文档介绍：第12章计算机硬件设计和实现导论
计算机硬件的总体设计
专用集成电路ASIC设计概述
习题
通用计算机一般是用高级语言编写程序的,因此从面向用户的观点出发,一台新机器的交付使用,至少要达到高级语言编程的最低要求,也就是说应具有必要的硬件和软件。新机器的设计有两种情况:
(1) 系列机扩充新机型。设计本系列新档次的计算机以满足不同用户的需要,或者由于元器件的改进而需要设计新机器,以求得更好的性能价格比。这种机器的特点是软件兼容,硬件重新设计。
(2) 设计全新的计算机或系列机。这时硬件和软件都要重新设计。其中软件又分为系统软件和应用软件,系统软件指的是高级语言的编译程序、汇编语言的汇编程序、操作系统、调试程序和编辑程序等。这些软件应该由研制单位或计算机厂家提供。然后可随着应用的逐步推广不断充实、不断改进。很多应用软件是由第三方(用户)提供的。
计算机硬件设计与软件不同,一旦机器制造出来以后,就不容易改动。
计算机硬件的总体设计
计算机硬件设计过程
计算机的设计指标首先决定于对计算机性能,即运算速度的要求。性能价格比高的计算机具有较强的生命力。对现有计算机性能作出全面评价可为新计算机的设计提供依据。。
为了加快设计过程,提高设计水平及设计自动化程度,应尽量使用计算机进行辅助设计,为此,要有描述语言来说明要求,并有实现此要求的软件包。下面将对硬件设计中的每一步进行简单介绍。
硬件设计过程
1. 对现有计算机的测试和评价
新机器的设计是一项复杂工程,它要求有可靠的科学依据,严谨的工作作风,并吸取现有计算机的设计经验。为此,应结合实际应用的需要,对现有计算机进行评价,必要时通过基准程序或实际应用程序进行测试。通过测试可获得计算机实际运行速度。也可以通过对程序执行过程的跟踪,统计出各条指令的执行频率和 cache 命中率对性能的影响等,为新机器的设计提供科学依据。
2. 提出新机器的设计指标
根据实际应用的需要、测试结果、器件供应情况以及价格等诸因素,提出新机器的硬件设计指标。
机器运算速度。
数据字长度、地址长度。
存储器容量及存储体系。
外部设备的种类和速度。
上述指标均与指令系统的设计密切相关。
当前,新机器的设计指标还不能由计算机直接得出,但是计算机能辅助进行测试与统计等工作。
3. 指令系统的设计和模拟
根据指令系统的复杂程度将计算机分成两类:复杂指令系统计算机(CISC)和精简指令系统计算机(RISC)。
设计指令系统的主要依据是:
(1) 计算机的应用范围:主要应用于科学计算、数据处理还是通用等等,这对确定计算机指令类型有很大影响。
(2) 计算机性能与价格的综合考虑,希望在竞争中占有哪些优势?
(3) 指令系统兼容性的考虑,采用RISC技术还是CISC技术。
(4) 如何有利于操作系统的执行效率和系统软件、应用软件的编译处理。
新机器的设计(包括指令系统在内)一般总是继承或吸取某些成功机器的设计经验,完全“从零开始”不值得提倡。
如何验证指令系统的完整性、合理性及功能描述的正确性,为硬件设计提供正确依据,通常采取在计算机上进行模拟的方法。对于每一条指令的功能,用计算机语言进行描述,并在另一台计算机上进行模拟,这样在新机器还没有制造出来以前就能在已有的计算机上验证指令功能的正确性。如有错误或不满足要求,可对指令系统进行修改。
下面是 Sun SPARC 结构中的一条加法指令,用指令系统处理机(ISP) 描述语言进行描述的例子。
Add Instruction的ISP描述,
check interrupt
(检查中断,如有中断 trap←—1,ISP语言描述略)
next;
if (trap=1) then
execute_trap
(如有trap,则执行 trap。trap可能是由故障或中断引 起的,按优先级排队处理,ISP语言描述略)
next;
instruction←—memory_read (addr_space,PC)
(从存储器读出指令,括号内为指令地址,在32位PC的 前面加8位地址空间)