计算机组成原理与系统结构

前辅文

上篇 简单模型机虚拟仿真实验

  第1章 Yy-Z02 模型机系统概述

   1.1 Yy-Z02 模型机系统结构

   1.2 Yy-Z02 模型机仿真软件概述

  第2章 Yy-Z02 模型机指令系统

   2.1 指令格式框架

   2.2 寻址方式

   2.3 指令系统设计

   2.4 程序设计

  第3章 Yy-Z02 模型机组成结构

   3.1 运算器单元

   3.2 通用寄存器单元

   3.3 存储器单元

   3.4 输入输出单元

   3.5 中断控制

   3.6 控制器

  第4章 Yy-Z02 模型机实验项目

   4.1 手工汇编并运行程序实验

   4.2 子程序调用实验

   4.3 单重可屏蔽硬中断实验

   4.4 微程序流程图编制实验

   4.5 微程序控制器认识实验

   4.6 微程序控制器设计实验

   4.7 动态微程序设计实验

下篇 基于FPGA 的RISC 结构模型机实验

  第5章 计算机硬件设计、FPGA 与HDL

   5.1 计算机硬件组成、设计与实现

   5.2 FPGA

   5.3 硬件描述语言HDL

  第6章 ARMv7 和RISC-V 架构简介

   6.1 ARM 模型机和ARMv7 架构简介

   6.2 RISC-V 架构简介

  第7章 Verilog HDL 基础

   7.1 Verilog HDL 概述

   7.2 Verilog HDL 的模块

   7.3 词法约定

   7.4 数据类型

   7.5 表达式与操作符

   7.6 系统任务和函数

   7.7 Verilog HDL 建模方式

  第8章 Vivado Design Suite 平台概述

   8.1 Vivado Design Suite 平台

   8.2 HDU-XL-01 教学开发板专用调试工具

   8.3 项目开发流程

   8.4 IP 核封装方法

  第9章 RSIE-SPOC 教学方法和教学开发板

   9.1 RSIE-SPOC 教学方法

   9.2 HDU-XL-01 教学开发板简介

   9.3 HDU-XL-01 教学开发板硬件系统

   9.4 I/O 设备及引脚配置方法

   9.5 远程FPGA 实验平台概述

   9.6 实验流程与板卡检测

  第10章 ARM 模型机设计实验项目

   10.1 桶形移位器设计实验

   10.2 多功能ALU 设计及与桶形移位器连接实验

   10.3 通用寄存器堆设计实验

   10.4 程序状态寄存器堆设计实验

   10.5 ARMv7 存储器设计实验

   10.6 ARMv7 汇编器与模拟器实验

   10.7 取指令数据通路设计实验

   10.8 实现数据处理指令的CPU设计实验

   10.9 实现状态寄存器访问指令的CPU 设计实验

   10.10 实现分支跳转指令的CPU设计实验

   10.11 实现单数据访存指令的CPU设计实验

   10.12 实现块数据访存指令的CPU设计实验

   10.13 irq 中断控制设计实验

   10.14 中断抢占设计实验

  第11章 RISC-V 模型机设计实验项目

   11.1 加法器设计实验

   11.2 超前进位加法器设计实验

   11.3 多功能ALU 设计实验

   11.4 寄存器堆与运算器设计实验

   11.5 RISC-V 存储器设计实验

   11.6 RISC-V 汇编器与模拟器实验

   11.7 取指令及指令译码实验

   11.8 实现运算及传送指令的CPU设计实验

   11.9 实现访存指令的CPU 设计实验

   11.10 实现转移指令的CPU 设计实验

   11.11 实现37 条RV32I 指令集的CPU 设计实验

   11.12 硬布线控制的CPU 设计实验

   11.13 单重可屏蔽外部中断设计实验

  附录A Nexys4 教学开发板

  附录B 实验报告模板

  参考文献

第1章计算机组成原理概论

1.1计算机的产生与发展

随着科学技术的发展和社会的进步,用于计算的工具也经历了从简单到复杂、从低级到高级的发展过程,相继出现了算盘、计算尺、手摇机械计算机和电动机械计算机等计算工具。但具有跨时代意义的是1946年问世的电子数字计算机。计算机的问世是人类长期努力奋斗的结果,经过几十年的不断发展,计算机已应用于人类生产和生活的各个方面,它对人类社会产生了巨大而深远的影响,计算机科学已成为一门重要学科。

