马殿富-XXXX-11计算机类专业人才系统能力培养

第二届高等学校计算机类专业人才培养高峰论坛计算机类专业人才系统能力培养马殿富北航计算机学院[e-mail]杭州2013-11计算机学院2计算机学院2系统能力培养研究清华大学北京大学国防科技大学南京大学浙江大学北京航空航天大学东南大学西安交通大学电子科技大学西安电子科技大学教育部计算机类教学指导委员会系统能力培养研究组凝练成果，突出示范分类试点，合作推广计算机学院3计算机学院3系统能力培养的探究学生能够建立计算机系统观、具备计算机系统设计能力是计算机专业高素质创新人才培养关键标志。数字逻辑、计算机组成、操作系统和编译技术是最核心的计算机专业课程。研究数理逻辑、数字逻辑、计算机组成、操作系统和编译技术课程关系，通过教学和实验两个方面进行整体探讨和设计。以MIPS指令集为基础，使得学生能够设计一台功能计算机、一套操作系统和一套编译系统。计算机学院4计算机学院4计算机专业系统能力系统•功能：输入、输出及其关系•结构：元素及其关系系统分析能力系统综合能力系统验证能力系统创新能力计算机学院5计算机学院5计算机专业系统能力系统•功能：输入、输出及其关系•结构：元素及其关系系统分析能力•给定结构和输入，分析输出系统综合能力•给定输入和输出，综合结构系统验证能力•给定结构，确定与功能符合系统创新能力•设计新的功能与结构计算机学院6计算机学院6系统能力准则工业标准•MIPS指令集，标准C语言工程规模•57条MIPS指令，支持标准C语言关键子集工程方法•探索一般性方法计算机学院7计算机学院7系统能力培养目标实现57条MIP指令确定数字逻辑部件实现标准C语言到MIPS编译，及支持GCC实现支持MIPS指令集的操作系统计算机学院8计算机学院8研究与实践（2007～2013）2006200720082009201020112012组建团队规划研究，顶层设计精选本科生首次完成MIPS处理器开发数字电路首轮实验编译技术首先调整数字电路全面调整编译技术全面调整自主开发统一硬件实验平台数字电路全面实施编译技术全面实施全面重构硬件代码(特别是MIPS代码)OS调整，模拟器运行OS全面实施，模拟器/硬件双平台同时实施计组引入HDL和EDA计组全面实施新计组(融合数电)系统观点与工程能力计算机专业工程认证计算机学院9计算机学院9实践体会定位不同，选择不同•不需要学习CPU设计目标不同，选择不同•学生能力不行，选择简单传统设计CPU方法难度大•CPU数据通路，图方法•十几条，行为模型持续探索工程方法，让学生有巅峰体验•工程方法存在吗？计算机学院10计算机学院10π的启示：图直观性与表达式精确性刘徽（约公元225年—295年）提出了-“割圆术”，计算到圆内接96边形，求得π=3.14。祖冲之（公元429年—公元500年）求出π在3.1415926与3.1415927之间。计算到圆内接16384边形。......9171513114莱布尼茨(1646—1716)提出π的表达式当取10000000项，π/4=0.7853981634的前八位保持一致。计算机学院11计算机学院11方法论系统论观点•贝塔朗菲提出“一般系统论”系统作为研究对象，以及功能与结构关系。•系统方法–分析方法：给出系统输入和结构，求取系统输出–综合方法：给出系统功能，构建系统结构。结构主义观点•皮亚杰提出结构主义•结构S,R,F,C•整体性、转换、自身调整性三个语言环境观点•李未提出对象语言、模型语言和元语言计算机学院12计算机学院12集合及逻辑作为CPU模型描述用形式逻辑的方法可以容易看出，存在某种[指令集]在理论上足以控制和执行任意顺序的操作……从当前的观点出发，选择一个[指令集]时考虑的更多更实际的问题是：[指令集]要求的设备简单性，在实际重要的问题中有明确应用和解决该类问题的速度。——Burks,Goldstine&vonNeumann,1947以CPU指令集对象语言，以命题逻辑和集合以及数字逻辑部件为模型语言。用集合关系概念显示地描述数字逻辑部件之间的关系。用命题公式显示地描述控制信号。计算机学院13计算机学院13CPU结构模型用结构模型方法构建MIPS指令集的CPU模型CPU结构模型S,F,R,C•S：数字逻辑部件、多路选择器及控制部件•F：数字逻辑部件功能及控制信号逻辑公式•R：数据通路•C：{P0,P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8}在存储器中存储指令计算机学院14计算机学院14构思综合与工程综合方法（SI&SE）SynthesisofIdea&synthesisofEngineering构思指令数据通路根据一条指令的含义，构造数字逻辑部件关系表工程综合方法（一般性方法）小综合（指令数据通路）给出一条指令的选择器（1输入1输出）表给出一条指令的选择器控制逻辑公式表和部件控制逻辑公式表大综合指令集数据通路）求CPU部件控制逻辑公式求CPU数据通路集合求CPU数据通路控制逻辑公式计算机学院15计算机学院15数字逻辑部件数字逻辑部件•组合逻辑设计，包括编码器、译码器、比较器、数据选择器、数据分配器、奇偶校验器、算术逻辑单元、乘法器、数据扩展器等。•时序逻辑设计，包括计数器、寄存器、移位器等数字逻辑的理论基础—布尔代数？