計(jì)算機(jī)人才系統(tǒng)能力培養(yǎng)

1、1人才系統(tǒng)能力培養(yǎng)教學(xué)實(shí)踐北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院系統(tǒng)能力培養(yǎng)的基本思路20062007200820092010201120122013系統(tǒng)能力 2006：首次工程教育認(rèn)證后，引發(fā)了對(duì)畢業(yè)生核心能力的思考 結(jié)論：系統(tǒng)能力 系統(tǒng)能力培養(yǎng)的特點(diǎn)：綜合性與形成性q綜合性：綜合運(yùn)用多種知識(shí)解決系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題q形成性：能力不是一蹴而就，需逐步形成 基本思路q開(kāi)發(fā)“CPU、OS、編譯器”計(jì)算機(jī)系統(tǒng)q多門課程聯(lián)動(dòng)，逐步達(dá)成CPU編譯器編譯器OS編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的3個(gè)基石：CPU、OS、編譯器qCPU：指令集、流水線、調(diào)度、存儲(chǔ)

2、層次、總線。qOS：中斷、任務(wù)切換、存儲(chǔ)管理、I/O。q編譯器：循環(huán)優(yōu)化、指令調(diào)度。q三者密切配合、相互影響、互相滲透 本科生開(kāi)發(fā)一個(gè)功能型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)qL1：理解硬件系統(tǒng)的運(yùn)行原理qL2：掌握硬件系統(tǒng)及系統(tǒng)軟件構(gòu)造方法qL3：領(lǐng)悟軟/硬件相互作用關(guān)系為什么選計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為目標(biāo)？3CPU編譯器編譯器OS編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 現(xiàn)象：2006，能力較弱 原因：教學(xué)以讓學(xué)生了解知識(shí)為目標(biāo)，不是以學(xué)生設(shè)計(jì)系統(tǒng)為目標(biāo)q過(guò)于強(qiáng)調(diào)知識(shí)的全面性，課時(shí)總?cè)萘坎蛔?，學(xué)生難以深入學(xué)習(xí)q雖也重視了課程體系建設(shè)，但課程銜接不足當(dāng)時(shí)存在問(wèn)題分析4對(duì)象對(duì)象開(kāi)發(fā)能力開(kāi)發(fā)能力CPU自定義

3、指令集；指令規(guī)模10+條OS分析代碼；系統(tǒng)調(diào)用級(jí)編程編譯器自定義文法；生成虛擬機(jī)指令；優(yōu)化弱編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院精簡(jiǎn)課程群5 2006：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)課程(5門)q模擬電路、數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)q均為必修課：課程總周期過(guò)長(zhǎng)q課程體系銜接：有脫節(jié)、有重疊 建設(shè)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程群(4門)q數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成原理、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)q數(shù)字邏輯：作為起步課程；從數(shù)字電路層面切入q模擬電路：選修課(體系結(jié)構(gòu)方向必修課)編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院課程群改革規(guī)劃(2006) 教學(xué)目標(biāo)：CPU，OS，編譯器

4、 技術(shù)路線q課程體系整合重構(gòu)q實(shí)驗(yàn)體系物理綜合編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 數(shù)字邏輯q結(jié)合數(shù)理邏輯知識(shí)，講授組合邏輯與時(shí)序邏輯原理q基于MIPS指令集，設(shè)計(jì)寄存器、加法器、移位器、控制器、多路選擇器、計(jì)數(shù)器、比較器q引入HDL語(yǔ)言、EDA工具 計(jì)算機(jī)組成q講授計(jì)算機(jī)硬件工作原理q在部件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)MIPS指令集的功能型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)q深化HDL語(yǔ)言、EDA工具應(yīng)用 操作系統(tǒng)q講授OS的各組成及其機(jī)理q實(shí)現(xiàn)MIPS的功能型OS 編譯技術(shù)q講授編譯器的構(gòu)造技術(shù)q實(shí)現(xiàn)MIPS的C編譯器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程群體系7編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)

