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第1章 概述1

1.1 EDA技术及其优势1

1.2面向FPGA的数字系统开发流程2

1.2.1设计输入3

1.2.2综合3

1.2.3适配（布线布局）4

1.2.4仿真4

1.3可编程逻辑器件5

1.4 FPGA的结构与工作原理6

1.4.1查找表逻辑结构6

1.4.2 Cyclone Ⅲ系列器件的结构原理7

1.5硬件描述语言9

1.6 Quartus Ⅱ10

1.7 CISC和RISC处理器11

1.8 FPGA在现代计算机领域中的应用13

第2章 系统设计与测试基础15

2.1原理图输入设计方法的特点15

2.2原理图输入方式基本设计流程16

2.2.1建立工作库文件夹和存盘原理图空文件16

2.2.2创建工程17

2.2.3功能初步分析19

2.2.4编译前设置20

2.2.5全程编译21

2.2.6时序仿真测试电路功能22

2.3引脚设置和编程下载24

2.3.1引脚锁定24

2.3.2配置文件下载25

2.3.3 JTAG间接编程模式26

2.3.4 USB-Blaster编程配置器安装方法28

2.4层次化设计28

2.5 SignalTap Ⅱ的使用方法31

习题35

实验与设计35

第3章CPU宏功能模块调用方法38

3.1计数器宏模块调用38

3.1.1调用LPM计数器及参数设置38

3.1.2对计数器进行仿真测试39

3.2寄存器与锁存器的调用40

3.2.1基于D触发器的寄存器的调用40

3.2.2基于锁存器的寄存器的调用41

3.3 ROM/RAM宏模块的调用与测试41

3.3.1存储器初始化文件42

3.3.2 ROM宏模块的调用44

3.3.3 ROM宏模块的测试45

3.3.4 LPM存储器在系统读写方法46

3.3.5 RAM宏模块的调用47

3.3.6 RAM宏模块的测试48

3.4信号在系统测试与控制编辑器用法49

3.5嵌入式锁相环使用方法52

实验与设计54

第4章 计算机功能模块的原理与设计57

4.1 CPU基本功能与结构57

4.2计算机中的基本部件59

4.2.1算术逻辑单元59

4.2.2数据缓冲寄存器61

4.2.3移位运算器61

4.2.4程序存储器与数据存储器63

4.2.5程序计数器与地址寄存器63

4.2.6指令寄存器65

4.2.7微程序控制器65

4.2.8微程序控制器电路结构68

4.2.9时序发生器71

4.3数据通路设计73

4.3.1模型计算机的数据通路73

4.3.2模型机的电路结构74

习题75

实验与设计75

第5章8位模型计算机原理与设计82

5.1 8位模型CPU结构82

5.2指令系统结构及其功能的确定85

5.2.1模型机指令系统85

5.2.2拟定指令流程和微命令序列86

5.2.3微程序设计方法89

5.3 CPU硬件系统设计91

5.3.1 CPU顶层设计92

5.3.2取指令和指令译码98

5.3.3设计微代码表100

5.3.4建立数据与控制通路100

5.3.5控制执行单元101

5.3.6在模型机中运行软件102

5.3.7模型机整机系统时序仿真104

5.3.8模型机系统硬件功能测试106

5.4具有移位功能的CPU设计110

5.4.1移位运算器与ALU的结合设计110

5.4.2测试程序设计和模型机时序仿真113

5.5含更多指令的模型机设计115

5.5.1指令系统的格式与指令116

5.5.2微程序控制流程图设计117

5.5.3程序编辑与系统仿真119

习题120

实验与设计121

第6章16位实用CPU原理与创新设计132

6.1 KX9016结构原理及其特色132

6.2 KX9016基本硬件系统设计134

6.2.1单步节拍发生模块136

6.2.2运算器ALU136

6.2.3比较器COMP137

6.2.4基本寄存器与寄存器阵列组138

6.2.5移位器140

6.2.6程序与数据存储器141

6.3指令系统设计141

6.3.1指令格式142

6.3.2指令操作码143

6.3.3软件设计实例144

6.3.4 KX9016v1控制器设计146

6.3.5指令设计实例详解150

6.4 KX9016的时序仿真与硬件测试152

6.4.1时序仿真与指令执行波形分析152

6.4.2 CPU工作情况的硬件测试154

6.5 KX9016应用程序设计实例和系统优化156

6.5.1乘法算法及其硬件实现156

6.5.2除法算法及其硬件实现157

6.5.3 KX9016v1的硬件系统优化158

