胡伟武处理器设计讲义：二进制逻辑与浮点数表示

"LEC01-胡伟武.pdf 是一份关于处理器设计的讲义，由胡伟武教授讲解，涵盖了二进制与逻辑电路、计算机中数的表示、CMOS门电路、组合逻辑、时序逻辑、电路延迟、硬件描述语言Verilog到芯片制造流程GDSII等内容。" 在处理器设计中，基础知识至关重要，首先是二进制和逻辑电路。二进制是最简单的数字表示方式，由0和1组成，易于逻辑实现。在计算机中，0和1通常通过电压的高低来表示，这基于半导体工艺，如CMOS（互补金属氧化物半导体）技术。此外，还有其他表示方法，例如超导体工艺中的磁通量有无、量子计算机中的能级高低以及DNA计算机中的基因序列（A、G、C、T）。 接着，讲义介绍了定点数的表示，包括原码和补码。原码是最直观的表示方法，其中最高位作为符号位，0表示正数，1表示负数。但原码进行加减运算时效率较低。补码则通过取模运算改进了这个问题，它使得加减运算更加高效。对于负数，补码是原码除符号位外所有位按位取反再加一得到的。在8位和16位的例子中，可以清晰地看到原码和补码的区别以及溢出的判断方法。 浮点数的表示则用于解决定点数表示范围有限和除法不精确的问题。按照IEEE 754标准，浮点数由三部分组成：符号位、阶码（exponent）和尾数（fraction）。符号位表示数的正负，阶码使用移码表示并基于特定的基数（通常是2），而尾数则用于存储小数部分。这样的表示方式使得浮点数能够表示很大或很小的数值，并且能够进行更精确的除法运算。 此外，逻辑电路包括组合逻辑和时序逻辑。组合逻辑是由一组输入直接决定一组输出的无记忆功能电路，如AND、OR、NOT等门电路。时序逻辑则包含记忆单元，如寄存器，其输出不仅依赖于当前输入，还取决于电路的前一状态。电路延迟是指信号通过电路所需的时间，这是设计高速处理器时必须考虑的关键因素。 从Verilog到GDSII的过程涉及硬件描述语言的使用和芯片制造流程。Verilog是一种常用的硬件描述语言，用于描述数字系统的结构和行为。而GDSII（GDSII Stream Format）是集成电路设计中用于交换和存储集成电路布局信息的标准格式，是将设计转化为实际硅片的最后步骤之一。 这份讲义深入浅出地介绍了处理器设计的基础概念，包括二进制数、逻辑电路、定点和浮点数表示以及硬件描述语言的应用，为理解和设计处理器提供了扎实的理论基础。