计算机系统设计（上册）——基于FPGA的RISC处理器设计与实现 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子版 mobi 在线

本教材为《计算机系统设计》系列教材的上册，以基于MIPS 32位指令集的微处理器MiniMIPS32为目标，讲授主流RISC流水线微处理器的设计与实现的方法、步骤与技巧。全书将讲解处理器微架构设计，数据通路的设计与实现，流水线设计与优化，软件环境与测试环境的搭建以及基于Digilent FPGA开发板的板级设计等几方面内容，知识点覆盖之前的数字逻辑设计，计算机组成原理，计算机体系结构三门课程，实现对着三门课程的贯穿式教学。

目 录

第1章 绪论1

1.1 计算机系统概述1

1.1.1 计算机系统的层次结构1

1.1.2 计算机硬件系统的组成2

1.1.3 计算机软件系统的组成4

1.2 计算机系统的评价指标4

1.3 处理器概述6

1.3.1 指令集体系结构和微体系结构6

1.3.2 CISC和RISC6

1.3.3 指令集体系结构中的“五朵

金花”7

1.3.4 MIPS指令集体系结构的发展8

1.4 本书的主要内容10

1.4.1 目标处理器MiniMIPS3210

1.4.2 原型系统MiniMIPS32_SYS10

第2章 MiniMIPS32处理器的指令集

体系结构12

2.1 操作数的数据类型12

2.2 寄存器概述12

2.3 MiniMIPS32存储空间的编址方式15

2.4 指令系统16

2.4.1 MiniMIPS32的指令格式16

2.4.2 MiniMIPS32指令集和具体

操作16

2.5 MiniMIPS32指令的寻址方式36

2.6 MiniMIPS32的操作模式38

2.7 协处理器CP038

2.8 异常处理38

第3章 MiniMIPS32程序的机器级表示40

3.1 从C程序到可执行目标程序40

3.2 基于MiniMIPS32的汇编程序

设计42

3.2.1 汇编程序结构42

3.2.2 汇编程序伪指令42

3.2.3 汇编程序宏指令46

3.2.4 MIPS指令集仿真器QtSpim48

3.3 C语言程序的机器级表示53

3.3.1 选择结构53

3.3.2 循环结构57

3.3.3 函数调用58

3.3.4 数组66

第4章 现场可编程逻辑门阵列FPGA

及其设计流程69

4.1 FPGA概述69

4.1.1 Xilinx FPGA的基本结构70

4.1.2 Digilent Nexys4 DDR FPGA

开发平台73

4.2 FPGA的设计流程74

4.3 Xilinx Vivado集成设计环境75

4.3.1 Vivado集成设计环境介绍75

4.3.2　基于Vivado的FPGA设计

流程77

第5章 MiniMIPS32处理器的基本流水线

设计与实现91

5.1　流水线的基本概念91

5.1.1　什么是流水线91

5.1.2　指令流水线91

5.1.3　指令流水线的评价指标93

5.1.4　指令流水线的特点94

5.2　MiniMIPS32处理器的整体结构和

设计方法94

5.2.1　MiniMIPS32处理器的整体

结构94

5.2.2　MiniMIPS32处理器的设计

方法96

5.3　MiniMIPS32处理器的基本

流水线设计97

5.3.1　非转移类R-型指令的流水线

数据通路的设计97

5.3.2　非转移类I-型指令的流水线

数据通路的设计120

5.3.3　控制单元的设计134

5.4 基于Verilog HDL的实现与测试142

5.4.1　MiniMIPS32处理器的基本

流水线的Verilog实现142

5.4.2　MiniMIPS32_SYS原型系统的

Verilog实现169

5.4.3　功能测试171

第6章 MiniMIPS32处理器的流水线

相关问题和暂停机制175

6.1 流水线的数据相关和消除方法175

6.1.1 数据相关的概念175

6.1.2 数据相关的消除办法177

6.1.3 支持定向前推的MiniMIPS32

处理器的设计179

6.1.4 基于Verilog HDL的实现与

测试181

6.2 流水线的控制相关和消除办法189

6.2.1 控制相关的概念189

6.2.2 控制相关的消除办法189

6.2.3 转移指令流水线数据通路的

设计191

6.2.4 转移指令流水线控制单元的

设计193

6.2.5 基于Verilog HDL的实现与

测试196

6.3 流水线的暂停机制205

6.3.1 引起流水线暂停的原因206

6.3.2 多周期除法指令的设计207

6.3.3 支持暂停机制的流水线的

设计208

6.3.4 基于Verilog HDL的实现与

测试211

第7章 MiniMIPS32处理器异常处理的

设计与实现225

7.1 CP0协处理器225

7.1.1 概述225

7.1.2 协处理器CP0中的寄存器226

7.1.3 协处理器CP0指令及数据

相关229

7.2 异常的基本概念230

7.2.1 异常和中断230

7.2.2 异常处理的流程231

7.3 MiniMIPS32处理器的异常处理232

7.3.1 精确异常232

7.3.2 支持的异常类型233

7.3.3 MiniMIPS32处理器的异常

处理流程234

7.3.4 支持异常处理的MiniMIPS32

处理器流水线的设计236

7.4 基于Verilog HDL的实现与测试240

7.4.1 支持异常处理的MiniMIPS32

处理器流水线的Verilog HDL

实现240

7.4.2 功能测试260

第8章 综合测试264

8.1 改进的MiniMIPS32_SYS原型

系统264

8.1.1 原型系统的架构264

8.1.2 原型系统的实现265

8.2 测试方法概述272

8.3 功能点测试273

8.4 C程测试279

附录A MiniMIPS32处理器交叉编译

环境的搭建281

A.1 虚拟机Virtual Box的安装281

A.2 Ubuntu Linux操作系统的安装284

A.3 MiniMIPS32交叉编译环境的安装

与配置290

附录B 指令存储器和数据存储器的设计293

B.1 指令存储器的设计293

B.2 数据存储器的设计299

参考文献304

魏继增，男，天津大学计算机科学与技术学院副教授，中国计算机学会计算机工程与工业专委会委员，中国计算机学会天津分委会委员，中国计算机学会会员，IEEE会员，ACM会员。长期从事计算机系统、嵌入式、集成电路领域的科研和教学工作。

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