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上篇CPU设计制作入门2

第1章 自己就能设计制造CPU2

1.1自己设计制作CPU有啥意义2

1.2我设计制作CPU的经历4

1.3电子电路设计制作的新变化8

1.4自己设计CPU的条件8

1.5创新CPU设计的意义9

第2章 进入硬件设计的天地11

2.1搭建自己的制造工厂11

2.1.1安装你的设计制造工具11

2.1.2获得开工许可证12

2.1.3熟悉如何建立设计工程14

2.2设计制造CPU需要热身17

2.2.1初学硬件编程的例子17

2.2.2程序书写的要点你知道吗20

2.2.3程序就是硬件吗？22

2.2.4怎样知道自己设计的对与错23

2.2.5掌握仿真测试小工具31

2.2.6看看自己设计的转换图33

2.3硬件设计语言Verilog HDL34

2.3.1 Verilog HDL语言的常量35

2.3.2 Verilog HDL数据类型36

2.3.3 Verilog HDL操作符36

2.4 Verilog HDL语句和模块37

2.4.1连接语句assign38

2.4.2 Always语句38

2.4.3模块40

2.5 Verilog HDL其他常用语句43

2.5.1 if语句43

2.5.2 case语句44

2.5.3 for循环语句45

第3章 自己创造CPU的方法46

3.1深刻理解CPU的结构46

3.1.1简单CPU的组成46

3.1.2总线分类与设备控制48

3.2自创CPU的一般步骤49

3.3如何设计自己的指令系统51

3.3.1 CPU必需有哪些指令51

3.3.2机器结构决定的基本动作52

3.3.3将基本动作组织成指令52

3.3.4 CPU指令设计与全程逻辑分析53

3.4指令分析的一般性总结59

3.4.1指令有限状态机59

3.4.2程序如何描述指令60

3.5让CPU运行程序61

3.5.1简单汇编指令设计61

3.5.2 CPU的汇编程序设计63

3.5.3如何编译汇编程序64

第4章 一个简单CPU的设计67

4.1创建一个CPU设计工程67

4.1.1复制这个简单CPU工程67

4.1.2执行我们设计的汇编程序68

4.2剖析这个CPU设计程序70

4.2.1借用别人的存储器要了解什么70

4.2.2如何描述CPU的端口73

4.2.3 CPU要设置哪些内部器件和导线74

4.2.4器件连接和信息传递的描述75

4.2.5怎样才能看到CPU运行的内部变化76

4.3 CPU行为的描述方法77

4.3.1 CPU初始状态如何描述77

4.3.2取指令周期的描述78

4.3.3指令分析的描述79

4.3.4指令执行周期的描述80

4.4如何让CPU运行软件程序87

4.4.1设计用于检验的汇编程序87

4.4.2用表来编译汇编程序89

4.4.3仿真检验CPU设计92

4.5 CPU设计工程小结94

第5章 自制通用CPU与单片机95

5.1实体结构与器件应用95

5.2通用CPU指令系统设计97

5.2.1规划CPU的指令格式97

5.2.2增加的指令98

5.2.3新增输入输出端口100

5.2.4可读写的程序存储器102

5.2.5新增指令的状态描述102

5.3用汇编程序检验CPU设计108

5.3.1测试CPU的程序设计108

5.3.2汇编程序执行仿真109

5.4外设与CPU接口设计111

5.4.1输入缓冲区设想111

5.4.2输入缓冲区设计程序112

5.4.3仿真检测缓冲区设计115

5.4.4缓冲区与CPU连接116

5.5设备驱动程序设计117

5.5.1一个数码管驱动程序118

5.5.2四个数码管驱动程序119

5.5.3走马灯显示设计119

5.6时钟设计121

5.6.1分频设计121

5.6.2锁相环生成时钟程序122

5.6.3时钟IP程序124

5.7开发板连接程序设计127

5.7.1如何定义开发板上的设备127

5.7.2 PMC开发板连接程序128

5.7.3连接程序解释136

5.8 FPGA引脚连接139

5.8.1引脚连接清单139

5.8.2引脚连接操作141

5.9操作系统内核设计143

59.1操作系统核心143

5.9.2系统程序常驻内存144

5.10烧制CPU制作单片机145

5.10.1 JTAG下载烧制146

5.10.2检验设计成果147

5.10.3 ASP下载烧制单片机148

第6章 流水线CPU设计150

6.1流水线结构150

6.1.1流水线要义150

6.1.2指令流水线的组织151

6.1.3流水线指令并行工作153

