11-基于RISC-V架构数字逻辑与计算机组成课程改革实践-吴海军.pdf

1、吴海军吴海军 袁春风袁春风 武港山武港山南京大学计算机科学与技术系南京大学计算机科学与技术系2023.8基于RISC-V架构数字逻辑与计算机组成课程改革实践主要内容主要内容n课改背景n课程内容n实验体系n实施方法n教学成效n资源共享2课改背景课改背景数字逻辑电路DL计算机组成原理CO计算机体系结构CA2014年数字电路与数字系统DL计算机组成原理CO数字逻辑与计算机组成DL&CO计算机系统基础ICS计算机体系结构CA计算机系统基础ICS计算机体系结构CA2020年存在问题？存在问题？开设计算机系统基础ICS合并数字逻辑电路与计算机组成DL&CO3课程内容多学生基础薄弱大一下开设4学时n课程内容

2、分割内容切分内容切分数制编码布尔代数组合逻辑设计时序逻辑设计部件设计存储器件数字系统设计数字逻辑与数字系统数据类型及机器级表示指令系统及程序的机器级表示数据运算中央处理器设计存储器分层体系结构系统互连及I/O子系统并行处理系统计算机组成原理与设计计算机系统基础运算部件浮点运算计算机体系结构数字逻辑与计算机组成实验数字逻辑与计算机组成定点运算4Verilog HDL可编程器件n内容融合内容融合内容融合数制编码布尔代数组合逻辑设计时序逻辑设计部件设计存储器件数字系统设计数据类型及机器级表示指令系统及程序的机器级表示定点运算中央处理器设计运算部件数字逻辑与计算机组成数据通路控制器数据表示：数制、编码

3、、类型运算方法：表达式、机器指令、运算电路功能部件：逻辑设计、工作过程、特性指令集架构：程序表示、软硬件协同机制CPU设计：架构、单周期、多周期、流水线布尔代数：公理、定理、逻辑表达式如何选择指令集架构？5n原则：容易实现、指令集稳定、适用广、可扩展指令集架构的选择指令集架构的选择RISC-V作为模型机是一种趋势！特点：具有模块化结构，稳定性和可扩展性好，在简洁性、实现成本、功耗、性能和程序代码量等各方面具有显著优势。生态：中科院计算所：香山开源处理器；平头哥：玄铁系列芯来科技：蜂鸟系列；6n主要特点：6种指令格式，所有指令格式长度均为32位。只通过Load和Store指令访问存储器。立即数符

4、号位扩展。运算操作都在寄存器之间进行。只支持寄存器+立即数一种数据寻址模式。n指令格式：核心指令集核心指令集RV32I312520157122419141160funct7rs2rs1funct3rdopcoders1funct3rdopcodeimm11:0Register型imm11:5rs2rs1funct3imm4:0opcodeimm31:12rdopcodeimm12|10:5rs2rs1funct3imm4:1|11opcoderdopcodeimm20|10:1|11|19:12Immediate型，I*Store型Upper Imm型Branch型Jump&Link型7非常适

5、合初学者！围绕围绕RISC-V架构构建实验教学体系架构构建实验教学体系n以RISC-V+AM(抽象机)为基本架构，构建了融通软硬件的计算机系统全栈能力培养实验教学体系。n通过在从简到繁的不同实验平台上构建计算机系统，逐步加深对计算机系统的理解，培养不同层次、不同方向的计算机系统设计能力。数字逻辑与计算机组成数字逻辑与计算机组成实验计算机系统基础操作系统计算机系统设计综合实验开设学期大一下大二上大二上大二下大三下展示程序累加求和,冒泡排序基准程序,超级玛丽仙剑+hello分时运行ShellProject-N生态/Debian操作系统-Nanos-liteNanosNanos/Linux抽象计算机

6、层-AM=TRM(计算)+IOE(输入输出)+CTE(中断异常)+VME(虚存)+MPE(多核)ISA9/37条RV32IRV32IMRV32IMx86/RV64MIPS32/RV64微结构单（多）周期单周期/流水线NEMUQEMU流水线/乱序实验平台LogisimFPGA教学模拟器QEMUFPGA8数字逻辑与计算机组成课内实验数字逻辑与计算机组成课内实验n实验目的：加深知识点理解，掌握CPU设计方法，探索软硬件协同运行机理。综合性实验，课程内容前后串联，与后续课程上下贯通。n9条指令32位单周期CPU：串起课程内容，解决知识点多，内容抽象，结构分散的问题。创新性实验，具有一定挑战性，能够激发