【Computer Organization笔记15】清华计组大作业布置：奋战二十天，做台计算机！

本次笔记内容：
P29 计算机组成原理（29）：第25分钟起
P30 计算机组成原理（30）

我的计组笔记汇总：计算机组成笔记

视频地址：计算机组成原理 清华大学刘卫东 全58讲 国家精品课程 1080P 更完

本节课对应幻灯片：

• 组成原理29 project.pptx

极其有趣的一节课。上一节我们把“控制器”这一单元结了。这节课开始，布置核心大作业，三周后完成。

这个视频是给清华CS一字班同学上的，因此估计上课时间是2013年秋。上这节课时已经第9周了。我提供的幻灯片时2019年秋的，但是二者差别很小。

这个大作业去年（2012年）第一布置，刘老师直接被“安排”到了人人网上，很逗。下面来看具体内容。

内容提要

• 我们要做什么?
• 我们已经有了什么?
• 我们可以怎样去做?
• 我们还能做什么?
• 我们最后要交什么?
• 具体时间安排

我们要做什么？

去年，刘老师上午布置了这个作业，零字班同学中午就把刘老师“送到”人人网上去了。很逗。

刘老师强调：我们做的是计算机，而非只跑指令的CPU。

实验任务

• 支持指令流水的CPU
• 使用基本存储和扩展存储以及输入/输出
• 进行扩展

实验目标

• 基本：能运行监控程序，并在监控程序中运行PROJECT 1的程序
• 进阶：能运行Ucore，并在Ucore下运行应用程序
• 有可供演示的应用程序（100分中最后20分）

20年前，做一个 MIPS CPU 还是一个很大的任务。国家 863 投了 800万+，计算机系配套了 800万+ ，最后做出了“清华芯”。

我们已经有了什么？

• THINPAD硬件平台
• • FPGA
• • SRAM Memory
• • FLASH Memory
• • UART/USB/PS2/VGA/
• MIPS32指令系统
• 监控程序等辅助软件
• 教材和实验指导书

教学计算机硬件平台

上图是 13 年的。

上图是 19 年的。

硬件组成与结构

上图是 13 年的。

上图是 13 年的结构。

上图是 13 年的 CPU 。

上图是 13 年的 FPGA 管脚。

这是 19 年的。

主要特点：

• 搭载Xilinx Artix-7系列FPGA：XC7A100T
• • 100K LEs, 4.8Mb BRAM，28nm制程
• • 支持最新的Vivado设计工具
• 两组SRAM内存，每组4MB容量、32位数据线
• 8MB NOR Flash闪存
• 外围接口：SL811 USB，DM9000网卡，TFP410 DVI图像输出
• 板载控制芯片，支持在本地或远程完成实验

框架结构

上图是一个大概的数据通路，是一组同学的中期成果，不一定对。

内存访问

如上，监控程序地址的划分。

内存访问概述如上。

内存读时序如上。

内存读参数如上。

此外，还需要注意各个内存写的时序。

内存写时序如上。

内存写参数如上。

由此考虑，CPU的主频是多少？

如何确定CPU主频？

• 流水线要求每个机器周期完成一个步骤，包括存储器读/写
• 多周期CPU也大都要求在一个步骤内完成存储器的一次访问
• 完成一次存储访问的时间？
• 如何实现？50MHz

串口访问

串行接口芯片8251

如上，起接收与发送是两个独立单元，因此是全双工的。

8251结构框图如上。

方式命令字的格式

其命令字格式如上。

8251 串行接口芯片引脚

接口状态寄存器的内容格式

如上，状态寄存器用于帮助判断：

• 发送的字符是否已经发出？
• 接收的字符是否已经接收？

THINPAD 串口连接方式

如上，现在已经基本没有独立的 8251 串口了，因此老师做了层 CPLD/UART 来进行抽象。

程序如何装入？

程序装入到 FLASH 中（建议装到 FLASH 中）：

• 采用提供的软件装入
• CPU首先将其 boot 到 RAM1 中
• 再从 RAM1 中运行

程序直接装入到 RAM1 中：

• 直接用软件装入大 RAM1 中

基本步骤

• 确定目标
• • 流水线、扩展方案、展示方案
• • 工作计划
• • 组内分工
• 概要设计
• • 数据通路设计：每条指令在数据通路上的实现过程
• • 指令流程表：每条指令每个步骤所完成的功能
• • 流水段设计
• • 控制信号设计
• • 模块设计（各模块基本功能和接口）
• 详细设计
• • 各模块编码实现
• 编码实现
• 模拟分析
• 硬件调试
• 总结报告

我们还能做什么

硬件：

• 对流水线进行完善：结构冲突、数据冲突、控制冲突
• 中断
• 分时操作
• 双机通信

软件：

• 监控程序的完善
• 有创意的应用
• 性能分析和评价

总结

此外，新幻灯片里还存在设备状态的检查教程。

接下来三大节课都将与实验相关：

• 老师再讲一下实验的具体内容；
• 接下来两节课，同学展示自己的进展。