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第1章 THINPAD教学计算机硬件平台1

1.1 概述1

1.2 可编程逻辑器件简介2

1.2.1 可编程逻辑器件简介2

1.2.2 FPGA工作原理及内部结构3

1.2.3 CPLD工作原理及内部结构7

1.3 教学机总体结构9

1.4 实验芯片11

1.4.1 FPGA芯片11

1.4.2 CPLD芯片15

1.5 存储器18

1.5.1 SRAM18

1.5.2 Flash19

1.6 总线19

1.7 外部接口20

第2章 THINPAD教学计算机软件平台21

2.1 概述21

2.2 指令系统21

2.2.1 教学计算机指令格式22

2.2.2 教学计算机指令及功能22

2.3 监控程序32

2.3.1 监控程序简介32

2.3.2 监控程序框架33

2.3.3 监控程序支持的命令34

2.3.4 对中断的支持35

2.3.5 监控程序使用36

2.4 模拟器36

2.4.1 模拟器简介36

2.4.2 模拟器使用36

2.5 汇编器Assembleler42

2.6 终端程序Term42

2.7 数据通信43

第3章 VHDL硬件描述语言45

3.1 概述45

3.2 程序结构46

3.2.1 基本结构46

3.2.2 实体47

3.2.3 结构体49

3.2.4 配置50

3.2.5 包集合50

3.2.6 库52

3.2.7 结构体子结构54

3.3 语言元素56

3.3.1 标识符56

3.3.2 数据对象56

3.3.3 数据类型59

3.3.4 运算符与操作符64

3.3.5 属性67

3.4 基本描述语句69

3.4.1 顺序描述语句69

3.4.2 并行描述语句76

3.5 描述方式80

3.5.1 行为描述80

3.5.2 寄存器传输描述方式81

3.5.3 结构化描述82

第4章 开发环境83

4.1 概述83

4.2 ISE用户界面84

4.3 秒表设计实例85

4.3.1 创建空白工程85

4.3.2 添加源文件87

4.3.3 综合与功能仿真91

4.3.4 添加用户约束95

4.3.5 实现97

4.3.6 配置97

第5章 验证性实验101

5.1 THCO MIPS指令系统实验101

5.1.1 实验目的101

5.1.2 实验环境101

5.1.3 实验内容101

5.1.4 实验原理101

5.1.5 主要实验步骤101

5.1.6 思考题102

5.2 监控程序扩展实验102

5.2.1 实验目的102

5.2.2 实验环境102

5.2.3 实验内容103

5.2.4 实验原理103

5.2.5 主要实验步骤103

5.2.6 思考题103

5.3 算术逻辑部件ALU实验103

5.3.1 实验目的103

5.3.2 实验环境103

5.3.3 实验内容103

5.3.4 实验原理104

5.3.5 主要实验步骤104

5.3.6 实验数据106

5.3.7 思考题106

5.4 内存储器系统实验106

5.4.1 实验目的106

5.4.2 实验环境106

5.4.3 实验内容106

5.4.4 实验原理107

5.4.5 主要实验步骤108

5.4.6 实验数据110

5.4.7 思考题111

5.5 串行接口实验111

5.5.1 实验目的111

5.5.2 实验环境111

5.5.3 实验内容111

5.5.4 实验原理112

5.5.5 主要实验步骤113

5.5.6 实验数据115

5.5.7 思考题115

5.6 VGA接口实验116

5.6.1 实验目的116

5.6.2 实验环境116

5.6.3 实验内容116

5.6.4 实验原理116

5.6.5 主要实验步骤117

5.6.6 实验数据118

5.6.7 思考题118

5.7 PS2键盘接口控制器设计实验119

5.7.1 实验目的119

5.7.2 实验环境119

5.7.3 实验内容119

5.7.4 实验原理119

5.7.5 主要实验步骤122

5.7.6 实验数据123

5.7.7 思考题124

5.8 Flash实验124

5.8.1 实验目的124

5.8.2 实验环境124

5.8.3 实验内容124

5.8.4 实验原理124

5.8.5 主要实验步骤127

5.8.6 实验数据130

5.8.7 思考题130

5.9 控制器观测实验131

5.9.1 实验目的131

5.9.2 实验环境131

5.9.3 实验内容131

5.9.4 实验原理131

5.9.5 主要实验步骤136

5.9.6 实验数据138

5.9.7 思考题138

第6章 设计性实验139

6.1 多周期CPU实验139

6.1.1 实验目的139

6.1.2 实验环境139

6.1.3 实验内容139

6.1.4 实验原理139

6.1.5 主要实验步骤139

6.1.6 实验测试及数据140

6.1.7 思考题140

6.2 指令流水CPU实验141

6.2.1 实验目的141

6.2.2 实验环境141

6.2.3 实验内容141

6.2.4 实验原理141

6.2.5 主要实验步骤141

6.2.6 实验测试及数据142

6.2.7 思考题143

第7章 综合性实验144

7.1 基于多周期CPU的计算机系统设计与实现144

7.1.1 实验目的144

7.1.2 实验环境144

7.1.3 实验内容144

7.1.4 实验原理144

7.1.5 主要实验步骤145

7.1.6 实验测试及数据145

7.1.7 思考题146

7.2 支持指令流水的计算机系统设计与实现146

7.2.1 实验目的146

7.2.2 实验环境146

7.2.3 实验内容146

7.2.4 实验原理146

7.2.5 主要实验步骤147

7.2.6 实验测试及数据147

7.2.7 思考题148

7.3 扩展：中断148

7.3.1 实验目的148

7.3.2 实验环境148

7.3.3 实验内容148

7.3.4 实验原理148

7.3.5 主要实验步骤148

7.3.6 实验测试149

7.3.7 思考题149

7.4 扩展：双机通信149

7.5 扩展：多道程序149

7.6 扩展：外部设备150

7.7 扩展：应用程序动态加载150

附录A 监控程序源代码151

附录B CPLD中UART的源代码165

附录C 实验5.9 所使用的控制器源代码174