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计算机组成与设计实验教程(第四版) 版权信息
- ISBN：9787030697042
- 条形码：9787030697042 ; 978-7-03-069704-2
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
计算机组成与设计实验教程(第四版) 内容简介
本书以TEC-8计算机硬件综合实验系统为实验平台，全面介绍了计算机组成原理、数字逻辑与数字系统。全书共7章：章详细介绍了TEC-8计算机硬件综合实验系统；第2章和第3章介绍了计算机组成与计算机体系结构实验，其中第2章给出了7个基本实验，第3章给出了4个综合实验；第4章介绍了数字逻辑与数字系统的4个综合设计实验，这些实验同时可作为EDA技术的基础实验；作为进行第3章、第4章相关设计实验的推荐基础，第5～7章主要介绍了EDA设计的相关基础技术，其中第5章和第6章分别对VHDL和Verilog HDL进行了简单介绍，第7章介绍了Quartus Ⅱ的使用方法。 本书可作为高等院校计算机及相关专业的计算机组成原理、数字运辑与数字系统实验课程的教材，也可供计算机硬件技术领域的设计人员自学参考。
计算机组成与设计实验教程(第四版) 目录
目录
第1章 TEC-8计算机硬件综合实验系统 1
1.1 TEC-8实验系统的技术特点 1
1.2 TEC-8实验系统的组成 1
1.3 逻辑测试笔 4
1.4 TEC-8实验系统结构和操作 5
1.4.1 TEC-8模型计算机时序信号 5
1.4.2 TEC-8模型计算机组成 5
1.5 TEC-8模型计算机指令系统 8
1.6 指示灯、按钮、开关、接口与短路子 9
1.6.1 指示灯 9
1.6.2 按钮 10
1.6.3 开关 10
1.6.4 接口与短路子 11
1.7 数字逻辑与数字系统实验 12
1.8 E2PROM中微代码的修改 13
第2章 计算机组成原理基本实验 19
2.1 寄存器读写实验 19
2.2 运算器组成实验 27
2.3 双端口存储器实验 39
2.4 数据通路实验 50
2.5 微程序控制器实验 57
2.6 CPU组成与机器指令的执行实验 63
2.7 中断原理实验 69
第3章 计算机组成原理课程综合设计实验 73
3.1模型机硬连线控制器设计实验 73
3.2模型机流水微程序控制器设计实验 87
3.3模型机流水硬连线控制器设计实验 90
3.4 含有阵列乘法器的ALU 设计实验 100
第4章 数字逻辑与数字系统综合设计实验 108
4.1 简易电子琴实验 108
4.2 简易频率计实验 111
4.3 简易交通灯实验 118
4.4 VGA 接口设计实验 121
第5章 VHDL简介 125
5.1 VHDL程序的基本结构 125
5.1.1 实体说明 126
5.1.2 结构体说明 127
5.1.3 程序包 130
5.1.4 库 131
5.1.5 配置 131
5.2 VHDL的客体及词法单元 133
5.2.1 标识符 133
5.2.2 词法单元 134
5.2.3 VHDL的数据类型 135
5.2.4 VHDL的对象 138
5.2.5 VHDL运算操作符 141
5.3 VHDL的基本描述语句 142
5.3.1 进程语句 143
5.3.2 并行语句 146
5.3.3 顺序语句 158
5.4 属性的描述与定义 162
5.4.1 数值类属性 162
5.4.2 函数类属性 163
5.4.3 带属性函数的信号 165
5.5 决断函数与信号延迟 167
5.5.1 决断信号与决断函数 167
5.5.2 信号延迟 168
第6章 Verilog HDL基本语法 169
6.1 简单的Verilog HDL模块 169
6.1.1 简单的Verilog HDL程序介绍 169
6.1.2 模块的结构 171
6.1.3 模块的端口定义 171
6.1.4 模块内容 172
6.2 数据类型及其常量、变量 173
6.2.1 常量 173
6.2.2 变量 176
6.3 运算符及表达式 178
6.3.1 基本的算术运算符 179
6.3.2 位运算符 179
6.3.3 逻辑运算符 181
6.3.4 关系运算符 182
