现代计算机组成原理--详细介绍

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 当前位置:本科及研究生教材 信息技术,电子 信息技术,电子 信息技术,电子 现代计算机组成原理
   
现代计算机组成原理
作者:潘松 潘明 编著
书名:现代计算机组成原理
定价:¥33 元
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丛书名:  普通高等教育“十一五”国家级规划教材
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开本: 16
标准书号: 978-7-03-018449-8
字数(千): 614
印张: 
出版日期: 2007-2-1
发行号: TP-3424
装帧: 平
点击热度: 32125
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获奖情况
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普通高等教育“十一五”国家级规划教材
2007年国家级精品教材
 
图书介绍
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    本书提供了基于VHDL和EDA技术的关于CPU和计算机系统的设计理论和设计技术方面较完整和丰富的内容。其中有基于微程序控制模式的8位CISC模型CPU设计技术;基于状态机控制模式的16位CISC CPU设计技术;MCS51系列单片机兼容型单片机IP软核系统设计方法;基于流水线技术的16位RISC CPU设计技术,以及基于SOPC技术的32位NiosII软核嵌入式系统软硬件设计技术。从授课内容到实验形式都能与目前国外计算机组成原理与计算机体系结构等同类课程的教学和实验有较好的接轨。
    全书内容新颖实用,吸收了欧美许多高校的计算机组成原理同类课程教学和实验方面的基本内容。书中每一章中都安排了对应的习题和实验,首次为国内高校就这一课程的教学改革和相关实验内容的延拓方面提供了实用的教材。
    本书可作为计算机专业的本科生与研究生的教科书,或是作为传统的计算机组成原理课的教学与实验的补充资料,也可作为电子类各专业高年级本科生、研究生系统设计参考教材,或相关领域工程技术人员基于EDA技术的片上系统开发应用的参考书。
 
