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计算机教材

计算机组成原理实验教程

作者：关桂霞、朱晓燕、王晶

出版社：清华大学出版社出版时间：2018-11-01

开本： 16开 页数： 168

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计算机组成原理实验教程版权信息

ISBN：9787302504566
条形码：9787302504566 ; 978-7-302-50456-6
装帧：一般纯质纸
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
计算机/网络
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计算机教材

计算机组成原理实验教程本书特色

采用模块化、自底向上的设计方法将原理图设计与抽象的硬件语言描述相结合，更适合普通高校的学生参考。本书内容编排上由浅入深、由易到难，符合初学者的认知规律，使初学者能够根据实验指导顺利完成典型指令的CPU设计。通过实验，让你掌握计算机组成原理及设计

计算机组成原理实验教程内容简介

本书根据计算机组成原理课堂教学的需求，以培养学生计算机系统设计能力为目的，详细介绍了针对MIPS指令子集的单周期CPU、多周期CPU以及5级流水线CPU的具体设计过程，展示了利用Logisim和Verilog两种方法进行功能部件的设计以及组装CPU的具体方法。本书的教学内容反映了当前CPU设计的主流方法，特色在于采用模块化、自底向上的设计方法将原理图设计与抽象的硬件语言描述相结合，更适合普通高校的学生参考。本书内容编排上由浅入深、由易到难，符合初学者的认知规律，使初学者能够根据实验指导顺利完成典型指令的CPU设计。通过本书的学习，读者还可以掌握利用Logisim进行逻辑设计的方法以及利用FPGA开发的设计流程。本书可作为应用型普通高校计算机专业“计算机组成原理”课程配套的实验教材，也可作为计算机系统设计爱好者的参考用书。

计算机组成原理实验教程目录

目录
第1章处理器设计/1
1.1MIPS指令系统1
1.1.1MIPS指令格式1
1.1.2MIPS寄存器2
1.1.3MIPS的指令集选择2
1.2MIPS CPU设计12
1.2.1单周期CPU设计12
1.2.2多周期CPU设计23
1.2.35级流水线CPU设计31
1.3MIPS的中断处理41
1.3.1MIPS的协处理器42
1.3.2MIPS的中断处理43
第2章硬件平台/44
2.1概述44
2.1.1Minisys开发板资源44
2.1.2主芯片XC7A100T的关键资源45
2.2板上存储器45
2.2.1DDR3 SDRAM46
2.2.2SRAM47
2.2.3非易失的串行Flash48
2.3FPGA配置48
2.4基本I/O 49
2.4.1拨码开关与LED灯49
2.4.2按键开关50
2.4.37段数码管50
2.5其他接口52
2.5.1时钟52
2.5.24×4矩阵键盘53
2.5.3VGA模块53〖1〗计算机组成原理实验教程目录[3]〖3〗
2.5.4蜂鸣器54
2.5.5麦克风54
2.5.6USBUART桥54
2.5.7以太网54
2.5.8EJTAG接口55
第3章开发环境/57
3.1Logisim57
3.1.1设计分析57
3.1.2设计过程57
3.1.3仿真测试62
3.1.4封装电路64
3.1.5电路应用65
3.2Mars 66
3.2.1打开Mars66
3.2.2编写汇编程序67
3.2.3汇编67
3.2.4运行并调试68
3.3Vivado69
3.3.1FPGA开发流程69
3.3.2设计实例70
第4章基础实验/92
4.1多路选择器的设计与实现92
4.1.1用Logisim实现2选1 多路选择器93
4.1.2用Verilog语言设计2位数据的2选1多路选择器98
4.2运算器的设计与实现118
4.2.1算术逻辑单元的设计与实现118
4.2.2寄存器文件的设计与实现127
4.3存储器的设计与实现133
4.3.1Logisim模拟存储器扩展133
4.3.2存储器的IP核实现137
4.4单周期CPU的设计与实现144
4.4.1MIPS汇编程序144
4.4.2单周期CPU的设计与实现149
第5章拓展实验/156
5.1多周期CPU的设计与实现156
5.25级流水线CPU设计与实现164
5.3支持中断的多周期CPU设计与实现166
参考文献/169