6.3.5 等式运算符 182
6.3.6 移位运算符 183
6.3.7 位拼接运算符 183
6.3.8 缩减运算符 184
6.3.9 优先级 184
6.3.10 关键字 185
6.4 赋值语句和块语句 185
6.4.1 赋值语句 185
6.4.2 块语句 186
6.5 条件语句 189
6.5.1 if-else语句 189
6.5.2 case语句 192
6.5.3 由于条件语句使用不当而产生意外的锁存器 195
6.6 循环语句 196
6.6.1 forever语句 196
6.6.2 repeat语句 196
6.6.3 while语句 197
6.6.4 for语句 198
6.7 结构说明语句 199
6.7.1 initial语句 199
6.7.2 always语句 200
6.7.3 task和function说明语句 201
6.8 系统函数和任务 205
6.8.1 系统任务$display和$write 205
6.8.2 系统任务$monitor 208
6.8.3 时间度量系统函数$time和$realtime 209
6.8.4 系统任务$finish 210
6.8.5 系统任务$stop 211
6.8.6 系统任务$readmemb和$readmemh 211
6.8.7 系统任务$random 212
6.9 编译预处理 213
6.9.1 宏定义`define 214
6.9.2 文件包含处理`include 215
6.9.3 时间尺度`timescale 217
6.9.4 条件编译命令`ifdef、`else、`endif 219
6.10 小结 220
第7章 Quartus Ⅱ的使用方法 221
7.1 Quartus Ⅱ介绍 221
7.2 Quartus Ⅱ安装 223
7.2.1 Quartus Ⅱ安装准备 223
7.2.2 Quartus Ⅱ软件安装 223
7.3 Quartus Ⅱ设计示例 227
附录 部分芯片资料及实验箱器件布局图 243
第1章 TEC-8计算机硬件综合实验系统 1
1.1 TEC-8实验系统的技术特点 1
1.2 TEC-8实验系统的组成 1
1.3 逻辑测试笔 4
1.4 TEC-8实验系统结构和操作 5
1.4.1 TEC-8模型计算机时序信号 5
1.4.2 TEC-8模型计算机组成 5
1.5 TEC-8模型计算机指令系统 8
1.6 指示灯、按钮、开关、接口与短路子 9
1.6.1 指示灯 9
1.6.2 按钮 10
1.6.3 开关 10
1.6.4 接口与短路子 11
1.7 数字逻辑与数字系统实验 12
1.8 E2PROM中微代码的修改 13
第2章 计算机组成原理基本实验 19
2.1 寄存器读写实验 19
2.2 运算器组成实验 27
2.3 双端口存储器实验 39
2.4 数据通路实验 50
2.5 微程序控制器实验 57
2.6 CPU组成与机器指令的执行实验 63
2.7 中断原理实验 69
第3章 计算机组成原理课程综合设计实验 73
3.1模型机硬连线控制器设计实验 73
3.2模型机流水微程序控制器设计实验 87
3.3模型机流水硬连线控制器设计实验 90
3.4 含有阵列乘法器的ALU 设计实验 100
第4章 数字逻辑与数字系统综合设计实验 108
4.1 简易电子琴实验 108
4.2 简易频率计实验 111
4.3 简易交通灯实验 118
4.4 VGA 接口设计实验 121
第5章 VHDL简介 125
5.1 VHDL程序的基本结构 125
5.1.1 实体说明 126
5.1.2 结构体说明 127
5.1.3 程序包 130
5.1.4 库 131
5.1.5 配置 131
5.2 VHDL的客体及词法单元 133
5.2.1 标识符 133
5.2.2 词法单元 134
5.2.3 VHDL的数据类型 135
5.2.4 VHDL的对象 138
5.2.5 VHDL运算操作符 141
5.3 VHDL的基本描述语句 142
5.3.1 进程语句 143
5.3.2 并行语句 146
5.3.3 顺序语句 158
5.4 属性的描述与定义 162
5.4.1 数值类属性 162
5.4.2 函数类属性 163
5.4.3 带属性函数的信号 165
