基於FPGA與Verilog的計算機組成原理實踐（簡體書）

《21世紀高等學校規劃教材?計算機科學與技術:基于FPGA與Verilog的計算機組成原理實踐》可作為普通高等院校計算機、電子與通信等專業本科生的計算機組成原理實踐教材，也可供從事數字系統設計開發的工程技術人員參考。

第1章緒論
1.1電子計算機概述
1.2數字系統設計方法
第2章可編程邏輯器件
2.1概述
2.1.1可編程邏輯器件發展歷史
2.1.2FPGA與CPLD
2.2簡單可編程邏輯器件
2.2.1可編程只讀存儲器
2.2.2可編程邏輯陣列
2.2.3通用陣列邏輯
2.3復雜可編程邏輯器件
2.3.1CPLD原理
2.3.2CPLD的邏輯實現
2.4現場可編程門陣列
2.4.1FPGA內部結構
2.4.2FPGA工作原理
2.4.3CPLD與FPGA比較
2.5典型的FPGA芯片
2.5.1Xilinx公司的FPGA
2.5.2Altera公司的FPCA
2.5.3Cyclone系列FPGA結構原理
2.6FPCA設計流程
習題
第3章Verilog硬件描述語言基礎
3.1概述
3.1.1硬件描述語言發展歷史
3.1.2VerilogHDL與VHDL的比較
3.1.3Verilog語言和C語言
3.2Verilog語言的基本概念
3.2.1基本程序結構
3.2.2標識符和關鍵字
3.2.3注釋方法
3.2.4參數聲明
3.2.5編譯指令
3.3數據類型與表達式
3.3.1邏輯值
3.3.2常量
3.3.3變量
3.3.4變量的物理含義
3.4運算符
3.4.1算術運算符
3.4.2邏輯運算符
3.4.3關系運算符
3.4.4相等運算符
3.4.5位運算符
3.4.6歸約運算符
3.4.7移位運算符
3.4.8條件運算符
3.4.9連接運算符
3.5模塊的結構化描述
3.5.1模塊結構
3.5.2結構化描述
3.6數據流描述
3.6.1連續賦值語句
3.6.2時延的概念
3.6.3數據流描述實例
3.7行為描述方式
3.7.1語句塊
3.7.2事件控制
3.7.3過程賦值語句
3.7.4編程語句
3.7.5混合描述方式
3.8任務和函數
3.8.1任務
3.8.2函數
3.8.3系統任務和系統函數
3.9仿真驗證
3.9.1編寫測試程序
3.9.2測試激勵編程
3.10Verilog—2001新增功能
習題
第4章QuartusⅡ集成開發環境
4.1概述
4.2QuartusⅡ的安裝
4.2.1計算機配置要求
4.2.2安裝步驟
4.2.3授權文件安裝
4.3QuartusⅡ使用方法
4.3.1QuartusⅡ設計流程
4.3.2QuartusⅡ使用步驟
習題
第5章設計實例與實踐
5.1組合邏輯電路設計
5.1.1可綜合設計
5.1.2加法器
5.1.3比較器
5.1.4多路器
5.1.5編碼器
5.1.6譯碼器
5.1.7三態緩沖器
5.1.8總線設計
5.2時序邏輯電路設計
5.2.1分頻器
5.2.2移位寄存器
5.2.3計數器
5.2.4FIFO
5.2.5有限狀態機
5.3簡單CPU設計
5.3.1指令系統設計
5.3.2體系結構設計
5.3.3基本組成部件設計
5.3.4頂層模塊設計
5.3.5仿真驗證
習題
附錄AVerilogHDL的關鍵字
附錄BFPGA實驗開發平臺簡介
參考文獻

馮·諾依曼型結構計算機的優點是理論成熟，容易控制。但是，馮·諾依曼型結構的計算機存在一個先天不足，就是處理器使用同一個存儲器，指令和數據由同一個總線傳輸。這種指令和數據共享同一總線的結構，使得信息流的傳輸成為限制計算機性能的瓶頸，影響了數據處理速度的提高。
哈佛結構是一種將程序指令存儲和數據存儲分開的計算機體系結構，目的是為了緩解程序運行時訪問存儲器的瓶頸問題。中央處理器首先到指令存儲器中讀取程序指令，譯碼后得到數據地址，再到相應的數據存儲器中讀取數據，并進行下一步的操作。程序指令存儲和數據存儲分開，還可以使指令和數據有不同的數據寬度，提高存儲效率。
哈佛結構處理器有兩個明顯的特點：使用兩個獨立的存儲器模塊，分別存儲指令和數據，每個存儲模塊都不允許指令和數據并存；使用獨立的兩條總線，分別作為CPU與每個存儲器之間的專用通信路徑，而這兩條總線之間獨立工作，互不干擾。哈佛結構的微處理器程序指令和數據是分開組織和存儲的，可以解決讀取指令和數據的沖突問題，執行時可以預先讀取下一條指令，因而具有較高的執行效率。哈佛結構的缺點是結構比較復雜，設計難度較大。目前，使用哈佛結構的中央處理器和微控制器有很多，如Microchip公司的PIC系列芯片、Motorola公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11處理器。
除了上述兩種體系結構，人們還提出了一些新的計算機結構，如可重構體系結構、可進化結構等。隨著計算機技術發展，還出現了單片系統（System on Chip，SoC）、可編程器件、嵌入式系統（Embedded System）等新技術，使電子計算機的性能達到了令人驚訝的高度，計算機技術正向高性能、多樣化、節能環保的方向發展。但是，無論哪一種結構的電子計算機，基本模塊和功能是相似的，學習掌握基本的設計方法和技術仍然具有重要意義。
1.2數字系統設計方法
廣義而言，數字電子計算機就是一個以CPU為核心的復雜數字系統，用于存儲、傳輸和處理數字信息。從算法的角度看，數字計算機實際上就是用來實現某個算法的邏輯電路系統，輸入的數據經過計算機的運算產生符合要求的結果。因此，數字計算機通常可以用一個算法模型來描述，數字計算機的設計就是把算法轉化為實際數字邏輯電路的過程。對亍一個復雜的數字系統而言，算法模型可以分解成若干并行或順序執行的子運算，這種分解過程可以持續到每個子運算都可以由數字電路直接實現為止。算法描述的就是系統的算法模型，包括子運算和控制邏輯，任何一個系統都可以用算法模型來描述，算法不斷分解的過秸實際就是系統的設計過程。
我們知道，同一個算法可以用不同結構的數字邏輯電路來實現，運算結果可能完全一致，但其運算速度和性能價格比可以有很大的差別，因此，選擇合適的設計實現方法至關重要。目前，數字系統的實現方法主要有如下4種。