CPU设计实践教程-从数字电路到计算机组成 课件 第1章 概述

2026/6/11P.1CPU设计实践教程——从数电到计算机组成计算机系统能力培养课题组东南大学计算机科学与工程学院计算机系统能力培养系列2026/6/11P.2概述计算机系统能力培养系列课程内容数字逻辑电路实验设计CPU中常用的器件组成原理课程实验设计CPU常用的部件组成课程设计设计单周期Minisys-1CPU（含接口）Minisys-1汇编程序设计设计多周期Minisys-1CPU（含接口）2026/6/11P.3你会学到什么？现代芯片设计方法硬件描述语言HDL（HardwareDescriptionLanguage）VerilogHDL专门描述硬件工作原理的语言与程序设计语言（C）的主要区别语言内置的并行性/并发性不仅描述逻辑，而且描述时序软件：1+1的计算结果等于2硬件：1+1的计算结果等于2&什么时候完成这个计算2026/6/11P.4你会学到什么？基本原理计算机的组成计算机最常见的电子器件有哪些？计算机的基本组成部件有哪些？计算机各组成部件间如何关联？重点：CPU如何从1条指令推导出数据通路？如何把多个数据通路组合成完整数据通路？如何设计控制指令执行的控制系统？如何让CPU与外界联系起来(I/O部件）？2026/6/11P.5计算机系统层次2026/6/11P.6应用物理层跨度太大，无法一步到位计算机系统层次2026/6/11P.7算法门电路级/寄存器传输级(RTL)应用指令集架构(ISA)操作系统/虚拟机微架构器件程序设计语言/编译器电路物理层设计一个CPU应从哪里开始2026/6/11P.8应用指令集架构（ISA）操作系统编译器固件I/O系统指令集处理数字设计电路设计数据通路&控制

布局&晶元半导体材料计算机硬件的基础部件应掌握的基本门级电路与门。完成C=A&B的逻辑运算。或门。完成C=A|B的逻辑运算。非门。完成A=~B的逻辑运算。与非门。完成C=~（A&B）的逻辑运算。或非门。完成C=~（A|B）的逻辑运算。异或门。完成C=A^B的逻辑运算。异或非们。完成C=~（A^B）的逻辑运算。2026/6/11P.9计算机硬件的基础部件应会设计的基本器件多路选择器译码器编码器比较器锁存器与触发器寄存器分频器和计数器和脉宽调制器（PWM）移位寄存器2026/6/11P.10计算机硬件的基础部件应会设计的基本部件寄存器文件。又称为寄存器堆或寄存器组。加减法器。乘法器和除法器。运算器。存储器及存储器的扩展。7段数码管控制器。LED输出控制器。拨码开关输入控制器。2026/6/11P.11计算机系统组成2026/6/11P.12硬件软件控制器运算器系统软件应用软件BIOS与操作系统Windows系列、Unix、Linux、FreeBSDCPU存储器输入设备输出设备支撑软件汇编、编译、调试、数据库管理软件微机系统硬件是系统的硬平台，操作系统是系统的软平台，系统软件通常支撑用户软件的开发。计算机软件系统2026/6/11P.13裸机基本输入输出系统(BIOS)操作系统支撑软件应用软件硬件系统系统软件应用软件软件系统计算机系统组成2026/6/11P.14冯·诺依曼模型计算机的程序执行过程计算机软件软硬件工作过程2026/6/11P.15高级语言源程序编译汇编语言源程序汇编二进制机器作业指令操作系统调度或BOOT引导二进制机器指令流CPU取指、译码、控制单元电路上的电信号直接控制CPU各部件运作通过接口电路控制外设运作链接计算机存储结构类型冯·诺依曼结构将指令和数据以二进制形式存储在同一个存储器的结构。缺点流水处理器中会产生访存冲突有安全漏洞2026/6/11P.16计算机存储结构类型哈佛结构指令和数据分别存储在指令存储器和数据存储器中缺点处理器外扩展存储体方式时，需要的引脚数会比冯·诺依曼结构多很多如果程序中的常量定义在指令存储器中，则对它的读取要比读取数据存储器中的数据复杂2026/6/11P.17计算机指令集类型复杂指令集计算机（CISC，ComplexInstructionSetComputer）指令功能非常强大指令格式比较复杂通常采用不等长指令设计指令的寻址方式丰富绝大多数指令的执行需要多个时钟周期2026/6/11P.18计算机指令集类型精简指令集计算机（RISC，ReducedInstructionSetComputer）只选用使用频率高的指令，减少指令条数。采用简单的指令格式和寻址方式，指令的长度固定，大多数指令能在一个时钟周期内完成。只有Load/Store指令能访问存储器外外。由于计算机结构简单，所以主要采用硬布线逻辑，较少使用或者不用微程序控制。更适合流水、超标量处理器的设计2026/6/11P.19单周期、多周期与流水单周期CPU处理器在一个时钟周期内完成所有的工作，即从指令取出，到得到结果，全部在一个时钟之内完成。适合不很复杂的电路2026/6/11P.20单周期、多周期与流水多周期CPU将整个CPU的执行过程分成几个阶段，每个阶段用一个时钟去完成。问题：假设原来单周期的CPU完成一次完整操作需要10ms，则单周期处理器最高频率为多少？如果将其执行分成3个阶段，每个阶段完成的时间分别为3ms,3ms,4ms，则多周期下的最高频率是多少？2026/6/11P.21单周期、多周期与流水流水CPU在多周期CPU设计的基础上，利用各阶段电路间可并行执行的特点，让各个阶段的执行在时间上重叠起来。2026/6/11P.22EDA工具分类电子电路设计及仿真工具MATLAB用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境Proteus将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086，MSP430，Cortex和DSP系列处理器等2026/6/11P.23EDA工具分类PCB设计工具Protel包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计（包含印刷电路板自动布局布线），可编程逻辑器件设计、图表生成、电路表格生成、支持宏操作等功能2026/6/11P.24EDA工具分类IC设计工具ASIC设计工具

CadenceMentorGraphicsSynopsysPLD/FPGA设计工具XilinxVivado设计套件高度集成的设计环境和新一代从系统到IC级的工具AlteraQuartusII2026/6/11P.25EDA技术的运用从传统实验手段转换到EDA技术手段从固定TTL芯片接线向FPGA设计方式转化从依赖TTL芯片到更关注数字逻辑本身用硬件描述语言设计更为复杂的电路学会用仿真时序图而不是用LED、拨码开关查看中间结果利用已有的IP核来加快项目的设计2026/6/11P.26采用