5、院計(jì)算機(jī)組成數(shù)字邏輯課程體系 數(shù)字邏輯q講授組合邏輯與時(shí)序邏輯原理q設(shè)計(jì)寄存器、加法器、移位器、控制器、多路選擇器等基礎(chǔ)部件 計(jì)算機(jī)組成q講授計(jì)算機(jī)硬件工作原理q在基礎(chǔ)部件之上開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)q實(shí)現(xiàn)MIPS ISA、中斷、存儲(chǔ)器、I/O等硬件抽象基礎(chǔ)部件硬件抽象MIPS指令集 中斷控制器 存儲(chǔ)器I/O編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院編譯技術(shù)操作系統(tǒng)課程體系中斷 切換 虛實(shí)進(jìn)程管理內(nèi)存管理設(shè)備管理文件系統(tǒng)硬件抽象MIPS指令集中斷控制器存儲(chǔ)器I/O詞法分析語(yǔ)法分析中間代碼代碼生成代碼優(yōu)化 操作系統(tǒng)q理解中斷、現(xiàn)場(chǎng)切換等核心機(jī)制及軟硬件依賴關(guān)系q實(shí)現(xiàn)基于MIPS程序

6、的進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備管理等 編譯技術(shù)qC0生成MIPS匯編q強(qiáng)化代碼優(yōu)化9編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院基礎(chǔ)部件電路原理實(shí)驗(yàn)體系數(shù)字邏輯 目標(biāo)：掌握數(shù)字電路設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)MIPS處理器的基礎(chǔ)部件 實(shí)驗(yàn)體系q第1層次：電路原理u組合邏輯、時(shí)序邏輯u觸發(fā)器/寄存器、電路特性q第2層次：計(jì)算與控制u加/減、乘/除、有限狀態(tài)機(jī)q第3層次：基礎(chǔ)部件u譯碼器、ALU、數(shù)據(jù)選擇器、計(jì)數(shù)器、乘法單元、存儲(chǔ)器計(jì)算&控制10編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)體系計(jì)算機(jī)組成 目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)MIPS計(jì)算機(jī) 實(shí)驗(yàn)體系qMIPS各型指令數(shù)據(jù)通路實(shí)

7、驗(yàn)qMIPS多周期數(shù)據(jù)通路實(shí)驗(yàn)qMIPS多周期控制單元實(shí)驗(yàn)11編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)體系操作系統(tǒng) 目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)小型MIPS操作系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)體系q圍繞MIPS，采用層次化設(shè)計(jì)原則q6個(gè)綜合型實(shí)驗(yàn)，構(gòu)造一個(gè)相對(duì)完整的操作系統(tǒng)u內(nèi)核制作與bootu存儲(chǔ)管理u進(jìn)程與中斷u系統(tǒng)調(diào)用u文件系統(tǒng)ushell12編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)體系編譯技術(shù) 目標(biāo)：為MIPS開(kāi)發(fā)C編譯器 實(shí)驗(yàn)體系q面向MIPS，生成中間代碼 q實(shí)現(xiàn)基本代碼優(yōu)化q完成具有現(xiàn)代編譯器主要特征的小型編譯器 q提供不同難度的選擇u從PL/0生成P-CODEu

8、從C0生成P-CODEu從C0生成MIPS匯編13編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院統(tǒng)一的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)MIPS CPU存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 數(shù)字邏輯、計(jì)算機(jī)組成、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)14編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院6年改革歷程組建課程群團(tuán)隊(duì)頂層設(shè)計(jì)分布實(shí)施先遣小隊(duì)首次完成MIPS處理器開(kāi)發(fā)數(shù)字邏輯首輪實(shí)驗(yàn)編譯技術(shù)首先調(diào)整數(shù)字邏輯全面調(diào)整編譯技術(shù)全面調(diào)整自主開(kāi)發(fā)統(tǒng)一硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)字邏輯全面實(shí)施編譯技術(shù)全面實(shí)施全面重構(gòu)硬件代碼(特別是MIPS代碼)OS調(diào)整模擬器OS全面實(shí)施模擬器/硬件計(jì)組引入HDL計(jì)組全面實(shí)施200620072008200920

