现代计算机组成原理 潘 明 潘 松 编著 科学出版社.

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1 现代计算机组成原理 潘 明 潘 松 编著 科学出版社

2 第1章 概 述 1.1 现代计算机组成原理课的任务 图1-1 计算机专业基本课程体系简图

3 第1章 概 述 1.1 现代计算机组成原理课的任务 1.1.1．问题的提出 1、缺失CPU硬件设计这一重要内容
第1章 概 述 1.1 现代计算机组成原理课的任务 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

4 第1章 概 述 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
第1章 概 述 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

5 第1章 概 述 1.2 EDA技术 1.1.2．探索解决问题的方法 EDA (Electronic Design Automation)
第1章 概 述 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

6 第1章 概 述 1.3 FPGA器件 图1-2 基本PLD器件的原理结构图

7 第1章 概 述 1.3 FPGA器件 1.3.1 FPGA的发展历程 20世纪 70年代  PROM和PLA器件
第1章 概 述 1.3 FPGA器件 FPGA的发展历程 20世纪 70年代  PROM和PLA器件 70年代末  PAL器件 80年代初  GAL器件 80年代中期  FPGA器件 80年代末  CPLD器件 90年代后  大规模FPGA器件

8 第1章 概 述 1.3 FPGA器件 1.3.2 Cyclone 系列 FPGA Cyclone与Cyclone II系列器件 FPGA系列
第1章 概 述 1.3 FPGA器件 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。

9 第1章 概 述 1.4 VHDL 硬件描述语言 硬件描述语言 HDL（Hardware Description Language） VHDL
第1章 概 述 1.4 VHDL 硬件描述语言 硬件描述语言 HDL（Hardware Description Language） 常见的HDL VHDL Verilog HDL SystemVerilog SystemC VHSIC(Very High Speed Integrated Circuit)Hardware Description Language

10 第1章 概 述 1.5 EDA设计流程 图1-3 应用于FPGA的EDA开发流程

11 第1章 概 述 1.5 EDA设计流程 1. 编辑输入（Editting） （1）原理图输入。 （2）状态图输入。 （3）波形图输入。
第1章 概 述 1.5 EDA设计流程 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。

12 第1章 概 述 1.5 EDA设计流程 2. 综合（Synthesis）
第1章 概 述 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。

13 第1章 概 述 1.5 EDA设计流程 3. 适配（Fitting） 适配器 结构综合器
第1章 概 述 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。

14 第1章 概 述 1.5 EDA设计流程 4. 时序仿真与功能仿真
第1章 概 述 1.5 EDA设计流程 4. 时序仿真与功能仿真 （Timing Simulation and Functional Simulation） 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。

15 第1章 概 述 1.5 EDA设计流程 5. 编程下载（Programming）
第1章 概 述 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

16 第1章 概 述 1.6 Quartus II简介 图1-4 Quartus II设计流程

17 第1章 概 述 1.7 CISC和 RISC 处理器 特点 指令系统复杂庞大 1．复杂指令系统计算机CISC 目标 （1）面向目标程序优化。
第1章 概 述 1.7 CISC和 RISC 处理器 特点 指令系统复杂庞大 1．复杂指令系统计算机CISC 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。

18 第1章 概 述 特点 1.7 CISC和 RISC 处理器 2．精简指令集计算机RISC
第1章 概 述 1.7 CISC和 RISC 处理器 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。 主要目的 提高“性能/价格比” 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。 特点

19 第1章 概 述 1.8 FPGA在现代计算机领域中的应用
第1章 概 述 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 。