前言
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    鉴于篇幅,有关本书任务和目标的一些思考按排在了第1章的1.1节中。
    《现代计算机组成原理》可以作为普通计算机专业的一门独立的专业基础课,也可以作为现在的《计算机组成原理》和《计算机体系结构》同类课的后续课程,或作为此二课程在教学内容和实验内容上的补充,即包括EDA技术、硬件描述语言、CPU及计算机系统设计技术等内容的补充。
    书中各章大都安排了许多习题。绝大部分章节都安排了针对性较强的实验,使学生对每一章的课堂的教学效果能及时通过实验得以强化。各章设置的大部分实验,除给出详细的实验目的、实验原理、实验思考题和实验报告要求外,还包含多个实验项目(层次),即:第一实验层次是与该章内容相关的验证性实验,课本提供了详细的并被验证的设计程序和实验方法,学生只需将书中提供的设计程序输入计算机,并按要求进行编译仿真,在实验系统上实现即可;第二实验层次是在上一实验基础上作进一步的发挥;此后的实验层次属于自主设计或创新性质的实验。授课教师可以根据本课程的实验学时数和教学实验的要求,以及学生的兴趣程度,以不同的方式或形式布置给学生完成。
    作为预备知识,本书的第2章和第3章主要介绍针对CPU设计及其实现的VHDL语法知识、EDA工具QuartusII6.0的使用方法、FPGA开发技术与测试方法。为了尽可能缩短授课时数,采用了从典型电路设计实例的介绍中引出VHDL相关语句语法的方法,同时,在给出完整并被验证过的VHDL描述外,还给出综合后的RTL电路图,以及表现该电路系统功能的时序波形图。对于容易出现的设计错误或理解歧义的示例,还给出正误示例的比较和详细说明。由此,通过一些简单、直观、典型的实例,将VHDL中围绕CPU设计的最核心、最基本的内容解释清楚,使读者能在短时间内有效地把握VHDL的主干内容,而不必花费过多的时间去单独学习语法。至于一些枝节的语法现象,如函数、过程等,在实际遇到时,可由学生自己去查阅有关资料。如果已在前期课程中讲授过EDA技术和HDL方面的知识,及QuartusII6.0的应用,自然可跳过此二章。
    第4章主要介绍普通CPU组成部件的功能描述和基于EDA技术的设计方法,还包括一些基于Cyclone FPGA的开发技术和基于QuartusII6.0的LPM宏功能模块的使用方法。其基本内容与普通《计算机组成原理》对应内容类似,只是给出了全新的设计方法。因此实验量比较大,且强化了QuartusII6.0熟练使用方面的训练。
    与第4章相同之处是,第5章的基本内容与普通《计算机组成原理》对应内容也有类似,即介绍了基于微程序控制的8位CISC模型CPU的设计方法。但在表述工具(VHDL)、设计工具(QuartusII)、实现平台(单一FPGA)、以及测试工具和方法上则与传统迥异。
这主要表现在这样几个方面:1、CPU整机,包括,ALU、全部数据与控制信息通路、微程序ROM及其控制器,数据与程序RAM,显示接口等部件全部实现于单一FPGA中;2、CPU整机由单一网表文件实现;3、静态时序仿真可测试CPU内任何一点的信号波形与数据流向;4、基于嵌入式逻辑分析仪,可以动态实时了解CPU内任何一点的信号波形与数据流向;5、可在系统(In-System)了解、编辑、修改CPU中的微程序和软件指令。
    第5章最后还介绍了一个基于有限状态机的8位CISC CPU的,功能及指令系统与传统MCS51单片机兼容的IP软核单片机及其系统构建方法,实现方法和调试方法。同样,此单片机CPU、程序ROM、数据RAM和接口等部件都可在单一FPGA中实现。若利用此FPGA中的嵌入式锁相环后,此单片机的运行速度可以比普通8051单片机快数倍。
    第6章给出了一个基于有限状态机控制的16位CISC CPU的详细设计方法。全机由VHDL表述,借助于QuartusII,其软硬件功能在单片FPGA中得到验证。通过此章的学习和实验可使学生完整地掌握一个实用16位CPU的设计与实现技术。
    第7章和第8章主要讨论基于EDA技术和FPGA平台的流水线构架RISC CPU的设计理论、设计技术和实现方法。第8章最后给出了相关的完整实验。此二章可作为《计算机体系结构》课的补充,主要指硬件设计和实现方面。
    第9章和第10章介绍了比较新近出现的,基于SOPC(System On Programmable Chip)技术的NiosII嵌入式系统设计技术。NiosII是一个32位IP软核嵌入式处理器,是一个面向用户的硬件结构可编辑系统,其整个应用系统,甚至多个并行处理器系统都可以同时在一单片FPGA中实现。它代表了现代计算机技术发展的一个新的趋势。
现代计算机技术发展的速度异常迅猛,高校的计算机科学与技术的教学将面临越来越大的挑战,这主要表现在两个方面:1、更多更新的知识有待传授;2、学生在该领域的自主创新能力有待更有效地提高。为了迎接这个挑战,本书力图在这两个方面都有所作为,但限于知识面尚窄,难免力不从心。作为抛砖引玉之作,望业内专家同行不吝斧正。
    本书的撰写得到了ALTERA公司大学计划部的主要负责人Bob Xu先生的大力支持,在此表示衷心的谢意!
    作者E-mail:pan_m@163.com;该书配套课件可浏览此网址:www.kx-soc.com。
 