5.5 决断函数与信号延迟 167
5.5.1 决断信号与决断函数 167
5.5.2 信号延迟 168
第6章 Verilog HDL基本语法 169
6.1 简单的Verilog HDL模块 169
6.1.1 简单的Verilog HDL程序介绍 169
6.1.2 模块的结构 171
6.1.3 模块的端口定义 171
6.1.4 模块内容 172
6.2 数据类型及其常量、变量 173
6.2.1 常量 173
6.2.2 变量 176
6.3 运算符及表达式 178
6.3.1 基本的算术运算符 179
6.3.2 位运算符 179
6.3.3 逻辑运算符 181
6.3.4 关系运算符 182
6.3.5 等式运算符 182
6.3.6 移位运算符 183
6.3.7 位拼接运算符 183
6.3.8 缩减运算符 184
6.3.9 优先级 184
6.3.10 关键字 185
6.4 赋值语句和块语句 185
6.4.1 赋值语句 185
6.4.2 块语句 186
6.5 条件语句 189
6.5.1 if-else语句 189
6.5.2 case语句 192
6.5.3 由于条件语句使用不当而产生意外的锁存器 195
6.6 循环语句 196
6.6.1 forever语句 196
6.6.2 repeat语句 196
6.6.3 while语句 197
6.6.4 for语句 198
6.7 结构说明语句 199
6.7.1 initial语句 199
6.7.2 always语句 200
6.7.3 task和function说明语句 201
6.8 系统函数和任务 205
6.8.1 系统任务$display和$write 205
6.8.2 系统任务$monitor 208
6.8.3 时间度量系统函数$time和$realtime 209
6.8.4 系统任务$finish 210
6.8.5 系统任务$stop 211
6.8.6 系统任务$readmemb和$readmemh 211
6.8.7 系统任务$random 212
6.9 编译预处理 213
6.9.1 宏定义`define 214
6.9.2 文件包含处理`include 215
6.9.3 时间尺度`timescale 217
6.9.4 条件编译命令`ifdef、`else、`endif 219
6.10 小结 220
第7章 Quartus Ⅱ的使用方法 221
7.1 Quartus Ⅱ介绍 221
7.2 Quartus Ⅱ安装 223
7.2.1 Quartus Ⅱ安装准备 223
7.2.2 Quartus Ⅱ软件安装 223
7.3 Quartus Ⅱ设计示例 227
附录 部分芯片资料及实验箱器件布局图 243
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计算机组成与设计实验教程(第四版) 节选
第1章 TEC-8计算机硬件综合实验系统 1.1 TEC-8实验系统的技术特点 TEC-8计算机硬件综合实验系统，以下简称 TEC-8实验系统或 TEC-8模型计算机、模型机。 TEC-8实验系统具有如下技术特点： (1)TEC-8模型计算机采用8位(bit)字长，简单而实用，有利于学生掌握 TEC-8模型计算机整机的工作原理。通过8位数据开关用手动方式输入二进制测试程序，有利于学生从*底层开始了解计算机工作原理。 (2)指令系统采用4位操作码，可容纳16条指令，已实现加、减、与、加1、存数、取数、条件转移、无条件转移、输出、中断返回、开中断、关中断和停机等14条指令，指令功能非常典型。 (3)其采用双端口存储器(Memory)作为主存，实现数据总线和指令总线双总线体制，实现指令流水功能，体现出现代 CPU设计思想。 (4)控制器采用微程序控制、硬连线控制、独立控制3种类型，体现了当代计算机控制器技术的完备性。 (5)微程序控制、硬连线控制和独立控制之间的转换采用独创的一次全切换方式，切换不用关掉电源，切换简单、安全可靠。 (6)控制存储器中的微代码可用 PC(个人计算机)下载，省去了 E2PROM器件的专用编程器(Programmer)和对器件的插、拔。 (7)运算器中ALU采用2片74LS181实现，4个8位寄存器堆用1片 Altera EPM7064S实现，设计新颖。 (8)每一条机器指令的时序采用不定长机器周期方式，符合现代计算机设计思想。 (9)1片Altera EPM7128S CPLD既可作为硬连线控制器使用，又可用于“数字逻辑与数字系统”课程的大型设计实验。为了安排“数字逻辑与数字系统”课程的大型设计实验，其提供了用发光二极管代表的按东、西、南、北方向安排的12个交通灯、6个数码管、1个喇叭和1个 VGA接口。 (10)其通过扩展板提供了若干双列直插的器件插座，可用于“数字逻辑与数字系统”课程的基本实验。 1.2 TEC-8实验系统的组成 TEC-8计算机硬件综合实验系统由下列部分构成。 1．电源 电源安装在实验箱的下部，输出电压为+5V，*大电流为2.5A。220V交流电源开关安装在实验箱的右侧，220V交流电源插座安装在实验箱的背面。实验台上有一个+5V电源指示灯。 2．实验台 实验台是 TEC-8计算机硬件综合实验系统*主要的组成部分，学生就是在实验台上进行实验的。实验台安装在实验箱的上部，由一块印制电路板构成， TEC-8模型计算机安装在这块印制电路板上， TEC-8计算机硬件综合实验系统实验台如图1.1所示。 图1.1 TEC-8计算机硬件综合实验系统实验台 从功能上讲， TEC-8计算机硬件综合实验系统可以分为若干个区，其分布如图1.2所示。其中数码管、交通灯、扬声器和 VGA部分主要用于支持“数字逻辑与数字系统”综合实验；指示灯部分可用于实时显示某些信号的电平值(通过单独连线方式连接)或用于运算器设计实验等；逻辑笔部分集成了一个逻辑测试笔，利用附带的逻辑笔可以检测各种信号的逻辑电平；微程序控制器、硬连线控制器部分用于提供基于 TEC-8计算机硬件综合实验系统进行“计算机组成原理”与“计算机系统结构”实验所需的控制信号，根据用户的设置不同；控制转换部分选择其一作为控制信号来源，或者二者都不选取，而是通过外接连线方式手动控制各控制信号。 图1.2 TEC-8计算机硬件综合实验系统功能分区图 3．下载电缆 下载电缆 USB Blaster用于将学生设计的硬连线控制逻辑或者其他综合实验的电路下载到 Altera EPM7128S CPLD器件中。下载前必须将下载电缆的一端和 PC的 USB口连接，另一端和实验台上的下载插座(J7)连接。 通过下载电缆下载相关内容的具体方法见第7章。 4．通信线 通信线用于 PC上在线修改控制存储器中的微代码。 TEC-8计算机硬件综合实验系统使用一片89S52单片机将学生设计的微程序写入 E2PROM，这就免除了必须先从实验箱上拔下存储芯片然后通过专用编程器进行写入的麻烦。 通信线分为2种，一种是 COM口转 COM口的，另一种是 USB口转 COM口的。使用 COM口转 COM口通信线在系统改写控制存储器内容时，通信线一端接实验台上的 COM口(RS232，J3)，另一端直接连 PC的 COM口，或通过 USB转 COM接头接 PC的 USB口；如果是 USB口转 COM口的通信线，则其一端接实验台上的 COM口(RS232，J3)，另一端直接连 PC的 USB口。 利用通信线在系统改写控制存储器内容的具体方法见1.9节。 5．导线与扁平电缆 使用 TEC-8计算机硬件综合实验系统进行某些实验时需要进行一些信号的连接，它们通过自锁紧导线连接完成。接入导线时，先将导线插头接入接线孔，然后捏住导线插头顺时针旋转90°，导线即锁紧、固定；反之，若要拆除导线，则要先捏住导线插头逆时针转动90°～180°，待松动后轻轻拔出导线插头。 当进行大型综合设计实验时，有些实验(包括“计算机组成原理”与“计算机系统结构” “数字逻辑与数字系统”综合设计实验)需要通过扁平电缆将需要的信号和器件 Altera EPM7128S CPLD的引脚连接。扁平电缆的一端接34芯插座 J6(J6和 Altera EPM7128S CPLD的引脚相连)；另一端分为三部分：**部分接16芯插座 J8(J8和开关 K15～K0相连)；第二部分接12芯插座 J4(J4和12个发光二极管 L11～L0相连)或者接12芯插座 J1(J1和数码管 LG2、LG1的驱动相连)；第三部分接6芯插座 J5(J5和上面提到的时钟信号 MF、CP1、 CP2和 CP3以及正脉冲 QD、PULSE相连)。在进行这些大型综合设计实验时，需要根据需要进行正确连接。 