计算机组成原理实践教程

“计算机组成原理”作为计算机学科的一门专业基础课程，介绍计算机的基本结构、基本原理和基本分析方法。它不以某种商业机型为蓝本，侧重于基础性和一般性，内容比较抽象。作者通过长期的“计算机组成原理”理论教学和实践教学，提出了“从设计的角度理解计算机的组成和工作原理”的教学理念，强调实践教学的重要性，对实验内容、实验手段、实验教学方法进行了一系列的改革；结合课程的重点和难点，设计了伴随理论课进行的实验项目；在理论课结束之后的课程设计项目中，通过模型CPU的设计，深入理解计算机的组成和工作原理。开发的实验系统对实践教学的实施效果起到了很好的帮助作用。

第1章是Verilog硬件描述语言的入门教程。本书实验的设计输入完全采用Verilog HDL来描述，没有采用原理图的输入方法，目的是使学生更多地接触现代数字系统的工程设计手段。Verilog HDL的语法与C语言相似，本书假定读者具有C语言基础，因此不对Verilog语法作详细介绍，而是通过一些实例介绍基本的组合逻辑和时序逻辑的描述方法。例题尽可能地采用Verilog—2001的新的改进特性，使学生从入门开始接触的就是被大多数设计软件支持的主流Verilog版本。

第2章完整地介绍了一个教学模型计算机的设计。该模型机字长为16位，具有38条常用指令、8种基本寻址方式，采用微程序控制方式，主存寻址空间为64K字，采用向量中断机制，并且内置调试器以支持实验系统。该模型机已经设计实现，能够在FPGA上以10MHz的主频运行。本章介绍了模型机的指令系统设计，运算器、控制器、基本输入输出接口等硬件设计，以及微程序设计方法和部分微程序实例。

第3章设计了10个实验项目，涵盖了计算机组成原理课程的核心内容。实验的过程是一个从设计到验证的过程。所有的实验均采用Verilog HDL进行逻辑设计，在FPGA上实现。考虑到课程性质和教学要求，在硬件设计上并不要求训练学生达到熟练的设计水平，而是通过示范和有限的设计引导学生深入理解硬件结构。在验证环节，通过预先设计的步骤和记录表引导学生发现其中的原理问题，例如在加减运算实验中，通过记录表反映出既可以将运算数看作无符号数，也可以看作有符号补码，引导学生发现加减运算电路的本质；每个实验的操作和记录之后还设计了一些填空和问题，启发学生运用课堂上学习的理论知识对实验现象和结果进行解释，理论和实践相结合，从而加深对计算机部件工作原理的理解。

第4章包含两个课程设计项目，分别是微控制器的微程序设计和CPU设计，满足不同的教学要求。微程序设计项目针对第2章所述的教学模型机，设计控制器的微程序，实现该模型机的指令系统。CPU设计项目在第3章部件实验的基础上从一个仅支持有限指令的初级CPU开始，不断扩充硬件以及微程序，由浅入深、循序渐进地设计实现完整的CPU，使学生深入理解硬件与微程序以及指令系统的联系，进而加深对计算机的结构和工作原理的理解。课程设计采用任务驱动的教学机制，将整个设计分解成若干个环环相扣的子任务，既便于教学实施，也有利于调动学生的主动性。

第5章设计工具与实验环境介绍了FPGA设计软件和实验系统。FPGA设计软件介绍了Altera的Quartus Ⅱ和Xilinx的ISE两种主流的FPGA设计工具，本书的实验和课程设计项目在Altera和Xilinx的FPGA上均可以实现。相应地介绍了两种FPGA开发板，Altera/Terasic DE2115教学开发板和Xilinx/Digilent Nexys3开发板。后介绍了作者开发的实验系统，该实验系统基于JTAG技术，具有很好的适应性，能够与现有的Altera或Xilinx的FPGA开发板配套，只要该开发板有4个可用的FPGA引脚引出即可；所有的实验都可以通过实验系统软件的虚拟实验板操作，甚至不需要实验板有实际的开关、指示灯等元件。实验软件还具有虚拟面板的定制功能，教师和学生可以设计自己的实验项目，并定制图形化的虚拟面板，而不仅限于本书设计的实验项目。

本书实验和课程设计的相关材料可以向教师开放，需要者请向作者索取。书中错误、不当之处，敬请读者批评指正。

1）本书既从面上反映不同的典型结构，也有深入的分析，点面结合。通过具体的实例将各个章节联系起来，终形成一个整机的概念，系统性较强。

2）“中央处理器”这一章以一个完整的简化的微处理器为例，从设计的角度讲解计算机的组成和工作原理。这个教学微处理器已经在FPGA上验证，用于实践教学。理论教学与实践教学紧密结合，相辅相成。

3）讲述清楚，分析透彻，既可用作课堂讲授教材，也便于学生课后阅读及自学。

4）注重基础知识的讲述，同时摒弃已被公认的不良结构，体现教学的示范性，兼顾计算机技术的新发展。

5）涵盖全国硕士研究生入学统一考试计算机科学与技术学科联考大纲的所有内容。

1）本书既从面上反映不同的典型结构，也有深入的分析，点面结合。通过具体的实例将各个章节联系起来，终形成一个整机的概念，系统性较强。

2）“中央处理器”这一章以一个完整的简化的微处理器为例，从设计的角度讲解计算机的组成和工作原理。这个教学微处理器已经在FPGA上验证，用于实践教学。理论教学与实践教学紧密结合，相辅相成。

3）讲述清楚，分析透彻，既可用作课堂讲授教材，也便于学生课后阅读及自学。

4）注重基础知识的讲述，同时摒弃已被公认的不良结构，体现教学的示范性，兼顾计算机技术的新发展。

5）涵盖全国硕士研究生入学统一考试计算机科学与技术学科联考大纲的所有内容。

1）本书既从面上反映不同的典型结构，也有深入的分析，点面结合。通过具体的实例将各个章节联系起来，终形成一个整机的概念，系统性较强。

2）“中央处理器”这一章以一个完整的简化的微处理器为例，从设计的角度讲解计算机的组成和工作原理。这个教学微处理器已经在FPGA上验证，用于实践教学。理论教学与实践教学紧密结合，相辅相成。

3）讲述清楚，分析透彻，既可用作课堂讲授教材，也便于学生课后阅读及自学。

4）注重基础知识的讲述，同时摒弃已被公认的不良结构，体现教学的示范性，兼顾计算机技术的新发展。

5）涵盖全国硕士研究生入学统一考试计算机科学与技术学科联考大纲的所有内容。