9、10201120122013系統(tǒng)能力 2006：?jiǎn)?dòng)；2007：規(guī)劃、小組實(shí)施 5個(gè)輪次迭代；2012年市教學(xué)成果一等獎(jiǎng)15編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院CPU設(shè)計(jì)能力83%42%21%17%58%56%23%0%20%40%60%80%100%2009年2010年2011年示意型一般型完整型比較比較內(nèi)容內(nèi)容北航北航(教改前教改前)北航北航(教改后教改后)BerkeleyMIT指令集自定義MIPS自定義自定義指令規(guī)模10+502232處理能力8位32位16位32完整CPUOS支持 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的處理器q工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指令集uMIPS應(yīng)用廣泛q較完整的CPU設(shè)計(jì)u幾乎覆蓋定

10、點(diǎn)指令u中斷/異常u支持簡(jiǎn)單OS運(yùn)行u有力支持后續(xù)課程編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院OS設(shè)計(jì)能力 相對(duì)完整的OSq學(xué)生已可以完成較完整的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)q操作系統(tǒng)與MIPS計(jì)算機(jī)硬件完整集成q與前序課程有序銜接，掌握完整軟硬件開(kāi)發(fā)比較比較內(nèi)容內(nèi)容北航北航(教改前教改前)北航北航(教改后教改后)Berkeley Harvard MITOS選型Linux/WindowsLinux/小OSNACHOS NACHOS 小OS能力層次分析/系統(tǒng)編程分析/設(shè)計(jì)分析/設(shè)計(jì)分析/設(shè)計(jì)分析/設(shè)計(jì)硬件PCMIPS模擬器/MIPS硬件MIPS模擬器MIPS模擬器PC小OS31430

11、Linux745047Windows2336232010201120120%20%40%60%80%100%編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院編譯器設(shè)計(jì)能力 突出編譯優(yōu)化q參照國(guó)際一流大學(xué)課程建設(shè)趨勢(shì)，加大優(yōu)化部分比重q連續(xù)5年實(shí)施新實(shí)驗(yàn)體系q選擇高難度實(shí)驗(yàn)的學(xué)生比例穩(wěn)定在50%以上u其中90%以上學(xué)生可以完成高難度實(shí)驗(yàn)選擇低難度實(shí)驗(yàn)11165958990未完成高難度實(shí)驗(yàn)30101067完成高難度實(shí)驗(yàn)61110859578200720082009201020110%20%40%60%80%100%北航北航(教改前教改前)北航北航(教改后教改后)BerkeleyCMU

12、Prinston優(yōu)化實(shí)驗(yàn)比重5%35%39%61%58%優(yōu)化算法重點(diǎn)講述469109編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 DO-178B：5級(jí)安全q機(jī)載軟件安全等級(jí) CMM：5級(jí)成熟度q軟件開(kāi)發(fā)能力 分級(jí)：標(biāo)準(zhǔn)和尺子q有利于量化評(píng)估q不斷提升要求 各課獨(dú)立設(shè)置借鑒軟件開(kāi)發(fā)19CMM：軟件能力成熟度模型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)安全等級(jí)嚴(yán)重性說(shuō)明接受頻率(發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn))Level A災(zāi)難Extremely improbable( X 10-9)Level B危險(xiǎn)Extremely remote(10-9 X 10-7)Level C重要remote(10-7 X 10-5)Level E無(wú)

