PDF《现代计算机组成原理》

现代计算机组成原理 科学出版社 科学出版社 普通高等教育"十一五"国家级规划教材 第1章概述1.

1 现代计算机组成原理课的任务 单片机原理及应用 软件工程 编译原理 数据库原理及应用 数据结构 C/C++语言程序设计 计算机系统结构 计算机体系结构 操作系统 计算机网络 微机原理 微机接口技术 计算机基础 数字逻辑电路 计算机组成原理 图1-1 计算机专业基本课程体系简图 1.1.1.问题的提出

1、缺失CPU硬件设计这一重要内容

2、自主创新能力培养与训练方面的课程内容偏少 1.1 现代计算机组成原理课的任务 1.1.2.探索解决问题的方法 1.与国际接轨 2.含有符合现代工程设计技术的CPU设计内容 3.创造能力的培养 4.增加了有关现代计算机组成的新知识点 1.1 现代计算机组成原理课的任务 1.2 EDA技术 1.1.2.探索解决问题的方法 EDA (Electronic Design Automation) 作为EDA技术 最终实现目标的 ASIC,可以通过 2种途径来完成 . 超大规模可编程逻辑器件 半定制或全定制ASIC 1.3 FPGA器件 图1-2 基本PLD器件的原理结构图 输入 缓冲 电路 与阵列或阵列输出 缓冲 电路 输入输出……1.3.1 FPGA的发展历程 20世纪 70年代 F PROM和PLA器件 70年代末 F PAL器件 80年代初 F GAL器件 80年代中期 F FPGA器件 80年代末 F CPLD器件 90年代后 F 大规模FPGA器件 1.3 FPGA器件 1.3.2 Cyclone 系列 FPGA Cyclone与Cyclone II系列器件 FPGA系列 Cyclone器件的可编程资源主要来自逻辑阵列块(LAB), 而每个LAB都是由多个LE(Logic Element)来构成. 在Cyclone器件中所含的嵌入式存储器由数十个M4K的存 储器块构成. 1.3 FPGA器件 1.4 VHDL 硬件描述语言 硬件描述语言 HDL(Hardware Description Language) 常见的HDLVHDL VHDL Verilog Verilog HDL HDL SystemVerilog SystemVerilog SystemC SystemC VHSIC(Very High Speed Integrated Circuit)Hardware Description Language 1.5 EDA设计流程 图1-3 应用于FPGA的EDA开发流程 1. 编辑输入(Editting) (1)原理图输入. (2)状态图输入. (3)波形图输入. (4)HDL文本输入. 1.5 EDA设计流程 2. 综合(Synthesis) 将电路的高级语言(如行为描述)转换成低级的,可与器 件基本结构相映射的网表文件,或电路连接图. 与软件语言的编译(Compilation)不同,由HDL综合出的电 路结构不是惟一的,并且综合的优化也不是单纯的或一个方向的 .为达到速度、面积(逻辑资源)、性能的要求,往往需要对综 合加以约束,称为综合约束,包括速度约束、面积约束、性能约 束等. 1.5 EDA设计流程 3. 适配(Fitting) 适配器 结构综合器 将由综合器产生的网表文件配置于指定的目标器 件中,使之产生最终的下载文件,如JEDEC、Jam 格式的文件. 1.5 EDA设计流程 让计算机根据一定的算法和一定的仿真库对 EDA设计进行模拟,以验证设计,排除错误. 仿真 (1)时序仿真. (2)功能仿真. 4. 时序仿真与功能仿真 (Timing Simulation and Functional Simulation) 1.5 EDA设计流程 5. 编程下载(Programming) 把适配后生成的下载或配置文件,通过编程器或编 程电缆向FPGA进行下载,以便进行硬件调试和验证. 6. 硬件测试(Hardware Debugging) 将含有载入了设计的FPGA的硬件系统进行统一测试 1.5 EDA设计流程 1.6 Quartus II简介 图形或 HDL编辑 编程器 设计 输入 综合或 编译 适配器件 下载 仿真 Analysis & Synthesis (分析与综合) Filter (适配器) Assembler (编程文件汇编) Timing Analyzer (时序分析器) 图1-4 Quartus II设计流程 1.7 CISC和RISC 处理器 1.复杂指令系统计算机CISC 特点 特点 指令系统复杂庞大 目标 (1)面向目标程序优化. (2)面向高级语言和编译程序优化. (3)面向操作系统的优化. 问题 (1)20%与80%规律. (2)VLSI技术发展迅速引起的问题. (3)软硬件的功能分配问题. 2.精简指令集计算机RISC RISC设计方案是针对指令执行的 "微程序控制方式"提出 来的改进方案. 大多数指令在单周期内完成、采用LOAD/STORE结构、 硬布线控制逻辑、减少指令和寻址方式的种类、 固定的指令格式、注重编译的优化. 面向寄存器结构、重视提高流水线的执行效率、 重视优化编译技术. 主要目的 提高"性能/价格比" 1.7 CISC和RISC 处理器 1.8 FPGA在现代计算机领域中的应用 FPGA技术含量正以惊人的速度上升.电子类的新技 术项目的开发更多地依赖于FPGA技术的应用,特别是随 着HDL等硬件描述语言综合工具功能和性能的提高,计算 机中许多重要的元件,包括CPU,都用硬件描述语言来设 计和表达,许多微机CPU,硬核嵌入式系统(如ARM、 MIPS)、软核嵌入式系统(如NiosII),大型CPU,乃至 整个计算机系统都用FPGA来实现 .