纳米级微观环境下的可视化需求

计算机制造工艺复杂，制程已达纳米级。虽然微观环境不属于高危环境但是几何尺寸过小导致的可视化困难，只有应用仿真技术才能够满足实验需求。

2) 虚拟仿真的价格优势和实验效果的不可替代性

从华为断供事件中可以看出，我国有一定CPU设计能力但是缺乏高端芯片的制造能力。真实环境下现代CPU结构高度复杂，技术细节繁复，结构多样，技术细节难以获得，真实实验场景难以再现。

市面上类似实验通常有硬件仿真和软件仿真。硬件仿真依赖特定芯片，价格高，迭代快，消耗巨大，所以我们依托开源项目模型绕开专利；软件仿真依然停留在高度抽象的思维图谱的基础上，无法让缺乏背景知识的学生理解和掌握，只有虚拟仿真技术和3DCG技术的结合可以为学生提供一个容易理解，代入感强的实验环境。

3) 虚拟仿真可以重复设计组装，没有不可逆的封装问题

现实中CPU封装完成是无法修改的。硬件仿真虽然可以通过接线修改相应连接，但芯片是无法更改的；虚拟仿真实验和软件仿真一样，可以参数化修改和迭代实现，大大降低了成本，但是虚拟仿真实验的表现能力是软件仿真无法比拟的。

4) 虚拟仿真满足是大型综合性实验的需要

软件仿真的复杂性与实验规模的大小有关，聚焦集成电路的软件仿真在整个CPU的层面是极其复杂的，很难通过网络支持实验运行，应此目前能够满足以较小的代价同时实现降低复杂度提高关联度的设计方案备选技术的就只有虚拟仿真了。

因此虚拟仿真技术以其极高的性价比和贴合使用者的针对性成为实验制备技术的最优选。

5. 从实用性的角度看，基于虚拟仿真技术的实验设计实现了以下需求

1) 可以实现综合性实验设计

本实验借鉴了国外CPU开源项目的经验，简化了硬件细节，着重描述逻辑单元之间的关联，可以将组合逻辑实验、数据机内码、指令周期和程序设计等多个实验环节整合到一起，提供一个学生能够理解的模型，并通过可迭代的方案选择和参数选择来实现整体实验项目的推进和评估。

2) 可以提供客观的实验考核手段

虚拟仿真实验将原先书面考核的内容变成了有模型，参数可选，任务驱动、方案可评估的实验考核方式，大大提高了学生的感知度和动手能力，开放性实验解决了实验结果和考核标准单一的问题。避免了过去理论考核只能出试卷，实验考核只能做软件操作的困境。

3) 可以充分利用网络，突破时间空间的限制

定制的虚拟仿真实验对比购买的硬件、软件仿真而言，网络实验部署方式灵活，维护成本低。可以通过网络将虚拟仿真实验开放给所有人反复实验，边际效益突出且不受时间和地域的限制。还可以设计一些固定模式实验中无法尝试的冲突事件，大大延展了教学的深度和广度。

教学设计的合理性：

1. 明确教学目标，突出培养创新性人才

2. 充分整合教学内容的综合性实验

首次将CPU的组合逻辑和指令执行（程序伪代码）的大量知识点结合到一个实验当中，改变了过去通过课堂分部讲解的方式。是综合实验方面的创新。

3. 改变教学方法，以学生为中心，突出自主学习

计算机理论基础知识内容高度抽象，逻辑单元之间关联度高，学生缺乏直观感受，难以深入学习。虚拟仿真实验提供了一个生动有趣，清晰直观的实验场景，有利于调动学生的积极性，自主学习，培养其创新能力。

4. 评价体系的科学客观，可控的挑战度

本实验模型来自于开源项目，以目标驱动方式，通过参数设置和组合排列完成前后关联，可迭代的实验，实验难度可控，实验结果开放，评价体系科学客观。将学生从被动的知识被灌输者变成主动学习的实验推动者，调动了学生的学习热情，通过增加实验的深度、广度和关联度，提高实验项目的挑战度，让学生既能推进实验不卡壳，又能体验丰富的实验层次。实验设计在国内大学信息技术基础课程实验中属于首创。

实验系统的先进性：

本实验设计是不同于现有实验项目体系的一次大胆尝试，实验思路发展自计算机组成原理课程的控制组合逻辑实验等多个专业课程实验，参考了开源项目：Scott CPU 架构的实验思路，强化了逻辑单元关联，简化了内部细节和专业概念，是一个全新设计的创新性实验项目。包含程序设计、CPU组合逻辑和指令运行仿真三个部分，全面涵盖存储程序控制原理的所有主要相关知识点。做到了有模型支持，有参数细节，有步骤、有反馈、有评价的开放性设计实验。

