基于FPGA的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)實(shí)踐教程

內(nèi)容概要

　　本書是針對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)綜合課程實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)編寫的教材，以機(jī)器并行執(zhí)行為主要特征來(lái)研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。本書共分6章。第1章詳細(xì)介紹計(jì)算機(jī)的組成、層次結(jié)構(gòu)；
第2章詳細(xì)介紹并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)；第3章簡(jiǎn)單介紹quartus ⅱ 8.0軟件及仿真軟件modelsim的使用方法；
第4章通過對(duì)基本運(yùn)算器、多通路運(yùn)算器、fifo、cache控制器實(shí)例的實(shí)現(xiàn)，分析計(jì)算機(jī)各個(gè)關(guān)鍵部件的工作方式和相互關(guān)系，進(jìn)而介紹基于cisc、risc技術(shù)模型機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；
第5章介紹基于fpga的12個(gè)并行開發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，引領(lǐng)讀者快速掌握并行的設(shè)計(jì)原理和技巧；
第6章是綜合實(shí)驗(yàn)部分，循序漸進(jìn)地講解了3個(gè)實(shí)例系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過對(duì)本書的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，讀者可以對(duì)并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基本原理有一個(gè)清晰的概念和認(rèn)識(shí)，從而掌握現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。
　　本書可作為普通高等學(xué)校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信息安全、電子信息工程、通信工程、自動(dòng)化等專業(yè)學(xué)生的教材，也可作為從事計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研發(fā)的科研人員的參考書。

