第十章Verilog HDL语言初步
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计算机系统综合课程设计
2009年教育部-英特尔精品课程
计算机系统综合课程设计
主讲
杨全胜
东南大学计算机科学与工程学院
P.1
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课程沿革
• 2001年，试开设“计算机系统综合课程设计”
• 2003年，正式开设“计算机系统综合课程设
计”，确定设计内容为SoC设计
• 2005年～2008年，“计算机系统综合课程设计”
共获得东南大学教学成果奖4项
• 2008年，建立课程网站、论坛和QQ群
• 2008年，出版普通高等教育“十一五”国家级
规划教材“计算机系统综合课程设计”
• 2009年，获得教育部-英特尔精品课程建设立项
P.2
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课程设计的总目标
• 利用EDA与IP核开发技术，设计一个带有
MiniSys指令集的CPU核与若干接口部件的
SOC芯片，并为该SOC提供原始的BIOS以
及一个miniSys汇编器
• 初步学会SOC的开发过程
• 初步理解软件、硬件协同设计
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通过课程应该得到的锻炼
• 通过综合实践课程，提高自己动手和综合分析
问题能力
• 通过小组合作，学会与人沟通的能力
• 通过解决实际问题，提高分析问题的能力
• 通过开放的课题，学会探索与研究，锻炼自己
的自主学习与创新能力
• 通过设计总结报告，锻炼撰写文档的能力
• 通过验收环节，锻炼自己语言表达能力
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课程设计的内容
MiniSys 应用程序
MiniSys 汇编器/ MiniC 编译器/IDE
MiniSys BIOS
MiniSys CPU(单核/双核/流水线/超标量)
取指单元 译码单元 控制单元 运算单元
4KBROM 4KBRAM 中断控制
总线仲裁
MiniSysBus
数码管控制器
PWM控制器
看门狗
4×4键盘控制器 …… 定时/计数器
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简易UART
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硬件设计部分
• 基本要求
CPU设计。设计一个可运行指定的31条MIPS
指令的RISC型MiniSys 32位微处理器。
存储器设计。设计哈佛结构存储器，有独立的
4KB的指令存储器和4KB的数据存储器。
接口部件设计。2个16位定时/计数器、4×4键
盘控制器、4位7段数码管控制器、简单UART
串行通信控制器的设计、看门狗控制器的设计。
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硬件设计部分
• 较高要求（必要时可以增加指令）
中断设计。2个中断源，两级中断优先级
扩展中断到>2个中断源，增加中断控制器
用不同的方法实现移位指令，并分析对主频
和功耗上的影响
增加乘法器、除法器等功能部件
流水线CPU设计
……
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硬件设计部分
• 更高要求（必要时可以增加指令）
超标量CPU、指令多发射的设计
考虑SIMD的处理部件的设计
增加浮点流水线的设计
考虑Cache设计问题
指令预取与分支预测模块的设计
仔细分析IBM, SUN, Intel, AMD等公司的多核
结构，初步设计一个双核或多核CPU
……
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软件设计部分
• 基本要求（及格线）
MiniSys32汇编器的设计
硬件各部件测试程序的设计
综合测试程序的设计（简单应用程序）
• 较高要求
基本输入输出系统BIOS的设计
Mini C编译器
探讨如何利用系统软件加强硬件功能
集成开发环境IDE的设计
……
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软件设计部分
• 更高要求
探讨如何在编译器一级提高程序效率
探讨程序如何充分利用双核，软硬件该作何配合
通过对Intel VTune的应用与分析，探讨MiniSys
系统代码跟踪技术
……
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课程的实施方案
• 实验以5~6人为一组，一组交一份设计报告。请各组
指定一名组长，并在下次课将分组的成员名单报上
来。请每位同学务必确认自己在某一组中，并完成
好组长分配的任务。
• 长学期第8周前完成设计，准备验收，验收包括交实
验报告和现场仿真测试。先做完的组可以先申请验
收，届时会通知各组到计算机系统综合实验室（计
算机楼527）进行验收。
• 杜绝拷贝抄袭现象，验收时同组成员必须全部到场，
个人负责自己所作部分的验收。组长还负责陈述本
组设计的特色。
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设计报告内容
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• 设计报告包含纸质和光盘，光盘中包括全部的源程
序（ Verilog程序、BIOS程序、测试程序和应用程
序）、可执行程序、图和纸质设计报告的电子版。
设计报告文档格式的电子版请到网站下载。
• 纸质的设计报告包括
本组人员及各人负责的设计部分
设计的技术特点、系统体系结构描述、各部分实现方案和
特点、系统功能描述、软件使用方法、性能分析。
相关部件的关键Verilog程序（不要全部，但需含注释）或
gdt图
提供举例用vwf文件进行的仿真的验证图若干幅。
BIOS程序，含注释与调用说明。
课程设计总结（包括设计的总结和还需改进的内容）
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课程的安排
计算机系统综合课程设计
• 短学期课程安排
授课、经验交流、设计
时间：周二上午1-4节
地点：J4-203
• 长学期课程安排
各组自行进行设计
周三下午6-9节在计算机楼527教师答疑
验收地点计算机楼527，时间另定
• 助教：吴哲凯、解玉洁，计算机楼532）
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教材与参考书
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• 教材
杨全胜主编，“计算机系统综合课程设计”，清华大
学出版社
• 参考书
朱子玉，李亚民，CPU芯片逻辑设计技术，清华大学出版
社
斯威特曼，MIPS体系结构透视，机械工业出版社
John L.Hennessy，计算机体系结构－量化研究方法（第三
版，第四版），机械工业出版社
Randal E. Bryant，深入理解计算机系统，中国电力出版社
Alfred V．Aho，编译原理(龙书)，机械工业出版社
John Paul Shen，现代处理器设计－超标量处理器基础，电
子工业出版社
Kunle Olukotun，片上多处理器体系结构－改善吞吐率和
延迟的技术 ，机械工业出版社
P.14
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历届优秀设计与相关毕设
• 2005年：流水线CPU设计
• 2006年：超标量CPU与异步CPU设计
• 2007年：BIOS的设计、C编译器的设计
• 2008年：浮点流水、SDRAM控制器、I2C总线控
制器、乘法器与除法器模块、MiniSys IDE的设计、
“东大之芯”系统被应用到东南大学软件学院的
“计算机硬件基础”课程的教学实验中
• 2009年：分支预测、指令预取、Cache、双核
CPU的设计
P.15
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学生设计报告
P.16
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学生作品
P.17
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学生作品的实际运行
计算斐波那契数列
新购置的实验平台上验证
自行研发的实验平台
P.18
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学生展示其SOC作品
P.19
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