计算机设计教学课件

计算机设计教学课件第一章计算机设计概述与发展历程起源机械计算机奠基冯·诺依曼架构发展电子计算机现代多核芯片设计未来量子计算计算机设计的定义与重要性计算机设计是计算机科学与工程领域的核心学科，涉及计算机硬件系统的构思、规划、实现与优化全过程它是计算机组成与实现的基础，直接决定了计算机系统的性能表现、功能特性及能耗水平作为连接硬件与软件的桥梁，计算机设计决定了·系统的计算能力与处理速度·能源效率与散热管理·可扩展性与兼容性·可靠性与安全性保障计算机发展简史年代11830查尔斯·巴贝奇设计分析机，被视为可编程计算机的先驱，奠定了机械计算机的基础虽然当时技术限制未能完全实现，但其设2年代计思想深远影响后世1940冯·诺依曼提出存储程序计念，发表《EDVAC报告》，确立了现代计算机的基本架构，将指令与数据统一存储，成为现代计算年代31950-1970机设计的基石从真空管到晶体管再到集成电路，电子计算机快速发展，体积逐渐缩小，性能显著提升，计算能力呈指数级增长4年至今1980计算机设计的教学目标深入理解计算机硬件系统结掌握基本分析与设计方法构与工作原理学习数字电路设计、组合逻辑与时序掌握从晶体管到系统级的各层次硬件逻辑分析、性能评估等核心方法，培组成，理解数据流、控制流的传递机养系统思维与问题解决能力制，建立完整的计算机系统知识体系培养创新与实践能力通过实验与项目设计，提升动手实践能力，鼓励创新思维，为未来从事计算机硬件研发奠定基础第二章计算机系统结构基础本章将介绍计算机系统的基本组成部分及其相互关系，深入解析冯·诺依曼架构的核心原理，为后续章节奠定概念基础计算机系统组成中央处理器（）存储器CPU计算机的大脑，负责执行指令，进行数据处包括内存（RAM、ROM）与外存（硬盘、理与运算，包含运算逻辑单元、控制单元和寄SSD等），存储程序和数据，构成存储层次结存器组构输出设备输入设备显示器、打印机等，将处理结果以可感知的形键盘、鼠标、触摸屏等，将用户指令和数据输式呈现给用户入计算机系统进行处理这些核心组件通过系统总线相互连接，协同工作构成完整的计算机系统总线作为数据传输的公共通道，实现了各部件之间的高效通信冯诺依曼架构详解·存储程序概念程序指令与数据统一存储在同一存储器中，计算机可以像处理数据一样处理指令，这一革命性思想使计算机具备了通用性指令周期每条指令执行都遵循取指-从内存读取指令译码-解析指令操作码执行-完成指令规定的操作回写-将结果存回指定位置总线结构数据总线、地址总线和控制总线共同构成系统总线，实现各部件间的信息交换计算机性能指标时钟频率指令集架构总线规格主频（MHz/GHz），表示CPU每秒执行的时ISA定义了处理器支持的指令系统，如x