13、AllDO-178B：機(jī)載軟件安全級(jí)模型編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院CPU開(kāi)發(fā)能力計(jì)算機(jī)組成原理20CPU開(kāi)發(fā)能力等級(jí)指令集規(guī)模CPU特點(diǎn)155較完整定點(diǎn)類指令；支持GCC；支持中斷/異常/系統(tǒng)調(diào)用24550較完整定點(diǎn)類指令；支持GCC33040+常用的運(yùn)算/存儲(chǔ)/分支/置位/函數(shù)調(diào)用指令；手工匯編；可運(yùn)行小型程序41020+基本的運(yùn)算/存儲(chǔ)/分支/函數(shù)調(diào)用指令；手工匯編；可運(yùn)行簡(jiǎn)單程序5010簡(jiǎn)單的運(yùn)算/存儲(chǔ)/分支指令；手工匯編；示意型設(shè)計(jì)編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 課程群關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：傳統(tǒng)的重課/難課q承上啟下，直接決定整體

14、目標(biāo)能否高質(zhì)量達(dá)成qCPU實(shí)驗(yàn)體系具有較大規(guī)模和難度 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)：功能型CPU的設(shè)計(jì)q指令集規(guī)模：50+條指令q可以運(yùn)行由GCC編譯產(chǎn)生的定點(diǎn)類程序q支持中斷/異常計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)概述21編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 目的：讓多數(shù)普通學(xué)生達(dá)成目標(biāo)！ 規(guī)模達(dá)到一定程度(如30+)，須強(qiáng)調(diào)方法，否則：q少數(shù)優(yōu)秀學(xué)生：靠天份能悟出來(lái)q多數(shù)普通學(xué)生：盲動(dòng)失敗挫折感 工程方法：可能不是最優(yōu)的，但應(yīng)該是簡(jiǎn)單與有效q具有普適性 簡(jiǎn)單有效：按照方法可以一步步的開(kāi)發(fā)出復(fù)雜系統(tǒng)q要讓學(xué)生擁有巔峰體驗(yàn)：原來(lái)我也能達(dá)到這個(gè)目標(biāo)！為什么強(qiáng)調(diào)工程方法？22編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)

15、算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院過(guò)去的教學(xué)方法：圖解式案例教學(xué) 講解典型指令的數(shù)據(jù)通路的構(gòu)造過(guò)程 建立對(duì)指令在數(shù)據(jù)通路中流動(dòng)的直觀認(rèn)識(shí) 建立對(duì)數(shù)據(jù)通路基本組成的基本認(rèn)識(shí)指令存儲(chǔ)器AddrDataPC寄存器堆Read Reg1Read Reg2WriteRegWriteDataRead Data1Read Data2ADDUSUBUORILWSWBEQJALUZeroOvALU結(jié)果16擴(kuò)展3201數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器AddrReadDataWriteDataPC計(jì)算PCIMMNPCPC+401226IM25:21IM20:161F012M1IM15:0M223編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空

16、航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 效率低下：新增指令導(dǎo)致對(duì)圖的大量修改 復(fù)雜度高：指令集規(guī)模，圖的復(fù)雜度q圖的布局對(duì)于開(kāi)發(fā)影響極大 錯(cuò)誤傳遞：一條指令的錯(cuò)誤會(huì)長(zhǎng)期存在并產(chǎn)生影響q修改錯(cuò)誤，往往會(huì)導(dǎo)致對(duì)圖的大量變更 難以追朔：大量設(shè)計(jì)過(guò)程難以復(fù)現(xiàn)q50+指令：會(huì)保留50+圖嗎？ 跨度過(guò)大：從圖到HDL，跨度大，缺乏中間層次圖解式案例教學(xué)方法的不足24編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 效率低下：新增指令導(dǎo)致對(duì)圖的大量修改 復(fù)雜度高：指令集規(guī)模，圖的復(fù)雜度q圖的布局對(duì)于開(kāi)發(fā)影響極大 錯(cuò)誤傳遞：一條指令的錯(cuò)誤會(huì)長(zhǎng)期存在并產(chǎn)生影響q修改錯(cuò)誤，往往會(huì)導(dǎo)致對(duì)圖的大量變更 難以追朔：大量設(shè)計(jì)過(guò)