1.3 逻辑测试笔 在数字电路实验中，对信号的测量是一个重要问题。常用的测试工具有示波器、万用表和逻辑测试笔。示波器的好处是直观、准确，用波形显示信号的状态，常用于对连续的周期波形进行测量，数字示波器对非周期信号的测量也很有效，缺点是造价较高。万用表价格便宜、使用方便，对信号电压能进行精确测量，缺点是不能测量脉冲信号。逻辑测试笔常用于测量信号的电平，判断一个较窄的脉冲是否发生以及发生了几个脉冲，缺点是无法对信号的电压做精确测量。数字电路实验中，关心的不是信号的具体电压，而是信号的电平，逻辑测试笔作为一种方便、直观的测试工具，得到了广泛应用。 TEC-8实验台上许多信号都连接发光二极管作为指示灯，指示信号的电平，同时配备了逻辑测试笔。TEC-8实验系统上配置的逻辑测试笔在测试信号的电平时，红灯亮表示高电平，绿灯亮表示低电平，红灯和绿灯都不亮表示高阻态。 在测试脉冲个数时，首先按一次 Reset按钮，使2个黄灯 D1、D0灭，处于测试初始状态。TEC-8实验台上的逻辑测试笔*多能够测试3个连续脉冲。测试信号的状态显示如表1.1所示。 表1.1指示灯对应的信号状态 注：表中用“0”表示灯不亮；用“1”表示灯点亮。 数字电路的测试大体上分为静态测试和动态测试两部分。静态测试指的是给定数字电路若干静态输入值，测量输出是否正确。动态测试是在静态测试基础上，给数字电路输入端加脉冲信号，用示波器或者逻辑测试笔测试数字电路输出是否正确。一般地，时序电路应当进行动态测试。 1.4 TEC-8实验系统结构和操作 1.4.1 TEC-8模型计算机时序信号 TEC-8模型计算机主时钟 MF的频率为1MHz，执行一条微指令需要3个节拍脉冲 T1、 T2、T3。TEC-8模型计算机时序采用不定长机器周期，绝大多数指令采用2个机器周期 W1、 W2，少数指令采用一个机器周期 W1或者3个机器周期 W1、W2、W3。 图1.3是3个机器周期的时序图。 图1.3 TEC-8模型计算机3个机器周期时序图 1.4.2 TEC-8模型计算机组成 图1.4是 TEC-8模型计算机电路框图。下面介绍主要组成模块。 1．时序发生器 时序发生器由2片 GAL22V10(U68、U69)组成，产生节拍脉冲信号 T1、T2、T3，节拍电位 W1、W2、W3，以及中断请求信号 ITNQ。主时钟 MF采用石英晶体振荡器产生的1MHz时钟信号。T1、T2、T3的脉宽为1μs。一个机器周期包含一组 T1、T2、T3。 2．算术逻辑单元 算术逻辑单元(ALU)由2片74LS181(U46、U47)加1片74LS74、1片74LS244、1片74LS240、1片74LS30组成，进行算术逻辑运算。74LS181是一个4位的算术逻辑器件，2个74LS181级联构成一个8位的算术逻辑单元。在 TEC-8模型计算机中，算术逻辑单元对 A端口的8位数和 B端口的8位数进行加、减、与、或和数据传送5种运算，产生8位数据结果、进位标志 C和结果为0标志 Z。当信号 ABUS为“1”时，将运算的数据结果送往数据总线 DBUS。 3．双端口寄存器堆 双端口寄存器堆由 Altera公司的1片可编程器件 EPM7064S组成，向 ALU提供两个运算操作数 A和 B，保存运算结果。 EPM7064S里面包含4个8位寄存器 R0、R1、R2、R3，2个4选1选择器(4选1选择器 A和4选1选择器 B)，1个2-4译码器。如图1.4所示，上述内容用虚线围起来的部分全部放在 EPM7064S中。4个寄存器通过4选1选择器 A(受 RD1、 RD0控制)向 ALU的 A端口提供 A操作数，通过4选1选择器 B(受 RS1、RS0控制)向 ALU的 B端口提供 B操作数，通过2-4译码器(受 RD1、RD0控制)产生信号 LDR0、LDR1、LDR2和 LDR3，选择保存运算数据结果的寄存器。 图1.4 TEC-8模型计算机电路框图 4．数据开关 SD7～SD0 8位数据开关 SD7～SD0是双位开关，拨到朝上位置时表示“1”，拨到朝下位置时表示“0”。用于编制程序并把程序放入存储器，以及设置寄存器 R3～R0的值、设置初始地址、输入操作数等。通过拨动数据开关 SD7～SD0得到的程序或者数据等先被送到由1片74LS244
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