组合逻辑•给出功能描述（真值表）•命题逻辑方法求出（、、）逻辑范式•构建逻辑部件（非门、与门、或门）•Verilog等软件实现时序逻辑方法相似计算机学院16计算机学院16寄存器、选择器及控制信号选择器表Mux1PCMux2Mem.addressMux3Mem.writeDataMux4IRMux5Regs.Rreg1Mux6Regs.Rreg2Mux7Regs.WregMux8Regs.WdataMux9AMux10BMux11ALU.AMux12ALU.BMux13ALU.funcMux14ALUOutMux15MDU.AMux16MDU.BMux17MDU.funcMux18LS~2Mux19SU.shamtMux20SU.dataMux21SU.funcMux22S16~32Mux23S18~32选择器控制信号CtrlMux1_1CtrlMux2_1CtrlMux3_1CtrlMux4_1CtrlMux5_1CtrlMux6_1CtrlMux7_1CtrlMux8_1CtrlMux9_1CtrlMux10_1CtrlMux11_1CtrlMux12_1CtrlMux13_1CtrlMux14_1CtrlMux15_1CtrlMux16_1CtrlMux17_1CtrlMux18_1CtrlMux19_1CtrlMux20_1CtrlMux21_1CtrlMux22_1CtrlMux23_1寄存器控制信号CtrlPCCtrlMemReadCtrlMemWriteCtrlIRCtrlRegsReadCtrlRegsWriteCtrlACtrlBCtrlALUOutCtrlHiCtrlLoCtrlSUCtrlS16~32CtrlS18~32CtrlLS~2CtrlSBWCtrlscReg寄存器PCMemReadMemWriteIRRegsReadRegsWriteABALUOutHiLoSUS16~32S18~32LS~2SBWscReg计算机学院17计算机学院17相同数据通路指令addrd,rs,rtrd=rs+rt0x00rsrtrd0x000x20加法溢addurd,rs,rtrd=rs+rt0x00rsrtrd0x000x21加法subrd,rt,rsrd=rt-rs0x00rsrtrd0x000x22减法溢suburd,rt,rsrd=rt-rs0x00rsrtrd0x000x23减法andrd,rs,rtrd=rsrt0x00rsrtrd0x000x24逻辑与orrd,rs,rtrd=rsrt0x00rsrtrd0x000x25逻辑或xorrd,rt,rsrd=(rtrs)0x00rsrtrd0x000x26或非norrd,rs,rtrd=(rsrt)0x00rsrtrd0x000x27与非sltrd,rt,rsrd=rsrt0x00rsrtrd0x000x2a小于slturd,rt,rsrd=rsrt0x00rsrtrd0x000x2b无符号小于指令含义简单清楚如何用数据逻辑部件实现？计算机学院18计算机学院18构思指令简单数据通路(表1.1)addrd,rs,rt的含义•rd=rs+rt指令执行用数字逻辑部件序列表示确定数字逻辑部件确定逻辑部件之间关系根据寄存器上跳沿触发安排关系对的次序P0PCMem.addressPCALU.A+4ALU.B0x20ALU.fincP1ALUALUOutMemIRP2ALUOutPCIR[31:26]CU.IR31~26IR[25:21]Regs.RReg1IR[20:16]Regs.RReg2IR[15:11]Regs.WregIR[5:0]CU.IR5~0P3Regs.Rdata1ARegs.Rdata2BP4AALU.ABALU.BCU.funcALU.funcP5ALUALUOutP6ALUOutRegs.Wdata计算机学院19计算机学院19选择器关系—简单数据通路(表1.2)一般方法•构建数字逻辑部件之间关系查选择器对应表，确定关系偶对P0PCMux2_0Mux2Mem.addressPCMux11_0Mux11ALU.A+4Mux12_0Mux12ALU.B0x20Mux13_0Mux13ALU.fincP1ALUMux14_0Mux14ALUOutMemMux4_0Mux4IRP2ALUOutMux1_0Mux1PCIR[31:26]CU.IR31~26IR[25:21]Mux5_1Mux5Regs.RReg1IR[20:16]Mux6_1Mux6Regs.RReg2IR[15:11]Mux7_1Mux7Regs.WregIR[5:0]CU.IR5~0P3Regs.Rdata1Mux9_1Mux9ARegs.Rdata2Mux10_1Mux10BP4AMux11_1Mux11ALU.ABMux12_1Mux12ALU.BCU.funcMux13_1Mux13ALU.funcP5ALUMux14_1Mux14ALUOutP6ALUOutMux8_1Mux8Regs.Wdata计算机学院20计算机学院20指令码控制信号指令：0x00&(0x20|0x21|0x22||0x23|0x24|0x25|0x26|0x27|0x2a|0x2b)CtrlOP[1]=(~op[5]&~op[4]&~op[3]&~op[2]&~op[1]&~op[0])&((op[5]&~op[4]&~op[3]&~op[2]&~op[1]&~op[0])||(op[5]&~op[4]&~op[3]&~op[2]&~op[1]&op[0])||(op[5]&~op[4]&~op[3]&~op[2]&op[1]&~op[0])||(op[5]&~op[4]&~op[3]&~op[2]&op[1]&op[0])||(op[5]&~op[4]&~op[3]&op[2]&~op[1]&~op[0])||(op[5]&~op[4]&~op[3]&op[2]&~op[1]&op[0])||(op[5]&~op[4]&~op[3]&op[2]&op[1]&~op[0])||(op[5]&~op[4]&~op[3]&op[2]&op[1]&op[0])||(op[5]&~op[4]&op[3]&~op[2]&~op[1]&~op[0])||(op[5]&~op[4]&op[3]&~op[2]&~op[1]&op[0]));根据指令码和功能码变换为逻辑表达式形成指令码控制信号计算机学院21计算机学院21