17、程難以復(fù)現(xiàn)q50+指令：會(huì)保留50+圖嗎？ 跨度過(guò)大：從圖到HDL，跨度大，缺乏中間層次圖解式案例教學(xué)方法的不足25成效：學(xué)生可以理解小規(guī)模指令集CPU的設(shè)計(jì)方法困難：學(xué)生尚難以將其推廣至一般，難以開(kāi)發(fā)更大規(guī)模指令集的CPU編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 目標(biāo)：普通學(xué)生也能開(kāi)發(fā)50+規(guī)模CPU 工程化方法：3類方法q單周期CPU設(shè)計(jì)工程方法(完成)q多周期CPU設(shè)計(jì)工程方法(完成)q流水線CPU設(shè)計(jì)工程方法(進(jìn)行中)2012年秋季新探索：工程化方法26編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院回顧：?jiǎn)沃芷跀?shù)據(jù)通路PC、NPC計(jì)算單元指令存儲(chǔ)器

18、、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寄存器文件運(yùn)算單元、擴(kuò)展單元MUX指令存儲(chǔ)器AddrDataPC寄存器堆Read Reg1Read Reg2WriteRegWriteDataRead Data1Read Data2ADDUSUBUORILWSWBEQJALALUZeroOvALU結(jié)果16擴(kuò)展3201數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器AddrReadDataWriteDataPC計(jì)算PCIMMNPCPC+401226IM25:21IM20:161F012M1IM15:0M227編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院通過(guò)案例教學(xué)，教師總結(jié)出幾個(gè)必備部件 數(shù)據(jù)通路表格：建立部件間的連接關(guān)系q記錄了部件輸入端的輸入來(lái)源q

19、忽略控制類信號(hào)q只保留數(shù)據(jù)類信號(hào)指令NPCPCIMRFALUDMWDataRDAB28編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院?jiǎn)沃噶顢?shù)據(jù)通路構(gòu)造的一般性方法 S1：閱讀每條指令改寫(xiě)RTLq發(fā)現(xiàn)所有的新增需求 S2：對(duì)每個(gè)新增需求（2種處理方法）q合并至已有部件u修改已有部件設(shè)計(jì)描述：F，I，Oq需要新增部件u建立新增部件設(shè)計(jì)描述： F，I，O S3：對(duì)每個(gè)部件設(shè)置輸入來(lái)源原則：u來(lái)源相同/相近u目的相同/相近29編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院示例：ADDU指令NPCPCIMRFALUDMWDataRDABADDURTLRrdRrs+Rrt

20、PCPC+4S1：閱讀指令，翻譯成RTL表述S2：根據(jù)RTL，確定部件間連接關(guān)系NPCPCALUIM15:11 RF.RD1 RF.RD230編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院31增加指令：ADDIU指令NPCPCIMRFS_EXTALUDMWDataRDABADDUNPCPCALUIM15:11RF.RD1 RF.RD2ADDIURTLRrtRrs+sign_ext(imm16) PCPC+4編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院32增加指令：ADDIU指令NPCPCIMRFS_EXTALUDMWDataRDABADDUNPCPCALUIM

21、15:11RF.RD1 RF.RD2ADDIUNPCPCALUIM20:16 IM15:0 RF.RD1S_EXTRTLRrtRrs+sign_ext(imm16); PCPC+4編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院多指令數(shù)據(jù)通路合并指令NPCPCIMRFS_EXTALUDMWDataRDABADDUNPC.NPCPCALUIM15:11RF.RD1 RF.RD2ADDIUNPC.NPCPCALUIM20:16 IM15:0 RF.RD1S_EXTLWNPC.NPCPCDMIM20:16 IM15:0 RF.RD1S_EXTSWNPC.NPCPCIM15:0 RF.R