展开全部

计算机组成原理实验教程节选

第3章开发环境本章对本书中实验所涉及的开发软件Logisim、Mars和Vivado进行简要的介绍。 3.1Logisim Logisim是一款简单易用的数字逻辑电路的设计、仿真软件。本节以数字系统中常用的24译码器电路设计为例，详细介绍Logisim软件的设计过程。 3.1.1设计分析 24译码器有2个输入端、4个输出端和1个使能端。当使能端为有效电平时，对应的输出端只有一个有效，其余均为无效电平。具体来说，2个输入变量(A、B)共有4种组合状态，因此译码器有4个输出信号(Y3～Y0)。假定使能端E、输出Y3～Y0均为低电平有效，则24译码器各输出端的逻辑表达式为0=··;1=··B;2=·A·;3=·A·B3.1.2设计过程打开Logisim软件，如图3.1所示，Logisim用户界面主要由菜单栏、工具栏、元件库、属性区、编辑区和缩放区构成。图3.1Logisim用户界面菜单栏：主要包括文件(File)、编辑(Edit)、工程(Project)、仿真(Simulate)、窗口(Window)和帮助(Help)6个下拉菜单。其使用方法和常用的Windows软件类似。工具栏：主要包含了常用命令的快捷按钮。灵活运用工具栏可以极大地方便用户在Logisim中的操作。元件库：提供了数字系统逻辑设计中常用的部件，包括基本的门单路(Gates)、连线(Wiring)、编/译码器(Plexers)、算术单元(Arithmetic)、存储器(Memory)、输入/输出(Input/Output)以及基本工具(Base)。Logisim软件自带的库中包含了绘制原理图用到的一些常用的基本元件。利用这些元件，可以完成大部分逻辑设计。对于一些复杂数字系统的设计，可以先利用这些常用元件设计逻辑子电路，然后再进行系统级设计。属性区：显示或修改被选中元件的属性。编辑区：逻辑设计绘图区。缩放区：放大/缩小编辑区。〖1〗计算机组成原理实验教程第3章开发环境[3]〖3〗1. 创建工程选择菜单栏中的Project→Add Circuit命令，并在弹出的窗口中输入电路名称decode24，然后单击“确定”按钮，如图3.2所示。图3.2创建工程 2. 添加元件从上面的分析过程得知，24译码器需要用到与非门和非门两类逻辑元件。展开Logisim用户界面左侧的Gates菜单，单击NAND Gate，拖动鼠标将选中的与非门移入右侧编辑区，并放置在适当的位置，如图3.3所示。图3.3添加元件如图3.4所示，单击编辑区中的与非门，在界面左下方的属性区Selection中会自动出现选中模块的默认参数。根据不同设计要求，可以修改元件的属性。对于24译码器的设计，需要三输入的与非门，所以将Number Of Inputs设为3，元件标号Lable定义为u1，其余设置保持不变。图3.4元件参数设置其他与非门、非门的放置与参数设置和以上情况类似。如图3.5所示，依次将24译码器要用到的3个与非门和3个非门摆放在编辑区的合理位置。图3.5元件布局 3. 添加输入/输出端口单击工具栏中的放置输入端口，单击放置输出端口。也可以展开用户界面左侧的Wiring菜单选择图标，该图标默认为输入端口。如图3.6所示，可以通过相应的属性修改为输出端口。图3.6添加输出端口单击工具栏中的，放置E、A、B 3个输入端口，并在相应的属性栏中修改其名称。单击工具栏中的，放置Y3～Y0 4个输出端口，同样并在相应的属性栏中修改其名称。通过修改某一元件属性Selection中的Facing选择项，可改变该元件的端口朝向。输入、输出端口布局如图3.7所示。图3.7输入、输出端口布局 4. 连线添加完所有的元件后，就可以连线了。将鼠标移至某一元件端口(注意：出现绿色小圆圈)，即可从此点引出连线，按住鼠标左键，连线会延长，松开后连线被保留下来。选中某一段连线，按键盘中的Delete键或BackSpace键就可以将其删除。如图3.8所示，*终完成24译码器的设计。单击工具栏中的，可以进行文本编辑，对设计的逻辑电路进行文本说明。图3.824译码器逻辑图提示：  建议在电路设计过程中先放置元件，后连线。  在编辑()状态，当鼠标为一个小绿圆圈时，单击它开始画线。  连线的起点、终点很重要，必须是对应元件上的“小圆点”处。  电路设计过程中，有时发现有些连线是蓝色或灰色的，这不是大问题，但是在完成设计以后，如果还有蓝色或灰色的连线，就说明肯定有错误发生。  正确完成连线后，所有的连线颜色都应该自动变成亮绿或者暗绿色。如果为其他颜色，请参考Logisim环境下线条颜色的说明检查并修改连线。Logisim环境下，线条颜色说明如下。灰色：可以说是无用线，与任何器件都没有连接。蓝色： 1bit数据线，悬空，没有驱动。暗绿色：逻辑0。亮绿色：逻辑1。黑色：多位逻辑线。红色：错误的逻辑值。出现这种情况一般是：逻辑门没有输入或输入不正确，导致输出有问题；或者两个器件的输出同时连接到该线。橙色：线宽不匹配，这是*常出现的一种错误。图3.9中，由于u2器件的a输入端为悬空状态，所以输出显示为红色。图3.9输入悬空图3.10中，由于u2器件的a输入端为不确定状态X，所以输出也显示为红色。图3.10输入逻辑不正确图3.11中，由于u2器件的a输入端同时接收u4、u5的输出驱动，所以导致u2器件的输出为红色。图3.11两个器件同时驱动将图3.11中u2器件的a输入引脚与输入信号x连接后，不正确的颜色(红色)连线自动变为正确的颜色(暗绿色、亮绿色)，如图3.12所示。图3.12修改正确的电路 3.1.3仿真测试如图3.13所示，选择工具栏中的手型标志(鼠标移至此处时会出现Change values within circuit(Ctrl1)字样)，将编辑状态改为测试状态。选中某一输入模块，单击鼠标改变输入模块(Pin)的值，就可以实时观察测试的结果。(注意：一般输入有0、1、X 3种状态，其中X为高阻态，也可以设置Selection的Threestate选项，取消三态。) 图3.13选择测试状态例如，将E设为1、A设为0、B设为0时，测试结果如图3.14所示。图3.14测试过程(E=1为无效状态) 图3.14表示24译码器使能端无效(E=1)时，4个输出端(Y3～Y0)均为无效状态(全为1)。当使能端有效(E=0)、AB=00时，对24译码器测试的结果如图3.15所示。图3.15测试结果(E=0, AB=00) 按照上述方法对24译码器的功能进行全面测试，测试结果与24译码器的功能如果不符，请检查设计的正确性。

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