86、总线宽度（如64位）和带宽（GB/s）决定了钟周期数，是衡量处理器速度的基本指标现ARM、RISC-V等，影响编程模型和软件兼容数据传输能力内存带宽、缓存带宽等指标直代处理器主频一般在2-5GHz范围性不同ISA在指令复杂度、功耗效率方面各接影响系统整体性能表现有优势除了上述基本指标外，现代计算机性能评估还包括IPC（每周期指令数）、CPI（每指令周期数）、FLOPS（浮点运算速度）等更专业的指标，以及综合基准测试（Benchmark）结果第三章数字逻辑基础与电路设计数字逻辑是计算机硬件设计的基础，本章将介绍从基本门电路到复杂时序逻辑的设计原理与方法，为理解计算机内部工作机制打下坚实基础数字逻辑基本元件基本逻辑门逻辑电路分类数字电路的基本构建块，实现布尔代数组合逻辑电路输出仅取决于当前输运算入，无记忆功能与门AND只有当所有输入均为1时，·编码器、解码器输出才为1·多路选择器MUX或门OR只要有一个输入为1，输出就·全加器为1时序逻辑电路输出不仅与当前输入有非门NOT输入取反，0变1，1变0关，还与电路先前状态有关与非门NAND与门输出取反·触发器、寄存器或非门NOR或门输出取反·计数器、状态机异或门XOR输入不同时输出为1触发器与寄存器触发器触发器D JK最基本的存储单元，在时钟上升沿将功能更强大的触发器，J=K=1时翻转D输入锁存到Q输出特点是输入直接输出状态，避免了RS触发器的禁止状传递到输出，适合数据存储态̅状态方程Qt+1=Dt状态方程Qt+1=J·Qt+̅K·Qt寄存器由多个触发器组成，用于存储多位二进制数据基本寄存器类型有·通用寄存器·移位寄存器·状态寄存器触发器和寄存器是构建CPU内部存储单元和控制电路的基础，也是实现时序逻辑功能的核心元件计数器与时钟电路计数器分类时钟电路同步计数器所有触发器由同一时钟信号控制，状态变化同步发生为数字系统提供基准时序信号，确保系统各部分协调工作·设计简单，时序清晰·石英晶体振荡器·适合中低频应用·锁相环PLL频率合成·例如二进制计数器、十进制计数器·时钟分频与缓冲·时钟树与时钟偏斜控制异步计数器触发器级联，前一级输出作为后一级时钟·电路简单，但存在传播延迟·可能出现竞争冒险现象·例如行波计数器第四章中央处理器设计中央处理器CPU是计算机的核心，本章将深入探讨CPU的内部结构、工作原理及设计方法，包括指令集架构、数据通路与控制单元的设计实现结构组成CPU运算逻辑单元控制单元寄存器组ALU CU执行算术运算（加、减、乘、除）和逻辑运负责指令的取出、解码和执行控制，产生各CPU内部的高速临时存储单元，用于存放操算（与、或、非、异或），是CPU的计算核种控制信号，协调CPU内部各部件工作作数、地址、状态等信息心主要功能常见寄存器现代ALU通常包含·指令译码与时序控制·通用寄存器GPR·整数运算单元·微操作序列生成·程序计数器PC·浮点运算单元FPU·异常处理与中断响应·指令寄存器IR·向量运算单元SIMD·状态寄存器SR指令集与指令格式与架构比较常见指令类型RISC CISCRISC精简指令集根据功能分类·指令数量少，格式统一数据传送指令MOV,LOAD,STORE·单周期或流水线执行算术运算指令ADD,SUB,MUL,DIV·寄存器-寄存器架构逻辑运算指令AND,OR,XOR,NOT·硬件简单，编译器复杂控制转移指令JMP,CALL,RET·代表ARM、RISC-V系统控制指令INT,IRET,HLTCISC复杂指令集指令编码格式通常包含·指令数量多，功能强大·操作码字段（指定操作类型）·变长指令格式·地址码字段（指定操作数位置）·寄存器-内存架构·寻址方式字段·硬件复杂，微码实现·代表x

86、x86-64数据通路设计设计目标与原则数据通路Datapath负责CPU中数据传输与处理的物理路径，设计目标是实现指令集规定的数据操作功能，同时优化性能、面积和功耗基本构建模块数据通路包含的基本功能单元多路选择器MUX选择不同数据源算术逻辑单元ALU执行算术逻辑运算寄存器文件存储操作数和中间结果总线连接连接各功能单元单周期与多周期实现单周期CPU一条指令在一个时钟周期内完成多周期CPU一条指令分多个时钟周期完成，每个周期执行一个微操作流水线CPU指令分多个阶段，各阶段并行执行不同指令控制单元设计控制方式比较控制信号生成流程硬布线控制指令获取PC→内存→IR指令译码分析操作码，确定指令类型·用组合逻辑电路直接实现控制功能控制信号产生根据指令类型和当前状态生成控制信号·速度快，硬件固定执行控制控制信号驱动数据通路各部件执行相应操作·设计复杂，不易修改·适合RISC架构微程序控制·将控制逻辑存储为微程序·执行灵活，易于修改·速度稍慢，需要额外存储·适合CISC架构控制单元是CPU的指挥中心，决定了指令执行的时序和流程，其设计直接影响处理器的性能和功能第五章存储系统设计存储系统是计算机的重要组成部分，本章将介绍从寄存器到外存的多级存储层次结构，重点讨论缓存设计与虚拟内存技术存储器层次结构1寄存器2缓存Cache3主存RAM4固态硬盘SSD5机械硬盘HDD存储器层次结构设计基于存储墙问题CPU速度提升远快于内存速度提升，导致内存访问成为系统瓶颈多级存储结构利用局部性原理，以不同容量、速度和成本的存储设备构建层次化系统·上层（靠近CPU）速度快、容量小、成本高、访问频率高·下层速度慢、容量大、成本低、访问频率低每一层级作为下一层级的缓冲，大大减少了CPU的平均内存访问时间，有效缓解了存储墙问题缓存设计原理局部性原理缓存映射方式缓存设计基于两种局部性原直接映射缓存主存块只能映射到缓存中的唯一位理置时间局部性最近访问过的数·实现简单，硬件开销小据很可能再次被访问·冲突概率高，命中率较低空间局部性访问某地址数据全相联缓存主存块可映射到缓存任意位置后，其附近地址数据很可能被访问·冲突少，命中率高·硬件复杂，成本高局部性原理使得缓存能够预测CPU可能需要的数据，提前将组相联缓存折中方案，主存块可映射到特定组内其从主存调入缓存，提高命中任意位置率·平衡性能与成本·现代处理器多采用存储器管理与虚拟内存虚拟内存技术概念虚拟内存是一种内存管理技术，允许程序使用比实际物理内存更大的地址空间，通过在需要时将数据在内存与外存之间进行交换来实现核心优势·扩展可用内存空间·简化程序开发（统一线性地址空间）·实现内存保护与隔离地址映射机制将程序使用的虚拟地址转换为物理地址的过程