22、D1S_EXTRF.RD2。合并IM25:0 NPC.NPCPCALU|DM |NPC.PC4IM15:11|IM20:16|0 x1FIM15:0 RF.RD1RF.RD2|S_EXTRF.RD2 合并：垂直方向歸并，去除相同項(xiàng) MUX自動(dòng)綜合：輸入源多余1個(gè)的需設(shè)置MUXqMUX控制信號(hào)由控制器產(chǎn)生33編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)的工程化方法for each 指令for each 新增需求case 可以合并至已有部件：修改部件設(shè)計(jì)描述、HDL建模：F，I，Ocase 需要新增部件：建立新部件設(shè)計(jì)描述、HDL建模：F，I，O增加新部件for ea

23、ch 部件設(shè)置輸入來(lái)源按垂直方向合并數(shù)據(jù)通路，并去除相同項(xiàng)for each 輸入來(lái)源多余1個(gè)的輸入端部署1個(gè)MUX(MUX的輸入規(guī)模為輸入來(lái)源數(shù))MUX設(shè)計(jì)定義、HDL建模單指令數(shù)據(jù)通路構(gòu)造HDL建模：連接所有的部件及所有的MUX多數(shù)據(jù)通路綜合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)的工程化方法for each 指令for each 新增需求case 可以合并至已有部件：修改部件設(shè)計(jì)描述、HDL建模：F，I，Ocase 需要新增部件：建立新部件設(shè)計(jì)描述、HDL建模：F，I，O增加新部件for each 部件設(shè)置輸入來(lái)源按垂直方向合并數(shù)據(jù)通路，并去除相同

24、項(xiàng)for each 輸入來(lái)源多余1個(gè)的輸入端部署1個(gè)MUX(MUX的輸入規(guī)模為輸入來(lái)源數(shù))MUX設(shè)計(jì)定義、HDL建模固定復(fù)雜度(單指令，對(duì)每條指令理解正確)HDL建模：連接所有的部件及所有的MUX極低復(fù)雜度較低復(fù)雜度編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院組建課程群團(tuán)隊(duì)頂層設(shè)計(jì)分布實(shí)施先遣小隊(duì)首次完成MIPS處理器開(kāi)發(fā)數(shù)字邏輯首輪實(shí)驗(yàn)編譯技術(shù)首先調(diào)整數(shù)字邏輯全面調(diào)整編譯技術(shù)全面調(diào)整自主開(kāi)發(fā)統(tǒng)一硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)字邏輯全面實(shí)施編譯技術(shù)全面實(shí)施全面重構(gòu)硬件代碼(特別是MIPS代碼)OS調(diào)整模擬器OS全面實(shí)施模擬器/硬件計(jì)組引入HDL計(jì)組全面實(shí)施新計(jì)組(數(shù)字邏輯工程方法)20062

25、007200820092010201120122013系統(tǒng)能力新計(jì)組(2012秋季)：1個(gè)行政班試驗(yàn)36編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院新計(jì)組(2012秋季)：工程化方法實(shí)踐效果 2012年秋季，1個(gè)行政班成建制完成CPU開(kāi)發(fā)q均完成50+指令的CPU設(shè)計(jì)q支持簡(jiǎn)單OS運(yùn)行q有力支持后續(xù)課程 學(xué)生有“巔峰體驗(yàn)”，有成就感37編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院新計(jì)組(2013年秋季)：全大班試驗(yàn)組建課程群團(tuán)隊(duì)頂層設(shè)計(jì)分布實(shí)施先遣小隊(duì)首次完成MIPS處理器開(kāi)發(fā)數(shù)字邏輯首輪實(shí)驗(yàn)編譯技術(shù)首先調(diào)整數(shù)字邏輯全面調(diào)整編譯技術(shù)全面調(diào)整自主開(kāi)發(fā)統(tǒng)一硬件實(shí)