6.1.4流水线相关问题154

6.1.5解决相关的办法156

6.2第一个流水线CPU158

6.2.1流水线CPU指令系统159

6.2.2同步存储器160

6.2.3 CPU设计程序分析166

6.2.4流水线CPU仿真174

6.2.5与非流水线速度比较179

6.3循环流水线CPU181

6.3.1流水线的效率181

6.3.2部件式结构设计182

6.3.3循环流水线的划分183

6.3.4循环流水线CPU设计184

6.3.5化解设备相关和控制相关方法186

6.3.6运行速度比较188

第7章 非透明流水线通用单片机190

7.1三级流水线计算机设计思想190

7.1.1三级流水线的优势190

7.1.2发射与断流控制192

7.2重编指令系统195

7.2.1 补充的指令195

7.2.2指令系统编码重设196

7.3流水线通用CPU设计198

7.3.1三级流水通用CPU程序199

7.3.2三级流水线通用CPU仿真203

7.4流水线操作系统内核设计204

7.4.1流水线操作系统程序205

7.4.2系统程序仿真207

7.4.3仿真检验操作系统208

第8章 流水线编程的透明设计212

8.1分支指令透明化212

8.1.1改造分支指令设计213

8.1.2中断流水机制设计214

8.2其他指令透明化215

8.2.1 Iptr指令优化215

8.2.2 Call和Ret指令优化217

8.2.3运行汇编程序测试218

8.3缓冲区连接221

8.3.1输入缓冲区检验221

8.3.2缓冲区与CPU关联程序221

8.3.3通过缓冲区输入仿真223

8.4开发板的连接224

8.4.1连接程序设计224

8.4.2 EP IC12Q引脚连接225

8.5烧制运行与测试225

8.5.1常驻程序226

8.5.2运行检测226

8.5.3透明三级流水线检测程序设计228

8.5.4透明流水线编程提示230

中篇深入CPU设计232

第9章 信息与信息处理232

9.1信息与媒体232

9.1.1客观的信息232

9.1.2媒体与信息分类233

9.2信息处理与数据234

9.2.1信息处理234

9.2.2数据235

9.2.3信息量235

9.2.4计算机是信息处理工具235

第10章 机器表示数和运算237

10.1限位记数237

10.1.1 N进制237

10.1.2限位数237

10.1.3反码238

10.2解决正负数运算的对称制238

10.2.1限位数运算特征238

10.2.2用限位数表示正负数238

10.2.3什么是对称制239

10.2.4对称制运算240

10.2.5对称码和反码的关系240

10.3对称制加法的溢出241

10.3.1加减法溢出的判断241

10.3.2溢出的解决方法241

10.3.3乘法运算溢出的处理242

10.3.4变减法为加法242

10.4信息的二进制表示243

10.4.1图形文字数值化244

10.4.2颜色的数值化245

10.4.3模拟信息的数值化246

第11章 逻辑代数是CPU的基石248

11.1逻辑代数的概念248

11.2逻辑代数的基本运算规则248

11.2.1逻辑变量与逻辑表达式249

11.2.2基本逻辑等式249

11.23异或251

第12章 万能的逻辑电路252

12.1二极管和三极管252

12.1.1简单电路知识252

12.1.2简单表示电子管253

12.1.3基本逻辑门电路254

12.2依据表达式作电路255

12.2.1线路连接与交叉256

12.2.2基本组合电路符号256

12.2.3逻辑电路的画法257

12.3真值表与逻辑函数258

12.3.1真值表259

12.3.2逻辑表达式的化简261

第13章 元器件与线路设计原理263

13.1 RS触发器263

13.1.1 RS触发器的结构263

13.1.2 RS触发器工作原理263

13.1.3 RS触发器的符号264

13.2 D型触发器265

13.2.1时标触发器265

13.2.2边沿触发器266

13.3通断控制开关电路268

13.3.1三态门电路组成268

13.3.2三态门工作原理269

13.4带预置清除端的边沿触发器270

13.5线路数据传输271

13.5.1三态总线的数据传输271

13.5.2两态选择扇出总线272

13.5.3双向通断可控开关272

13.6寄存器原理273

13.6.1暂存寄存器设计274

13.6.2 L门的工作原理274

13.6.3 Jk触发器275

13.6.4 Jk触发器的构造275

13.6.5 Jk触发器工作过程275