此虚拟仿真实验系统采用C#开发语言，基于Unity开发引擎发布的web gl版本的应用，主要采用web socket协议实现与服务器的通信和数据传输，3DMAX和Maya实现3D图形可视化。

学院：人工智能与信息技术学院

所属学科：计算机类

专业门类：计算机科学与技术

项目负责人：高治国

课程年份：2020

课时数：54

课程唯一编号：380511

计费类别：时长

计费标准：免费

实验简介：

项目建设的必要性及实用性：

1. 本实验是立足教学实际，坚持十六字方针的创新性实验设计方案

2. 本实验是培养大学生信息化素养的需要

3. 本实验内容是一切信息类课程的理论基础

4. 从“三高一不一大”的角度看，结合多种新技术的虚拟仿真技术是实验制备的最优选择

高危或极端环境；高成本、高消耗；不可逆操作；大型综合训练统称“三高一不一大”

1) 纳米级微观环境下的可视化需求

计算机制造工艺复杂，制程已达纳米级。虽然微观环境不属于高危环境但是几何尺寸过小导致的可视化困难，只有应用仿真技术才能够满足实验需求。

2) 虚拟仿真的价格优势和实验效果的不可替代性

3) 虚拟仿真可以重复设计组装，没有不可逆的封装问题

4) 虚拟仿真满足是大型综合性实验的需要

因此虚拟仿真技术以其极高的性价比和贴合使用者的针对性成为实验制备技术的最优选。

5. 从实用性的角度看，基于虚拟仿真技术的实验设计实现了以下需求

1) 可以实现综合性实验设计

2) 可以提供客观的实验考核手段

3) 可以充分利用网络，突破时间空间的限制

教学设计的合理性：

1. 明确教学目标，突出培养创新性人才

2. 充分整合教学内容的综合性实验

首次将CPU的组合逻辑和指令执行（程序伪代码）的大量知识点结合到一个实验当中，改变了过去通过课堂分部讲解的方式。是综合实验方面的创新。

3. 改变教学方法，以学生为中心，突出自主学习

4. 评价体系的科学客观，可控的挑战度

实验系统的先进性：

计费类别：时长

计费标准：免费

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实验介绍

实验必读

预习

自测

实验操作

实验教学目标
实验原理
实验教学过程与实验方法
实验步骤
实验结果与结论

为顺应立德树人、素质全面的教育方针和南京中医药大学培养新时代复合型人才的教学定位。本实验立足于培养学生的信息化素养和统筹规划能力，要求学生理解和掌握计算机工作方式、指令的运行方式、数据的存储和调用方式、逻辑单元的相互关系和性能指标的影响。通过本实验，达到以下目的：

1. 立德树人,培养创新型人才

2. 理解存储程序控制原理。

3. 加深对各个逻辑单元功能和相互联系方式的理解。

4. 掌握组合逻辑设计的方法

5. 加深对指令和指令周期的理解，理解伪指令，微指令，指令执行的关联，

6. 掌握问题到算法到伪指令实现的结构化过程控制

7. 掌握参数设置对于计算机效能的影响，提升综合分析、统筹规划的能力

（1）实验原理(限1000字以内)

实验场景

如图所示，这是一张Scoot CPU开源模型原理图的左边一半，分割线分割了运算器和控制器，运算器内有6个主要逻辑单元，控制器有9个主要逻辑单元，走线将他们连接起来代表了他们之间的组合逻辑。

如图所示，这是这是一张Scoot CPU开源模型原理图的右边一半，给出了存储器的结构和地址的分布。存储器有2个主要的逻辑单元。整个模型一共是17个逻辑单元。

实验模型：

1.伪代码和汇编语言的对应：

	下列运算有的可以携带有赋值语句，赋值给其他变量，加一个 MOV 语句即可		立即数，两种处理方法：作为任务的参考值被直接存入对应的通用寄存器组，二：模拟为通用寄存器	所以，立即数的动画等同寄存器RX,默认为R28-R30
基础运算	a= 属于复制语句	对应的微指令
与	a=AND(a,b)	AND	A:RX,[RX]	B:RX,[RX]
或	a=OR(a,b)	OR	A:RX,[RX]	B:RX,[RX]
异或	a=XOR (a,b)	XOR	A:RX,[RX]	B:RX,[RX]
非	a= NOT(a)	NOT	A:RX,[RX]	无

比较	a>b	CMP	A:RX,[RX]	B:RX,[RX]
通过判断 A E 两个标志位来决定取值	a<b
标志位 A 代表 a 大	a>=b
标志位 E 代表相等	a<=b
	a<>b
	a==b