1.CPU生成虚拟地址

2.分离页号和页内偏移

3.通过页表查找对应物理页框号

4.合成物理地址访问内存页表与TLB页表记录虚拟页号到物理页框号的映射关系TLB转换后备缓冲区页表的高速缓存，存储最近使用的地址映射现代处理器采用多级页表和多级TLB结构，优化地址转换性能和内存占用第六章输入输出系统设计输入输出系统连接计算机与外部世界，本章将介绍I/O设备分类、接口标准及常用I/O控制技术，探讨如何设计高效的数据交换通道输入输出设备分类人机交互设备存储设备通信设备实现人与计算机之间的信息交换用于数据的长期保存与传输实现计算机之间的数据交换输入设备键盘、鼠标、触摸屏、麦克·硬盘驱动器HDD、固态硬盘SSD·网络接口卡NIC风、摄像头、扫描仪·光盘驱动器CD/DVD/BD·调制解调器Modem输出设备显示器、打印机、扬声器、·U盘、SD卡等闪存设备·无线网卡、蓝牙适配器耳机、投影仪·磁带机（用于备份）·路由器、交换机（网络设备）从速度和传输特性来看，I/O设备可分为字符设备一次传输一个字符，如键盘、串口块设备一次传输一块数据，如磁盘流设备连续数据流，如音频、视频设备接口与总线标准I/O常见接口标准控制技术I/O内部接口中断驱动I/OPCI/PCIe主板扩展插槽接口，连接显卡、网卡等·设备准备好后向CPU发送中断信号SATA连接硬盘、光驱的串行接口·CPU暂停当前程序，执行中断服务程序M.2用于SSD等小型设备的高速接口·完成数据传输后返回主程序外部接口直接内存访问DMAUSB通用串行总线，连接各类外设·设备与内存直接传输数据，无需CPU干预Thunderbolt高速接口，支持视频和数据传输·减轻CPU负担，提高系统效率HDMI/DisplayPort视频音频传输接口·适用于大量数据传输以太网网络连接接口第七章计算机设计实践与案例分析理论与实践相结合是掌握计算机设计的关键本章将介绍典型设计案例、工具方法，探讨实际工程中的设计流程与技巧典型计算机设计案例1哈尔滨工业大学计算机组成原理课程设计该案例包含基于FPGA的简易CPU设计与实现，要求学生从零开始设计一个支持基本指令集的CPU·支持基本算术逻辑指令、数据传送指令和分支跳转指令·实现32位RISC架构，包含ALU、寄存器组和控制单元·通过外部I/O接口实现简单应用，如计数器、密码锁等2简易设计与实现CPU FPGA以FPGA为平台的实用CPU设计案例，展示完整设计流程

1.需求分析与指令集定义

2.顶层架构设计与模块划分

3.数据通路与控制单元实现

4.指令存储器与数据存储器设计

5.I/O接口实现

6.系统集成与测试验证这些案例重点展示了如何将理论知识转化为实际工程应用，培养学生的系统设计能力和实践创新能力设计流程与工具介绍需求分析与规格定义硬件描述语言编程明确设计目标、功能需求和性能指标使用HDL语言描述硬件行为和结构·指令集架构选择Verilog C语言风格，适合行为级描述·性能参数确定VHDL Ada语言风格，适合结构化设计·资源约束分析SystemVerilog Verilog扩展，支持高级验证仿真与调试综合与实现验证设计功能正确性将HDL代码转换为实际硬件·功能仿真工具ModelSim、VCS·逻辑综合与优化·波形分析与调试·布局布线·测试用例设计与覆盖率分析·时序分析与约束·实现工具Quartus、Vivado创新设计与未来趋势低功耗设计多核与并行计算新型计算范式随着移动设备普及和数据中心能耗挑战，低功突破单核性能瓶颈，多核并行成为主要发展方未来计算机设计的前沿探索耗设计成为主流方向向量子计算基于量子力学原理·动态电压频率调整DVFS·众核处理器Many-core神经形态计算模拟大脑工作机制·功耗门控技术·片上网络NoC互连光子计算使用光代替电子传输信息·异构计算架构·缓存一致性协议DNA计算利用DNA分子存储和计算·先进工艺节点3nm、2nm·并行编程模型课程总结与学习展望实践能力培养基础理论掌握通过案例分析与实验设计，将理论知识转化为从数字逻辑到系统架构，建立完整的计算机设实际应用能力，培养动手解决问题的能力计知识体系，理解计算机工作原理继续学习探索创新思维激发计算机设计是一个不断发展的领域，鼓励在课了解前沿技术趋势，培养创新意识，为未来计程结束后继续深入学习，参与开源项目，进行算机设计领域的发展做好准备自主创新计算机设计是连接理论与实践的桥梁，是理解计算机工作原理的关键通过本课程的学习，希望同学们不仅掌握基础知识，更能培养系统思维与创新能力，为未来的学习和工作奠定坚实基础。