计算机硬件系统实验教程

第1章 THINPAD教学计算机硬件平台

1.1 概述

1.2 可编程逻辑器件简介

1.2.1 可编程逻辑器件简介

1.2.2 FPGA工作原理及内部结构

1.2.3 CPLD工作原理及内部结构

1.3 教学机总体结构

1.4 实验芯片

1.4.1 FPGA芯片

1.4.2 CPLD芯片

1.5 存储器

1.5.1 SRAM

1.5.2 Flash

1.6 总线

1.7 外部接口

第2章 THINPAD教学计算机软件平台

2.1 概述

2.2 指令系统

2.2.1 教学计算机指令格式

2.2.2 教学计算机指令及功能

2.3 监控程序

2.3.1 监控程序简介

2.3.2 监控程序框架

2.3.3 监控程序支持的命令

2.3.4 对中断的支持

2.3.5 监控程序使用

2.4 模拟器

2.4.1 模拟器简介

2.4.2 模拟器使用

2.5 汇编器Asselnbleler

2.6 终端程序Term

2.7 数据通信

第3章 VHDL硬件描述语言

3.1 概述

3.2 程序结构

3.2.1 基本结构

3.2.2 实体

3.2.3 结构体

3.2.4 配置

3.2.5 包集合

3.2.6 库

3.2.7 结构体子结构

3.3 语言元素

3.3.1 标识符

3.3.2 数据对象

3.3.3 数据类型

3.3.4 运算符与操作符

3.3.5 属性

3.4 基本描述语句

3.4.1 顺序描述语句

3.4.2 并行描述语句

3.5 描述方式

3.5.1 行为描述

3.5.2 寄存器传输描述方式

3.5.3 结构化描述

第4章 开发环境

4.1 概述

4.2 ISE用户界面

4.3 秒表设计实例

4.3.1 创建空白工程

4.3.2 添加源文件

4.3.3 综合与功能仿真

4.3.4 添加用户约束

4.3.5 实现

4.3.6 配置

第5章 验证性实验

5.1 THCOMIPS指令系统实验

5.1.1 实验目的

5.1.2 实验环境

5.1.3 实验内容

5.1.4 实验原理

5.1.5 主要实验步骤

5.1.6 思考题

5.2 监控程序扩展实验

5.2.1 实验目的

5.2.2 实验环境

5.2.3 实验内容

5.2.4 实验原理

5.2.5 主要实验步骤

5.2.6 思考题

5.3 算术逻辑部件ALU实验

5.3.1 实验目的

5.3.2 实验环境

5.3.3 实验内容

5.3.4 实验原理

5.3.5 主要实验步骤

5.3.6 实验数据

5.3.7 思考题

5.4 内存储器系统实验

5.4.1 实验目的

5.4.2 实验环境

5.4.3 实验内容

5.4.4 实验原理

5.4.5 主要实验步骤

5.4.6 实验数据

5.4.7 思考题

5.5 串行接口实验

5.5.1 实验目的

5.5.2 实验环境

5.5.3 实验内容

5.5.4 实验原理

5.5.5 主要实验步骤

5.5.6 实验数据

5.5.7 思考题

5.6 VGA接口实验

5.6.1 实验目的

5.6.2 实验环境

5.6.3 实验内容

5.6.4 实验原理

5.6.5 主要实验步骤

5.6.6 实验数据

5.6.7 思考题

5.7 PS2键盘接口控制器设计实验

5.7.1 实验目的

5.7.2 实验环境

5.7.3 实验内容

5.7.4 实验原理

5.7.5 主要实验步骤

5.7.6 实验数据

5.7.7 思考题

5.8 Flash实验

5.8.1 实验目的

5.8.2 实验环境

5.8.3 实验内容

5.8.4 实验原理

5.8.5 主要实验步骤

5.8.6 实验数据

5.8.7 思考题

5.9 控制器观测实验

5.9.1 实验目的

5.9.2 实验环境

5.9.3 实验内容

5.9.4 实验原理

5.9.5 主要实验步骤

5.9.6 实验数据

5.9.7 思考题

第6章 设计性实验

6.1 多周期CPU实验

6.1.1 实验目的

6.1.2 实验环境

6.1.3 实验内容

6.1.4 实验原理

6.1.5 主要实验步骤

6.1.6 实验测试及数据

6.1.7 思考题

6.2 指令流水CPU实验

6.2.1 实验目的

6.2.2 实验环境

6.2.3 实验内容

6.2.4 实验原理

6.2.5 主要实验步骤

6.2.6 实验测试及数据

6.2.7 思考题

第7章 综合性实验

7.1 基于多周期CPU的计算机系统设计与实现

7.1.1 实验目的

7.1.2 实验环境

7.1.3 实验内容

7.1.4 实验原理

7.1.5 主要实验步骤

7.1.6 实验测试及数据

7.1.7 思考题

7.2 支持指令流水的计算机系统设计与实现

7.2.1 实验目的

7.2.2 实验环境

7.2.3 实验内容

7.2.4 实验原理

7.2.5 主要实验步骤

7.2.6 实验测试及数据

7.2.7 思考题

7.3 扩展：中断

7.3.1 实验目的

7.3.2 实验环境

7.3.3 实验内容

7.3.4 实验原理

7.3.5 主要实验步骤

7.3.6 实验测试

7.3.7 思考题

7.4 扩展：双机通信

7.5 扩展：多道程序

7.6 扩展：外部设备

7.7 扩展：应用程序动态加载

附录A 监控程序源代码

附录B CPLD中UART的源代码

附录C 实验5.9 所使用的控制器源代码

掌握计算机系统基本工作原理，理解计算机硬软件系统相互作用关系是对高等学校计算机专业学生的核心要求，计算机专业的课程体系中设置了一系列课程来帮助他们达到这一要求。本书试图通过实验手段，从动手实践的角度，培养学生设计和实现硬软件基本完整的计算机系统能力。本书紧紧围绕计算机硬件系统核心课程的教学目的，在清华大学计算机系自主开发的教学实验计算机硬件平台上，设计了验证性、设计性和综合性三个层次的计算机硬件系统实验，由浅入深，由部件到系统，逐步引导学生设计完成自己的计算机系统。全部实验采用统一的硬件平台、统一的指令系统完成，且配置了功能丰富的多个软件系统。实验均在FPGA芯片上通过硬件描述语言编程实现，手段先进。本书可供高等学校计算机专业学生学习“计算机组成原理”等课程时作为实验教材使用，也可供计算机专业工作人员及相关从业人员自学参考。

可供高等学校计算机专业学生学习“计算机组成原理”等课程时作为实验教材使用，也可供计算机专业工作人员及相关从业人员自学参考。