图书目录
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第1章概述

1.1现代计算机组成原理课的任务

1.1.1问题的提出

1.2.1探索解决问题的方法

1.2EDA技术

1.3FPGA器件

1.3.1FPGA的发展历程

1.3.2Cyclone系列FPGA

1.4VHDL硬件描述语言

1.5EDA设计流程

1.6QuartusII简介

1.7CISC和RISC处理器

1.8FPGA在现代计算机领域中的应用

第2章VHDL与QuartusII应用

2.1VHDL基本语句语法

2.1.1组合电路的VHDL描述

2.1.2VHDL语句结构

2.2时序电路描述

2.2.1D触发器描述

2.2.2时序描述相关语法规则

2.2.3实现时序电路的VHDL不同表述

2.3全加器描述及相关语法

2.3.1半加器描述

2.3.2CASE语句

2.3.3例化语句

2.4计数器设计及相关语法

2.4.1法计数器设计

2.4.2整数类型

2.4.3计数器的其他表述方法

2.5一般计数器设计

2.5.1相关语法说明

2.5.2程序功能和语法分析

2.5.3含并行置位的移位寄存器设计

2.6QuartusII6.0使用向导

2.6.1建立工作库文件夹和编辑设计文件

2.6.2创建工程

2.6.3编译前设置

2.6.4全程编译

2.6.5时序仿真

2.6.6应用RTL电路图观察器

2.6.7引脚锁定设置和下载

2.6.8配置文件下载

2.6.9AS模式编程配置器件

2.6.10JTAG间接模式编程配置器件

2.7嵌入式逻辑分析仪使用方法

2.8原理图输入设计方法

【习题】

【实验与设计】

2-1.组合电路设计

2-2.时序电路设计

2-3.含异步清0和同步时钟使能的加法计数器的设计

2-4.用原理图输入法设计8位全加器

第3章VHDL深入

3.1数据对象

3.1.1常数

3.1.2变量

3.1.3信号

3.1.4进程中的信号与变量赋值

3.2IF语句概述

3.3进程语句归纳

3.3.1进程语句格式

3.3.2进程结构组成

3.3.3进程要点

3.4并行语句例解

3.5仿真延时

3.5.1固有延时

3.5.2传输延时

3.5.3仿真?

3.6有限状态机

2.6.1数据类型定义语句

2.6.2一般有限状态机的设计

2.6.3Moore型状态机

2.6.4Mealy型状态机

3.7双向和三态电路信号赋值

3.7.1三态门设计

3.7.2双向端口设计

3.7.3三态总线电路设计

3.8LOOP语句与GENERIC语句

3.8.1LOOP语句

3.8.2GENERIC参数传递说明语句

3.8.3参数传递映射语句

【习题】

【实验与设计】

3-1.七段数码显示译码器设计

3-2.数控分频器的设计

3-3.8位16进制频率计设计

3-4.ADC0809采样控制电路实现

3-5.序列检测器设计

第4章计算机功能模块设计

4.18位CPU功能与结构

4.2CPU中的基本部件

4.2.1算术逻辑单元(ALU)

