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数字设计与计算机架构课程的第二讲笔记（2）
数字设计与计算机架构课程笔记
ETH Zürich 2023春季学期·第二讲：权衡、指标和设计心态
一、计算机系统基础
1.1 系统组成
- 计算：执行算术/逻辑运算（如ALU功能）。
- 通信：数据在组件间传输（如总线架构）。
- 存储/内存：快速访问程序与数据（如缓存层次结构）。
1.2 体系结构层次
从抽象到物理的层级：
- 问题 → 2. 算法 → 3. 逻辑 → 4. 设备 → 5. 电子
二、处理器类型与设计目标
2.1 通用 vs 专用处理器
| 类型 | 优势 | 劣势 |
|---|---|---|
| 通用CPU | 灵活性高、可编程性强 | 能效/性能非最优 |
| 专用ASIC | 高性能、高能效 | 灵活性差、开发成本高 |
2.2 现代处理器架构
| 平台 | 功能特点 |
|---|---|
| CPU | 执行通用指令（如程序控制、分支预测） |
| GPU | 并行处理图形与大规模数据（如SIMD架构） |
| FPGA | 可重构逻辑功能（如硬件原型设计） |
| ASIC | 定制化优化特定任务（如AI推理） |
三、基础构建模块
3.1 晶体管与逻辑门
- MOS晶体管：
- n型：电子导电（低电平导通）。
- p型：空穴导电（高电平导通）。
- CMOS逻辑门：
- 优势：静态功耗低、噪声容限高。
- 实现：互补nMOS/pMOS网络（如NAND门由并联nMOS与串联pMOS构成）。
3.2 组合逻辑电路
- 功能特性：
- 输出仅依赖当前输入（无记忆）。
- 标准形式：SOP（积之和）与POS（和之积）。
- 逻辑简化方法：
- 布尔代数规则（如吸收律、德摩根定律）。
- Karnaugh图：通过相邻项合并最小化表达式（如BCD增量函数简化）。
3.3 组合逻辑构建块
| 模块 | 功能描述 |
|---|---|
| 解码器 | 二进制输入→独热码输出 |
| 多路选择器 | 按选择信号选通输入 |
| 全加器 | 实现二进制加法（含进位） |
| PLA | 可编程逻辑阵列（SOP/POS配置） |
四、数据移动与能耗瓶颈
4.1 能量对比
- 计算能耗：执行算术和逻辑运算所需的能量。
- 数据移动能耗：将数据从内存移动到处理器，或在不同内存层次之间移动所需的能量。
4.2 瓶颈成因
- 内存层次结构：数据需跨多层传输（寄存器→缓存→主存）。
- 访问模式：缓存未命中导致频繁主存访问。
- 物理距离：存储器与处理器分离增加延迟与能耗。
4.3 优化技术
- 存内计算 (PIM)：在DRAM内集成计算单元（如Samsung AxDIMM）。
- 近内存计算：将处理器嵌入内存芯片（如UPMEM引擎）。
- 缓存优化：提升命中率以减少主存访问。
五、逻辑设计关键问题
5.1 逻辑门选择
- CMOS技术：主流方案（低功耗、高集成度）。
- 特殊场景：
- ECL：高速（如高性能计算）。
- GaAs：高频（如通信设备）。
5.2 功耗优化
- 动态功耗：降低电压、时钟门控。
- 静态功耗：低泄漏晶体管、功率门控。
总结：本笔记整合了数字设计的核心构建模块（晶体管、逻辑门、组合逻辑）、现代架构挑战（数据移动瓶颈）及优化策略，强调权衡分析与能效设计原则，为后续微处理器设计提供理论基础。
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