习题159

实验与设计159

第7章 流水线CPU原理164

7.1流水线的一般概念164

7.1.1 DLX指令流水线结构165

7.1.2流水线CPU的时空图167

7.1.3流水线分类169

7.2与流水线技术相关的问题及处理方法169

7.2.1资源相关及其冲突170

7.2.2数据相关及其分类170

7.2.3数据竞争的处理技术171

7.2.4控制相关177

7.2.5流水实现的关键技术178

7.3流水线的性能评价179

7.3.1流水线的性能指标179

7.3.2流水线性能评估举例181

7.3.3 Amdahl定律187

习题188

实验与设计189

第8章 流水线CPU设计196

8.1流水线CPU的结构196

8.2指令系统设计197

8.3数据通路设计200

8.4流水线各段的功能描述与设计201

8.4.1 Stage 1取指令段201

8.4.2 Stage 2译码段ID205

8.4.3 Stage 3执行有效地址计算段（EXE）210

8.4.4 Stage 4访存段（MEM）215

8.4.5 Stage 5回写段（WB）217

8.4.6一些关键功能部件的设计217

8.4.7控制单元222

8.4.8中断与异常223

8.4.9流水线CPU系统构建与测试224

实验与设计227

第9章32位OpenRISC软核结构及应用239

9.1 OpenRISC 1200处理器核概述239

9.1.1 OpenRISC 1000/ 1200处理器的体系结构239

9.1.2 OR1200指令集及指令流水线241

9.1.3 OR1200核的异常模型和可编程中断控制器243

9.1.4 OR1200核的寄存器244

9.1.5 OR1200核的Tick定时器245

9.2 WISHBONE片上总线246

9.2.1 WISHBONE总线概述246

9.2.2 WISHBONE接口信号说明247

9.2.3 WISHBONE总线协议与数据传输249

9.3 OpenRISC的软件开发环境250

9.3.1 OpenRISC的GNU工具链251

9.3.2使用Makefile管理工程252

9.4一个简单的OR1200核的SOC设计示例252

9.4.1 KX_ OR1200 SOC概述及设计流程253

9.4.2 KX_ OR1200 SOC的存储器结构及初始化254

9.4.3 GPIO通用输入输出端口255

9.4.4 uart16550串行通信模块应用255

9.4.5 VGA/LCD显示控制器设计257

9.4.6外设的初始化及系统的启动258

9.4.7 KX_ OR1200_SOC的μC/OS Ⅱ移植260

9.4.8基于SignalTap Ⅱ的硬件实时调试260

9.5基于OR1200的ORPSoC设计261

实验与设计261

第10章 基于经典处理器IP的SOC实现263

10.1基于8051单片机核的SOC系统实现263

10.1.1 K8051单片机软核基本功能和结构264

10.1.2单片机扩展功能模块的SOC设计264

10.2基于8088 IP核的SOC系统实现269

10.2.1 8088 IP核SOC系统269

10.2.2基于8088 CPU IP软核的最小系统构建272

10.2.3可编程并行接口8255 IP核274

10.2.4 8255 IP核基本功能测试276

10.2.5 8255 IP在8088 IP核系统中的应用示例278

10.2.6 8254/8253IP核可编程定时器/计数器280

10.2.7 8254 IP核基本功能测试281

10.2.8 8254 IP核在8088系统中的应用示例283

10.2.9 8259 IP中断控制器的功能和用法285

10.2.10 8259 IP在8086/8088系统中的应用287

10.2.11 8237 DMA控制器288

10.2.12 16550IP核可编程串行通信模块290

10.3基于8086 IP软核的SOC微机系统设计292

10.3.1 8086Z CPU性能特点292

10.3.2 KX86Z微机系统的结构与功能293

10.3.3 KX86Z FULL系统上MS-DOS的使用295

10.3.4在KX86Z FULL系统进行C程序或BASIC程序编程297

10.3.5在KX86Z FULL上启动Windows 3.0297

习题与设计实验298

附录 现代计算机组成与创新设计实验系统300

1.1 KX DN8系列实验开发系统301

1.2 mif文件生成器使用方法304

参考文献306