4.2.2数据缓冲寄存器

4.2.3移位运算器

4.2.4程序存储器与数据存储器

4.2.5先进先出存储器FIFO

4.2.6流水线乘法累加器

4.2.7程序计数器与地址寄存器

4.2.8指令寄存器

4.2.9指令译码器与控制器

4.2.10时序产生器

4.3数据通路设计

4.3.1模型机的数据通路

4.3.2模型机的电路结构

4.4在系统存储器数据读写编辑器应用

4.5嵌入式锁相环调用

4.5.1建立嵌入式锁相环元件

4.5.2测试锁相环

【习题】

【实验与设计】

4-1.算术逻辑运算单元ALU设计实验

4-2.带进位算术逻辑运算单元ALU设计实验

4-3.移位运算器设计实验

4-4.LPM_ROM实验

4-5.LPM_RAM实验

4-6.先进先出存储器LPM_FIFO实验

4-7.FPGA与外部16位RAM接口实验

4-8.微控制器实验1:节拍脉冲发生器时序电路实验

4-9.微控制器实验2:程序计数器PC与地址寄存器AR实验

4-10.微控制器实验3:微控制器组成实验

4-11.正弦信号发生器设计

第5章8位CISC计算机设计

5.18位CPU结构

5.2指令系统的结构及功能的确定

5.2.1模型机指令系统

5.2.2拟定指令流程和微命令序列

5.2.3微程序设计

5.38位CPU的硬件系统设计

5.3.1CPU顶层设计

5.3.2取指令和指令译码

5.3.3设计微代码表

5.3.4建立数据通路

5.3.5运算器ALU的设计

5.3.6控制执行单元

5.3.7在模型CPU中的软件执行

5.3.8模型CPU的硬件仿真

5.4具有移位功能的CPU设计

5.4.1移位运算器的VHDL设计

5.4.2移位运算器与ALU的联合设计

5.5含更多指令的CPU模型机设计

5.5.1指令系统的格式

5.5.2寻址方式确定

5.5.3微程序控制流程图设计

5.5.4微程序代码在LPM模块中的加载

5.68051单片机IP软核应用系统构建

5.5.1K8051单片机软核基本功能和结构

5.5.2K8051单片机软核实用系统构建和软件测试

【习题】

【实验与设计】

5-1.基本模型计算机设计与实现

5-2.带移位运算的模型计算机设计与实现

5-3.含16条指令的CPU设计与实现

5-4较复杂CPU应用程序设计实验

5-5K8051单片机核基本系统构建和测试实验

5-6基于K8051核的液晶显示与等精度频率测试系统设计

5-6基于K8051核的数码管显示与等精度频率测试系统设计

第6章16位CISCCPU设计

6.1顶层系统设计

6.1.116位CPU的组成结构

6.1.2指令系统设计

6.1.3顶层结构的VHDL设计

6.1.4软件设计实例

6.2CPU基本部件设计

6.2.1运算器ALU

6.2.2比较器COMP

6.2.3控制器CONTROL

6.2.4寄存器与寄存器阵列

6.2.5移位寄存器SHIFT

6.2.6三态控制寄存器TRIREG

6.3CPU的时序仿真与实现

6.3.1编辑仿真波形文件

6.3.216位CPU的调试运行

6.3.3应用嵌入式逻辑分析仪调试CPU

6.3.4对配置器件编程

6.4应用程序设计实例

6.4.1乘法算法及其硬件实现

6.4.2除法算法及其硬件实现

【习题】

【实验与设计】

6-1.16位计算机基本部件实验

6-2.16位CPU设计综合实验

第7章流水线结构CPU设计理论

7.1流水线的一般概念

7.1.1DLX指令流水线结构

7.1.2流水线CPU的时空图

7.1.3流水线分类

7.2流水线中的主要问题及处理

7.2.1资源相关

7.2.2数据相关及分类

7.2.3数据竞争的处理技术

7.2.4控制相关

7.2.5流水实现的关键技术

7.3流水线的性能评价

7.3.1流水线的性能指标

7.3.2应用举例

7.3.3Amdahl定律

【习题】

【实验与设计】

7-1乘法器设计实验

7-2除法器设计实验

第8章16位流水线CPU设计

8.1流水线CPU的结构

8.2指令系统设计

8.2.1寄存器型(R-型)

8.2.2寄存器立即数型(RI-型)

8.2.3立即数型(I-型)

8.2.4立即移位型(SI-型)

8.3数据通路设计

8.3.1R-型数据通路

8.3.2RI-型数据通路

8.3.3装入字数据通路

8.3.4存储字数据通路

8.3.5寄存器转移数据通路

8.4流水线各段设计和功能描述

8.4.1Stage1取指令段

8.4.2Stage2译码段(ID)

8.4.3Stage3执行有效地址计算段(EXE)

8.4.4stage4访存段(MEM)

8.4.5stage5写回段(WB)

8.4.6一些关键功能部件的设计

8.4.7控制单元

8.4.8中断与异常

8.4.9流水线CPU系统电路结构

8.4.10CPU与LCD显示模块的接口

【习题】

【实验与设计】

8-1Stage1取指令段实验

8-2Stage2指令译码段实验

8-3Stage3指令执行段实验

8-4Stage4/5存储与写回段实验

8-5数据相关性控制实验

8-6数据通路实验

8-7流水线CPU综合实验

第9章32位IP软核嵌入式系统

9.1Nios/NiosII软核处理器

9.2Nios软核处理器及其设计流程

9.2.1Nios处理器

9.2.2Nios处理器内部结构

9.2.3Nios系统硬件开发流程

9.2.4Nios系统软件开发流程

9.332位NiosII系统设计

9.3.1NiosII系统的优势

9.3.2NiosII系统开发流程

9.4自定制Avalon总线外设

9.5DMA

9.6自定制硬件指令

第10章NiosII嵌入式系统软硬件设计

10.1NiosII基本硬件系统构建

10.1.1设计模型准备

10.1.2NiosII系统加入组件

10.1.3NiosII系统生成前设置与系统生成

10.1.4NiosII硬件系统生成

10.2NiosII软件设计与运行流程

10.3加入用户自定义组件设计

10.4加入用户自定义指令设计

10.5Flash编程下载

【习题】

【实验与设计】

10-1.设计一个简单的NiosII系统

10-2.秒表程序设计

10-3.为NiosII系统定制复数乘法器硬件加速指令

10-4.利用NiosII系统完成简单计算器程序设计与功能实现

10-5.AvalonSlave外设((数码管动态扫描显示模块))设计

参考文献

附录

 
 
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