数字系统设计基础

课程评分

• 期末考试（60%）
• 课后作业（20%）
• 实验考查（10%）
• 平时出勤（10%）

章节关系

计算机系统与二进制编码

• 第 1 章 计算机（概述）：了解计算机系统工作的基本原理，掌握计算机内部数据表示。
  • 计算机系统概述：了解计算机系统的基本工作原理和计算机系统的基本框架
    • 冯·诺依曼结构计算机：基本思想、存储程序的工作方式
    • 程序的表示和执行过程：程序和指令及数据之间的关系
    • 计算机系统抽象层
  • 二进制数的编码表示
    • 外部信息和内部数据之间的关系
    • 进位计数制（2、8、10、16 进制）
  • 数值数据的表示
    • 定点数的二进制编码：原码、补码、移码
    • 无符号整数和带符号整数的表示
      • 无符号数：正整数，用来表示地址
      • 带符号数：用补码表示
    • 浮点数的表示
      • 符号
      • 尾数：定点小数
      • 指数（阶码）：定点整数（默认阶为 2，无需表示）
      • 浮点数的精度：与尾数的位数、是否规格化有关
      • 浮点数 IEEE754 标准
  • 非数值数据的表示
    • 有权 BCD 码（8421 码）
  • 数据的宽度和存储排列
    • 位、字节、字；KB、MB、GB；大端/小端方式

数字逻辑电路

• 第 2 章 数字逻辑基础（器件）
  • 布尔代数（数学工具）
    • 数字抽象
    • 基本逻辑运算、公理系统和定律
  • 晶体管（物理实现）
    • 逻辑门
    • CMOS 晶体管和电气特性
  • 逻辑关系描述
    • 逻辑函数、真值表和波形图
    • 标准范式的表示
  • 逻辑函数化简（设计方法）
    • 代数法和卡诺图化简
    • 等效逻辑符号和逻辑函数变换
• 第 3 章 组合逻辑电路（电路）
  • 组合逻辑电路设计概述
    • 组合逻辑电路设计的基本步骤
    • 无关项、非法值和高阻态
  • 典型组合逻辑部件设计
    • 译码器、编码器
    • 多路选择器
    • 半加器、全加器
  • 组合逻辑电路的时序分析
    • 传播延迟和最小延迟
    • 竞争冒险
• 第 4 章 时序逻辑电路（电路）：掌握最基本的时序逻辑电路的功能及其设计方法
  • 时序逻辑电路概述
    • 时序逻辑与有限状态机
    • 时序逻辑电路基本结构及其定时
  • 双稳态电路、锁存器和触发器
  • 同步时序电路设计
    • 状态图和状态表设计
    • 状态化简和状态编码
    • 电路设计和分析
  • 典型的时序逻辑部件设计
    • 计数器
    • 寄存器和寄存器堆
    • 移位寄存器 （数字逻辑电路 = 组合逻辑电路 + 时序逻辑电路）
• 第 5 章 可编程逻辑器件（功能部件）
  • 可编程逻辑器件（PLD）
    • PLD 的基本概念和基本结构
    • 简单 PLD：PROM、PLA、PAL、GAL
    • 复杂 PLD：CPLD、FPGA
  • 存储器阵列
    • 静态RAM和动态RAM
    • ROM
  • 专用集成电路（ASIC）
    • FPGA设计概述和HDL基本概念

计算机组成原理

• 第 6 章 运算方法和运算部件（功能部件）
  • 基本运算部件
    • 串行进位加法器、带标志加法器
    • 算术逻辑运算部件（ALU）
  • 带标志补码加减运算电路
  • 乘、除运算和移位运算之间的关系
  • 定点乘法运算及其电路
    • 无符号整数乘法运算
    • 原码和补码的乘法运算
  • 定点除法运算及其电路
    • 无符号整数除法运算
    • 原码和补码的除法运算

• 第 7 章 指令系统（ISA 及对应微架构）：掌握指令系统涉及的指令格式、指令类型、操作码编码、操作数寻址、标志信息生成与使用、指令设计风格等内容。
  • 指令系统设计
    • 定长指令格式/变长指令格式
    • 寻址方式
    • 操作码的编码：定长/变长
    • 标志信息的生成和使用
    • 指令类型和指令设计风格
      • 寄存器之间传送、算数/逻辑运算、条件/无条件转移、调用/返回、访存（装入/存储）……
  • 实例：RSIC-V 指令系统
• 第 8 章 中央处理器（微体系结构）：理解指令系统与处理器的关系，理解单周期处理器、多周期处理器、流水线处理器设计的基本原理、电路结构和各控制信号含义。
  • 中央处理器概述
    • 指令执行过程、CPU的基本组成、数据通路与时序控制、计算机性能与CPU时间
  • 单周期数据通路设计
    • RV32I单周期数据通路设计(考分析)：扩展器、ALU、取指令电路、完整数据通路
    • 单周期控制器设计：RV32I指令与控制信号的关系、控制器电路结构（PLA阵列）
    • 多周期处理器设计：与单周期处理器的差别、多周期数据通路设计基本思想、硬连线路控制器和微程序控制器、带异常处理的处理器设计
    • 流水线处理器设计：流水线处理器设计基本思想

考试题型

• 选择：30 分
• 判断：10 分
• 简答：20 分
• 分析应用：40 分