Transcript 计算机系统综合课程设计1

教育部-英特尔精品课程
计算机系统综合课程设计
课程简介
主讲
杨全胜
东南大学计算机科学与工程学院
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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核与若干接口部件核
的SOC芯片，并为该SOC提供原始的BIOS、
一个miniSys汇编器或Mini C编译器以及一
个带全屏编辑的IDE。
• 初步学会SOC的开发，了解一个工程项目的
开发过程
• 初步理解软件、硬件协同设计
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本课程直接涵盖的知识点
算
法
算设
机计
理、
论数
课值
程分
、析
数、
学信
基号
础与
课系
程统
、
计
离
散
数
学
数
据
结
构
电子商务
C++
多媒体技术 …
JAVA
C#
…
数据库 操作系统 编译系统
BIOS与接口驱动程序设计
软
件
工
程
汇编语言
嵌入式系统
外围接口电路设计
SOC芯片设计
CPU及整机设计（计算机组成原理）
模拟电路、数字逻辑电路设计
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软件类
计
算
机
系
统
综
合
设
计
计
算
机
系
统
结
构
硬件类
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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、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，增加可编程中断控
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等公司的多核处
理器结构，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
MiniSys32汇编器的设计
带有全屏编辑器的集成开发环境
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
……
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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
初步探讨程序如何充分利用双核，软硬件该作何
配合
探讨一下运行于MiniSys的Runtime系统
……
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通过课程应该得到的锻炼
• 通过综合实践课程，提高自己动手能力和综合
分析问题能力
• 通过解决实际问题，提高自己的调试系统的能
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
• 通过小组合作，学会与人沟通的能力
• 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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通过课程应该得到的锻炼
• 通过综合实践课程，提高自己动手能力和综合
分析问题能力
• 通过解决实际问题，提高自己的调试系统的能
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
• 通过小组合作，学会与人沟通的能力
• 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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课程的安排
• 课程设计安排
答疑
• 当面答疑：每周三下午6-9节，计算机楼529
（计算机系统综合实验室）或524（办公室）答
疑
• 网上答疑：工作日每晚22点-23点在QQ群答疑
验收
• 地点：计算机楼529，时间另定
• 验收形式
–演示（下载或仿真）
–答辩
–设计报告
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课程的实施方案
• 实验以4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。
• 短学期加长学期第8周前完成设计与与验收，验收包
括交实验报告、现场仿真或下载演示以及答辩。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（计算机楼北504）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，
各人负责自己所作部分的演示和答辩。组长还负责
陈述本组设计的特色。
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设计报告内容
• 设计报告包含纸质版设计报告和电子文档
电子文档中包括
• 全部的源程序（ Verilog程序、BIOS程序、测试程序、
应用程序、汇编器与编译器程序）、
• 可执行程序、图和设计报告的电子版。
• 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与收获）
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• 教材
课程资源
杨全胜、翟玉庆、王晓蔚、张志政、吴强编写，“计
算机系统综合课程设计”，清华大学出版社,2008
• 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，2005
李亚民，计算机原理与设计-Verilog HDL版，清华大学
出版社，2011
John Paul Shen，,Mikko H.Lipasti，张承义等译，现
代处理器设计－超标量处理器基础，电子工业出版社，
2004
D. Sweetman, see MIPS run（MIPS体系结构透视，影印
版，第二版），机械工业出版社，2007
Alfred V．Aho，编译原理(龙书)，机械工业出版社，
P.15
2007
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• 参考书
课程资源
Randal E.Bryant / David O'Hallaron, Computer
System-AProgramerPerspective（深入理解计算机系统，
中文版或英文版，第二版），机械工业出版社，2011
David A.Patterson/John L.Hennessy, Computer
Organization and Design-The Hardware/Software
Interface, Fourth Edition（计算机组成与设计：硬件
/软件接口，英文版，第四版），机械工业出版社，2010
John L.Hennessy/David A.Patterson, Computer
Architecture: A Quantitative Approach, Fourth
Edition（计算机系统结构－量化研究方法，英文版或中
文版，第四版），机械工业出版社（英文版）电子工业
出版社（中文版），2007
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
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课程资源
• 课程网站
http://www.njyangqs.com/xtzhkcsj/Default.aspx
• 教师网站
www.njyangqs.com
• QQ讨论群
本届学生的QQ讨论群群号为91262141
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历届优秀设计与相关毕设
• 2003年：完成单周期的设计，汇编器的设计
• 2004年：完善单周期设计与汇编器设计
• 2005年：流水CPU设计，学生自行设计实验平
台
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历届优秀设计与相关毕设
• 2006年：超标量CPU与异步CPU设计
• 2007年：BIOS的设计、Mini C编译器的设计
• 2008年：浮点流水、SDRAM控制器、MiniSys
IDE的设计
计算斐波那契数列
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历届优秀设计与相关毕设
• 2009年：分支预测、指令预取、Cache、双核
CPU的设计
• 2009年：采用自己的Yacc和Lex来辅助实现编
译器
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历届优秀设计与相关毕设
• 2010年：三核处理器、SMT技术、三层存储结
构的SoC、彩色液晶驱动、步进电机控制等的
设计
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历届优秀设计与相关毕设
• 2011年：软件模拟实验台
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历届优秀设计与相关毕设
• 2012年：Trace Cache的研究，PS2、VGA接口
的引入
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学生设计报告
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