13.66行波计数器276

13.7译码器和多路选择器278

13.7.1译码器278

13.7.2接收多路选择器279

第14章CPU的器件设计280

14.1原理图设计方法280

14.1.1原理图设计操作280

14.1.2器件的层次组合284

14.1.3 Quartus Ⅱ电子元件库285

14.2加减法运算器设计286

14.2.1加减法运算器设计的必要性286

14.2.2加法运算的分析287

14.2.3全加器设计操作289

14.2.4四位加法器设计291

14.2.5八位加法运算器设计293

14.2.6八位加减运算器设计293

14.3分段加减法运算器设计295

14.3.1分段计算原理295

14.3.2设计分段加减法运算器296

14.3.3分段加减法运算器仿真297

14.3.4分段加减法运算相关指令设计298

14.4通用计数器300

14.4.1同时同步计数器300

14.4.2二选一电路300

14.4.3加减单元301

14.4.4计数单元301

14.4.5八位计数器304

14.4.6计数器一般化306

14.4.7等效计数器设计307

14.5标志线的设计309

14.6移位寄存器设计310

14.6.1两位移位单元310

14.6.2多位左移位寄存器设计313

14.6.3左右移位寄存器设计314

14.6.4移位寄存器等效电路设计316

14.7乘法运算器的设计318

14.7.1乘法手算形式分析318

14.7.2乘法阵列原理图设计319

14.7.3分层设计乘法阵列321

14.8通用乘法运算器设计324

14.8.1求绝对值电路324

14.8.2实现有符号乘法运算326

14.8.3通用乘法运算器仿真327

14.8.4超长数乘法设计327

14.9除法运算器设计328

14.9.1除法手算形式分析328

14.9.2无符号数除法阵列329

14.9.3减法运算单元330

14.9.4四位减法运算器331

14.9.5除法试商运算单元332

14.9.6无符号数除法阵列行333

14.9.7无符号数除法运算器335

14.9.8有符号数除法器337

14.10译码器的设计338

14.10.1译码器设计338

14.10.2四位译码器设计340

14.10.3分层构造多位译码器341

14.11浮点加减法运算器设计342

14.11.1国际标准化组织的标准342

14.11.2限位浮点数的表示342

14.11.3浮点数的运算343

14.11.4随机右移运算器343

14.11.5浮点加减法运算器结构346

14.11.6浮点数加减法运算器设计347

14.12节拍器的设计349

14.12.1节拍器的结构349

14.12.2节拍器的工作原理350

14.13存储器设计351

14.13.1随机存储器351

14.13.2 IP程序生成RAM355

14.13.3随机存储器仿真359

14.14总线结构设计360

14.14.1简单总线结构360

14.14.2总线控制字与微指令361

14.14.3总线结构中实用存储器361

14.14.4地址寄存器设计363

第15章X86型CPU及单片机设计365

15.1 PMC硬件构成365

15.2 CPU的逻辑结构367

15.3指令系统设计368

15.3.1机器指令设计368

15.3.2指令格式和寻址方式371

15.3.3指令全程与控制函数372

15.4控制矩阵381

15.4.1控制矩阵电路设计381

15.4.2分块设计控制矩阵382

15.5控制矩阵生成器384

15.5.1控制矩阵生成器安装384

15.5.2建立指令全程分析表385

15.5.3生成dBASE III文件385

15.6控制矩阵生成器的使用386

15.6.1基本操作387

15.6.2数据库中建分析表388

15.6.3生成逻辑模块描述390

15.7 PMC110总线结构390

15.7.1运算器存储器总线连接391

15.7.2指针累加器等连入总线392

15.7.3寄存器等连入总线393

15.8 CPU顶层总线结构394

15.9输入缓冲接口设计396

15.9.1 PMC110缓冲区设计思想396

15.9.2缓冲区存储器设计397

15.9.3缓冲区接口电路403

15.9.4输入接口解决的问题407

15.10 PMC 110CPU与外设连接410

15.11 PMC110操作系统核心设计411

15.12 PMC110顶层与引脚413

第16章带LCD的通用单片机415

16.1 FM12864J液晶屏415

16.2 FM 12864J逻辑结构与控制416