書籍目錄

第1章　緒論
　1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成
　　1.1.1計(jì)算機(jī)硬件的組成
　　1.1.2計(jì)算機(jī)軟件的組成
　1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)
　　1.2.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)
　　1.2.2軟件與硬件的邏輯等價(jià)性
　1.3計(jì)算機(jī)的工作過程
第2章　并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)
　2.1并行的概念
　2.2提高并行性的技術(shù)途徑
　2.3并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能度量
　　2.3.1計(jì)算機(jī)的速度
　　2.3.2并行計(jì)算機(jī)的速度
　　2.3.3并行計(jì)算機(jī)的加速比和效率
　2.4并行計(jì)算機(jī)的發(fā)展
第3章　常用fpga開發(fā)工具
　3.1硬件開發(fā)工具quartus ⅱ 8.0
　　3.1.1quartus ⅱ 8.0簡(jiǎn)介
　　3.1.2quartus ⅱ 8.0設(shè)計(jì)流程
　　3.1.3quartus ⅱ設(shè)計(jì)方法
　　3.1.4quartus ⅱ功能詳解
　　3.1.5時(shí)序約束與分析
　　3.1.6設(shè)計(jì)優(yōu)化
　　3.1.7signaltap ⅱ
　　3.1.8實(shí)例講解
　3.2modelsim仿真工具
　　3.2.1modelsim簡(jiǎn)介
　　3.2.2基本仿真步驟
　　3.2.3modelsim各界面介紹
　　3.2.4modelsim調(diào)試功能
　　3.2.5實(shí)例講解
第4章　計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)
　4.1運(yùn)算器
　　4.1.1基本運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)
　　4.1.2多通路的運(yùn)算器與寄存器堆設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
　4.2存儲(chǔ)系統(tǒng)
　　4.2.1fifo先進(jìn)先出存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)
　　4.2.2cache控制器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
　4.3指令系統(tǒng)
　　4.3.1基于cisc技術(shù)的模型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
　　4.3.2基于risc技術(shù)的模型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
第5章　基于fpga的并行開發(fā)實(shí)例
　5.14位二進(jìn)制并行加法器設(shè)計(jì)實(shí)例
　5.216位乘法器實(shí)驗(yàn)
　5.36位并行優(yōu)化平方器實(shí)驗(yàn)
　5.4并行優(yōu)化的3×3矩陣乘法器
　5.5簡(jiǎn)單循環(huán)冗余校驗(yàn)并行運(yùn)算
　5.6rake接收機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
　5.7簡(jiǎn)單并行cordic算法的設(shè)計(jì)
　5.8基于fpga實(shí)現(xiàn)的多路pwm設(shè)計(jì)
　5.9基于fpga的并行dds
　5.10并行結(jié)構(gòu)fir濾波器
　5.11并行iir濾波器的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
　5.123des加/解密流水線模式的設(shè)計(jì)
第6章　并行計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)
　6.1以時(shí)間并行性為特征的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
　　6.1.1具有指令預(yù)取功能的模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
　　6.1.2具有三級(jí)流水的模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
　6.2以指令并行性為特征的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
　　6.2.1超標(biāo)量處理機(jī)
　　6.2.2具有兩條流水線的超標(biāo)量模型機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
附錄實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)及軟件環(huán)境使用說(shuō)明
　附錄atd-cma系統(tǒng)硬件環(huán)境
　附錄b軟件使用說(shuō)明
　附錄cde2開發(fā)平臺(tái)
　附錄d實(shí)用芯片介紹
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：插圖：軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的靈魂，可以這樣認(rèn)為，沒有配備任何軟件的“裸機(jī)”無(wú)法投入使用；沒有配備足夠的軟件，計(jì)算機(jī)的功能將不能很好地發(fā)揮，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍也將受到很大的影響。計(jì)算機(jī)軟件可分成系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類，所有軟件都是用某種語(yǔ)言編寫的、可完成各種功能的程序。由系統(tǒng)程序員編寫的程序稱做系統(tǒng)程序；由應(yīng)用程序員編寫的程序稱做應(yīng)用程序。計(jì)算機(jī)語(yǔ)言有機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言之分。機(jī)器語(yǔ)言是計(jì)算機(jī)硬件可直接識(shí)別的最低級(jí)的語(yǔ)言，它要求程序員不僅要了解機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)，而且要掌握各條機(jī)器指令的二進(jìn)制編碼格式，這是很難做到的。因此利用機(jī)器語(yǔ)言編寫程序是非常困難的。匯編語(yǔ)言是只能由匯編程序識(shí)別的語(yǔ)言，用匯編語(yǔ)言編寫的源程序必須由匯編程序?qū)⑵浞g成機(jī)器語(yǔ)言程序才能被機(jī)器執(zhí)行。匯編語(yǔ)言與機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)有一定的關(guān)系，能較好地發(fā)揮機(jī)器硬件的功能，因此要求程序員對(duì)機(jī)器硬件有一定的了解，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的序列機(jī)內(nèi)部可實(shí)現(xiàn)匯編語(yǔ)言級(jí)的軟件兼容。高級(jí)語(yǔ)言是完全脫離機(jī)器硬件結(jié)構(gòu)、根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同要求設(shè)計(jì)出的通用的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，其品種繁多，目前世界上使用的高級(jí)語(yǔ)言有上百種，大體上可分成兩大類：①會(huì)話型的高級(jí)語(yǔ)言，它必須由解釋程序?qū)⑵浞g成機(jī)器語(yǔ)言程序才能被執(zhí)行，而且是一邊解釋一邊執(zhí)行，即每解釋一個(gè)語(yǔ)句就執(zhí)行一個(gè)語(yǔ)句，以達(dá)到人機(jī)會(huì)話的要求，例如，BASIC語(yǔ)言就屬于會(huì)話型的高級(jí)語(yǔ)言；②編譯型的高級(jí)語(yǔ)言，它必須由各自的編譯程序?qū)⑵浞g成機(jī)器語(yǔ)言程序，而且必須是整個(gè)程序編譯完畢后才能被機(jī)器執(zhí)行，例如，F(xiàn)ORTRAN語(yǔ)言、COBOL語(yǔ)言、PASCAL語(yǔ)言和C語(yǔ)言等均屬于編譯型高級(jí)語(yǔ)言。由于高級(jí)語(yǔ)言與硬件結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，所以它具有很好的通用性和可移植性。任何一種高級(jí)語(yǔ)言可在各種不同類型的機(jī)器上運(yùn)行，這顯然是高級(jí)語(yǔ)言的最大優(yōu)點(diǎn)和可取之處。換句話說(shuō)，完全不了解計(jì)算機(jī)硬件的人，同樣可使用高級(jí)語(yǔ)言來(lái)編寫可執(zhí)行的源程序。系統(tǒng)軟件通常包括用來(lái)管理機(jī)器的操作系統(tǒng)、各種高級(jí)語(yǔ)言的編譯或解釋程序、匯編程序、數(shù)據(jù)庫(kù)管理程序，還有系統(tǒng)調(diào)試程序、故障診斷程序和錯(cuò)誤檢測(cè)程序等，它們是由系統(tǒng)程序員編寫的，一般不允許修改，可固定存放在機(jī)內(nèi)的只讀存儲(chǔ)器中，或者存放在外部存儲(chǔ)器中，需要時(shí)調(diào)入機(jī)器的內(nèi)存儲(chǔ)器中去執(zhí)行。

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圖書封面

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