这里给出5种基本逻辑运算的对应，整个模型提供8种基本运算，24种浮点数运算和32种控制命令的指令系统。

2.汇编语言和微指令的对应关系：

这里给出一个加法汇编语言的2种相关代码对应关系，整个模型提供16种运算的所有对应关系。

ADD R0，[R1]
执行步骤1	R1->MAR,[MAR]->MDR
执行步骤2	MDR->TEMP
执行步骤3	R0,TEMP->(ADD)->ACC
执行步骤4	ACC->R0
ADD [RX]，[RY]	[RX]，[RY]
ADD [R0]，[R1]	[R0]，[R1]
执行步骤1	R1->MAR,[MAR]->MDR
执行步骤2	MDR->TEMP
执行步骤3	R0->MAR,[MAR]->MDR
执行步骤4	MDR,TEMP->(ADD)->ACC
执行步骤5	ACC->MDR
执行步骤6	R0->MAR,MDR->[MAR]

3.微指令和逻辑单元的关系：

就是英文的对应关系：比如R代表寄存器，MAR代表地址寄存器，共17个逻辑单元，具体的对应关系在认知里有预习知识单元。

4.案例程序代码和工程师动画版本

学生在完成代码组合后会生成如下图表左侧的代码，工程师动画版本测试右侧的执行代码，模型提供3个案例各自2个版本的动画，可以添加。

学生版本	工程师运行版本
BEGIN		BEGIN
IN		IN
MOV R16， [R24]	第1次循环	MOV R16， [R24]
CMP R16,R4	判定	CMP R16,R4
JMPNAE CODE2	T	ADD R0,1
ADD R0,1		ADD R24,1
ADD R24,1
JMPNEND CODE1	第2次循环	MOV R16， [R24]
CALL LIST1.ListAVG	判定	CMP R16,R4
MOV R12 , R0	T	ADD R0,1
MOV R13 , R23		ADD R24,1
OUT
END	第3次循环	同T
	第4次循环	同T

	第5次循环	MOV R16， [R24]
	判定	CMP R16,R4
	F	ADD R24,1

	第6次循环	同F

	第7次循环	同T
	第8次循环	同T
	第9次循环	同T
	第10次循环	同T

		CALL LIST1.ListAVG
		MOV R12 , R0

根据模型，我们可以将伪代码变成汇编语句，再变成微指令，再联系到CPU和存储器的17个逻辑单元上，做成动画。由于每一环节都是迭代生成的，我们可以将复杂度提高，实现可控的挑战度。

（2）核心要素仿真设计（对系统或对象的仿真模型体现的客观结构、功能及其运动规律的实验场景进行如实描述，限500字以内）

核心要素仿真度：

本实验即是对真实物理芯片的模拟，也是对计算逻辑的仿真。既有对组合逻辑的设计，又有体现时序逻辑的指令执行过程。

1. 完全实现对实验场景和CPU结构的仿真

通过3DCG技术建设场景模型，将CPU的内部结构以组合逻辑的方式进行结构仿真

由于使用了Scott CPU项目，我们拥有了可靠易理解的芯片结构，即独立于硬件又具备普遍性和适配性；通过设计界面拖曳功能单元的方式实现组合、数据线/地址线/控制线的自动生成连接或手动连接，进而实现了整个CPU逻辑功能的设计。

2. 完全实现对逻辑单元的对象仿真和功能仿真

将内部逻辑单元的功能和相互联系在组装和指令运行的过程中表现出来

逻辑单元中包含组合逻辑的设计部分和认知理解部分。在组合逻辑的设计部分通过拖曳逻辑单元和真值表验证组合。功能上比上一层有所简化，由于是更小的逻辑单元，所以用简单的真值表来仿真逻辑。

3. 完全实现对指令执行的过程仿真

每一条指令的执行都有指令周期，本实验设计了一个最多6个步骤的指令周期（复杂指令），在设计完成指令系统（16条指令），后通过编程实现一个需求（比如排序、检索等）。编好的伪代码将自动转换为二进制代码，然后在设计好的CPU和主存之间运行，每一条指令的每一个步骤中逻辑单元之间的相互关系和数据流动过程都会用动画显示，每一个数据流经的寄存器都会被记录数值的变化，帮助学生理解计算机的工作原理。