1.1.1计算机的产生

随着人类社会的不断进步、发展，人们迫切需要计算速度快、精度高并能够自动处理信息的设备。早期的计算工具中有中国人独创的算盘，它采用十进制,灵活方便，至今仍在使用,但它只能进行纯数字计算;在16世纪,欧洲人发明了一种模拟式计算工具一一对数计算尺。

1623年,德国图宾根大学威廉・席卡德(Wilhelm Schickard)教授为自己的挚友、天文学家开普勒(Kepler)制作了一种机械计算机,人们在一封信里发现了该机器的示意图,并将它称为席卡德计算机。席卡德计算机能做6位数加减法,或许还设置了某种“溢出”响铃装置;机器上部附加一套圆柱形“内皮尔算筹”,因此也能进行乘除运算。

17世纪最值得称颂的计算机发明家当属法国科学家布莱斯，帕斯卡(Blaise Pascal),他被公认为制造机械计算机的第一人。帕斯卡自16岁开始，就在构思一种计算机,先后做了3个不同的模型。终于,第3个模型于1642年获得了成功,他称这架小小的机器为“加法器”。这部机器是由一系列齿轮组成的装置,能够实现6位加法和减法;长方盒子的面板上有一列显示数字的小窗口,旋紧发条后才能转动,必须用专用的铁笔来拨动转轮以输入数字。除了发明第一台机械计算机,帕斯卡在诸多领域都有建树。后人在介绍他时,称他是数学家、物理学家、哲学家、流体动力学家和概率论的创始人。国际单位制规定“压强”单位为“帕斯卡”,就是因为他率先提出了描述液体压强性质的“帕斯卡定律”。1971年面世的 Pascal程序设计语言,也是为了纪念这位先驱。

1671年,德国伟大的数学家、因独立发明微积分而与牛顿齐名的戈特弗里德・威廉，莱布尼茨(Gottfried Wilhelm Leibnitz),受帕斯卡“加法器”论文启发,莱布尼茨发明了“乘法器”。莱布尼茨为其计算机增添了一种名为“步进轮”的装置,使它能够连续地做加减法;在转动手柄的过程中,便可将重复加减运算转变为乘除运算。莱布尼茨还率先为计算机的设计提出了二进制的运算法则。在著名的《不列颠百科全书》里,莱布尼茨被称为“西方文明最伟大的人物之一”。

1821年,英国剑桥大学科学家查尔斯・巴贝奇(Charles Babbage)成功制造了差分机,所谓“差分”是指把函数表的复杂算式转化为差分运算,用简单的加法代替平方运算，快速编制不同函数的数学用表。巴贝奇花了10年时间完成了第一台差分机，这台机器可以处理3个不同的5位数,计算精度达到小数点后6位。1842年巴贝奇提出了通用数字计算机的设计方案,方案中的计算机不仅包括齿轮式“存储仓库”(巴贝奇称为“仓库”)和“运算室”(巴贝奇称为“作坊”)，而且还有他未给出名称的“控制器”装置以及在“仓库”和“作坊”之间运输数据的输入输出部件。巴贝奇以他天才的思想划时代地提出了类似于现代计算机五大部件的逻辑结构。但是由于得不到足够的经费支持,最后研制工作没有取得成功。1977年在美国建立了巴贝奇研究所,他被公认为“计算机之父”

现代数字计算机的发展得益于理论上的突破。19世纪中叶,英国数学家乔治，布尔(George Boole)创立了“布尔代数”,他系统地研究了逻辑思维的规律,成功地将形式逻辑归结为一种代数运算。逻辑代数为开关电路设计奠定了数学基础,由此奠定了现代电子计算机发展的基础。而工程师埃克尔斯(Eccles)和乔丹(Jordan)用电子管等元件构成了双稳态触发器,用来表示二进制数“1"和“0”,为电子计算机奠定了物质基础。

本书从计算机组成原理与系统结构的基本概念出发，较为详细、系统地论述了计算机单机系统的基本组成、工作原理和设计方法；并从提高计算机性能的角度，分析探讨了计算机系统结构的基本原理和方法。全书共分10章，主要内容包括计算机组成原理概论、计算机硬件基础、信息编码与数据表示、运算方法与运算器、存储体系、指令系统、控制器、输入输出系统、总线、流水线与并行处理技术。本书配有相应的FPGA实验系统(可设计MIPS体系结构的计算机组成部件及其CPU)、Yyz02计算机组成原理实验系统及其实验CAI软件，使理论教学与实践环节相结合，提高学生的学习兴趣及动手能力。本书每章后面都附有习题，并开发了与本书配套的多媒体教学软件和习题解答。