26、驗(yàn)平臺(tái)數(shù)字邏輯全面實(shí)施編譯技術(shù)全面實(shí)施全面重構(gòu)硬件代碼(特別是MIPS代碼)OS調(diào)整模擬器OS全面實(shí)施模擬器/硬件計(jì)組引入HDL計(jì)組全面實(shí)施新計(jì)組(數(shù)字邏輯工程方法)20062007200820092010201120122013新計(jì)組系統(tǒng)能力38編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院總結(jié) 系統(tǒng)能力培養(yǎng)：需通過(guò)系列課程連續(xù)實(shí)施q課程群知識(shí)體系、實(shí)驗(yàn)體系應(yīng)緊密銜接 系統(tǒng)能力分級(jí)：是標(biāo)尺，有利于量化評(píng)估 工程化方法：是普通學(xué)生達(dá)成較高目標(biāo)關(guān)鍵所在q讓學(xué)生有巔峰體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情39編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 2013秋季實(shí)驗(yàn)體系(Proj

27、ect部分)注重形成性培養(yǎng)40序號(hào)描述檢查時(shí)間描述檢查方式1報(bào)紙售賣機(jī)9周閱讀和運(yùn)行Verilog設(shè)計(jì)代碼和testbench。 現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)答2串行發(fā)送11周閱讀設(shè)計(jì)要求和Verilog代碼，補(bǔ)全代碼，完成報(bào)告。筆試3單周期設(shè)計(jì)logisim12周用logisim完成單周期CPU設(shè)計(jì)。注：支持MIPS-Lite指令集1) 現(xiàn)場(chǎng)增加指令2) 通過(guò)測(cè)試用例4單周期設(shè)計(jì)Verilog13周用Verilog完成單周期CPU設(shè)計(jì)。注：支持MIPS-Lite指令集1) 現(xiàn)場(chǎng)增加指令2) 通過(guò)測(cè)試用例5多周期數(shù)據(jù)通路14周用Verilog完成多周期數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)。注：支持MIPS-C指令集，中斷除外筆試6多周期C

28、PU15周用Verilog完成多周期CPU設(shè)計(jì)。注：支持MIPS-C指令集，中斷除外1) 提供模板，補(bǔ)全設(shè)計(jì)2) 通過(guò)測(cè)試用例7設(shè)備集成16周開(kāi)發(fā)定時(shí)器模塊，集成串口控制器模塊。注：支持MIPS-C指令集注：提供串行通信控制器模塊8系統(tǒng)驗(yàn)證下學(xué)期第2周增加中斷支持。在FPGA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上成果運(yùn)行。注：支持MIPS-C指令集 不能只依賴一個(gè)大作業(yè)！ 2013秋季：每周1個(gè)projectq閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)q完成project開(kāi)發(fā)q撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2013秋季Project3測(cè)試成績(jī) Project3：Logisim開(kāi)發(fā)7條指令的單周期CPUqa

29、ddu，subu，ori，lw，sw，beq，lui編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2013秋季Project3測(cè)試成績(jī) Project3測(cè)試：實(shí)驗(yàn)課加1條指令，記錄完成時(shí)間q標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試匯編qMARS：運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試匯編，觀察程序運(yùn)行結(jié)果qLogisim：修改設(shè)計(jì)，增加新指令；并對(duì)比調(diào)試 要求必須個(gè)人獨(dú)立完成q采用監(jiān)考方式42編輯ppt北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院北京航空航天大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院432013秋季Project3測(cè)試成績(jī) 2個(gè)行政班，參加實(shí)驗(yàn)測(cè)試為47人q50人：有3人因故未參加測(cè)試 89%(42人)：2.5小時(shí)內(nèi)完成新增指令，并通過(guò)測(cè)試q5人未通過(guò)測(cè)試編輯ppt指令存儲(chǔ)器AddrDataPC指令寄存器指令31:26指令25:21指令20:16