考核模块	实验参数模型选择	实验影响	理论依据和结论
基本认知		17个逻辑单元，8个基本运算（2个重复）3个机内码、6个算术运算、2组控制指令	共38个预习点
算法设计	数据选项6个评价点	1. 选择定点数后期选择短操作码可以有效提高效率 2. 选择浮点数后期需要选择长操作码相互匹配 3. 选择连续数据，为数据处理开辟存储区	定点数和浮点数在计算机内的长度和计算复杂度不同，应用的运算模块也不同，如果前期的设计和后期设计不相符合就会产生扣分项目
指令宽度设计	方案选择1个评价点	1. 选择短操作码，配合定点数运算，提高运行效率 2. 选择长操作码，配合浮点数运算提高运行效率；配合软件模拟提高运行效率	考核学生对于指令宽度的影响的认知和理解，与前一步骤契合。
算法结构设计	方案选择积木式编程15个以内评价点	复选：方案隐含在代码组合中 1. 选择连续数据的方案 2. 选择软件模拟方案表达式配对5-15对，根据不同的案例表达式数量也不同可以复选方案，匹配更多的表达式，	考核学生对于程序结构的认知和理解，与前两个步骤契合考核学生编程和控制能力，积木式编程也是需要最终正确完成，匹配的次数影响分数
CPU结构设计	组合逻辑组装17个以内评价点	逻辑单元模块的选择和装配，前四步骤的选择会影响最后装配的组合逻辑模块，装配成功即可进入动画执行验证模块	考核学生逻辑结构的统筹能力，前四步骤互相影响，这一步骤将最后的方案固定形成实验报告

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网络要求
硬件要求
用户操作系统要求

（1）说明客户端到服务器的带宽要求（需提供测试带宽服务）

带宽要求：20M下行对等带宽。

经测试客户机，带宽在20M以上时，能够有较快的加载速度和较好的交互体验。

本次测试基于主流配置计算机，模拟学生在校内校外不同的使用环境，最大限度地还原用户上网学习虚拟仿真实验的需求。

测试一：物理连接链路测试。测试目的：测试客户机和虚拟仿真实验项目网站的延迟和丢包情况；测试方法：客户机对本次虚拟仿真实验项目网站进行PING操作。

测试二：网络质量测试。测试目的：测试不同网络环境访问本虚拟仿真实验页面的加载情况。测试方法：通过IP代理，测试客户机在不同地域环境下打开虚拟仿真实验项目网页的速度。

测试结果：

当客户机带宽小于20M时，丢包情况严重、网络延时都很高，部分环境延时可以达到20ms以上，丢包率超过5%；

当客户机带宽小于20M的时候，在不同IP对本虚拟仿真实验网页打开的测试中，网页打开速度较慢，特别是课件加载卡顿现象也常有发生，访问效果不理想。

基于以上测试结果，我们推荐客户机的带宽应大于20M。

（2）说明能够支持的同时在线人数（需提供在线排队提示服务）

本虚拟仿真项目的服务器最佳响应并发数为300。

我们模拟用户访问虚拟仿真项目网站首页、用户登录和加载课件等操作。

经测试，当用户数量在300以下时，各项服务均能在0.2s内做出响应，服务器负载处于较低水平，课件加载也很快。当用户数达到2000，服务响应时间维持在0.8s以内，但课件加载速度下降严重。当用户数达到6000时，服务响应时间超过1s，服务器负载也超过了80%。

基于以上测试结果我们认为本虚拟仿真项目服务器的最佳响应并发数为300。

步骤序号	步骤目标要求	步骤合理用时	目标达成度赋分模型	步骤满分	成绩类型
	度量单位	分钟		分
1	基本认知，CPU与主存储器	1	预览逻辑结构	0	预习成绩
2	运算器：TEMP暂存器，算术逻辑单元，协处理器，ACC累加器，标志寄存器和通用寄存器。算术逻辑单元，逻辑运算和算术运算模块，逻辑门电路。	15	6个逻辑单元（每个1分） 8个基本运算	14	预习成绩
3	控制器，查看Stepper步进器，Clock时钟发生器，MAR地址寄存器，MDR数据寄存器，操作控制器，译码器/E使能器，IR指令寄存器，PC指令计数器，	9	9个逻辑单元（共6分）	6	预习成绩
4	存储器，查看行列译码器和存储单元	2	2个逻辑单元（共2分）	2	预习成绩
5	基本认知-指令系统，机内码，无符号数，带符号数，浮点数;算术运算指令和控制运算指令	17	3个机内码、6个算术运算、2组控制指令（每个1/2/1分）	16	预习成绩
6	程序与指令，选择案例和数据	1		0	操作成绩
7	选择任务对应的数据在计算机内的表示方式	5	6个知识评价点	6	操作成绩
8	选择指令宽度的预选方案	1	1个知识评价点	6	操作成绩
9	结构设计，程序伪代码的编写。	25	N个知识评价点，根据案例代码数量不同，隐含方案也不同，按总分做比例	30	操作成绩
10	逻辑与结构	15	同上	20	操作成绩
	指令执行，提交设计方案，查看小节报告	91	合计	100	实验报告