16.2.1 HD 16202逻辑结构416

16.2.2液晶屏操作指令418

16.3 LCD读写控制420

16.3.1液晶屏的读写时序421

16.3.2液晶屏驱动程序422

16.4 LCD帧控制程序425

16.4.1端口与工作变量426

16.4.2随时变化的端口426

16.4.3帧控制程序的初始状态427

16.4.4帧控制状态描述427

16.4.5帧控制例行状态描述428

16.5字库设计程序429

16.5.1 Idle状态430

16.5.2字形设计430

16.5.3 Ok状态描述430

16.6时钟和送显信号设计431

16.7内外总线连接432

16.8开发板连接程序434

16.9 EP 1 C 12Q240增加引脚连接435

16.10带LCD单片机顶层文件435

16.11带LCD单片机运行测试436

第17章 动态CPU的思想方法439

17.1历史背景439

17.2并行计算机冲突概述442

17.3 PU-MU-CHL并行结构——计算机核心重组443

17.4 PU与MU连接控制448

17.5动态计算机的整机结构450

第18章 动态CPU设计实例452

18.1 PMC362CPU逻辑结构452

18.2 PMC362CPU结构设计453

18.3 PU设计455

18.3.1 PU的总线连接455

18.3.2 PU内部结构456

18.4 PU-MU指令系统458

18.4.1 PU指令表458

18.4.2 PU控制矩阵设计463

18.5 MU设计463

18.5.1 MU总线结构464

18.5.2 MU总线连接设计464

18.5.3 MU内部结构466

18.5.4 MU连接标志设计467

18.6 CHL设计467

18.6.1 CHL总线连接468

18.6.2 CHL内部结构468

18.6.3 CHL指令系统设计469

18.7顶层结构472

18.8设备连接优先级设计474

18.9主要部件和特色476

18.10测试程序设计476

18.11 PMC362程序并行执行仿真480

18.12下载到开发板上运行检验485

第19章PMC计算机应用490

19.1 PMC110汇编语言设计工具490

19.1.1程序设计编译器的安装490

19.1.2程序设计编译器的使用492

19.1.3编辑编译器使用实例497

19.2程序输入装填与执行499

19.2.1程序的输入与装填499

19.2.2输入编辑501

19.2.3人机交互方式502

19.2.4执行结果表示502

19.3系统复位与复杂操作503

19.3.1系统复位的方法503

19.3.2缓冲区复位503

19.3.3分段输入程序操作503

19.4需要知道的限制504

第20章 汇编语言程序设计506

20.1汇编程序的基本结构506

20.1.1顺序结构506

20.1.2分支结构507

20.1.3循环结构507

20.1.4子程序调用结构507

20.2指令的分类508

20.2.1算术运算类指令508

20.2.2数据传送类指令508

20.2.3逻辑运算类指令509

20.2.4跳转类指令509

20.2.5数据移位指令509

20.2.6其他控制类指令509

20.3程序设计510

20.3.1分支循环结构设计510

20.3.2多重循环511

20.3.3使用地址指针513

20.3.4起泡排序515

20.4宏指令518

20.4.1宏指令格式519

20.4.2无参数宏519

20.4.3带参数的宏519

20.4.4宏与函数520

20.5汇编程序编译方法520

20.5.1编译的一般过程520

20.5.2机器编译方法521

20.5.3用数据库软件设计编译器523

20.6典型问题求解524

20.6.1求自然数n的阶乘524

20.6.2超长数乘除法527

20.6.3超长数除法运算器设计532

20.6.4超长数除法运算仿真534

20.7虚拟存储器结构设计534

20.7.1虚拟存储执行的机制534

20.7.2虚拟存储编程535

20.7.3虚拟存储程序设计535

下篇 自己制作单片机542

第21章 自制单片机器件与环境542

21.1自制计算机系统整体结构542

21.1.1单芯片计算机实例542

21.1.2功能结构划分543

21.1.3 FPGA芯片和配件544

21.1.4 FPGA的配件546

21.2 PMC计算机的供电系统547

21.2.1直流电源与开关547

21.2.2稳压器件548

21.2.3整流二极管和滤波器件548

21.2.4下载线549

21.3输入设备549

21.3.1数据输入开关549

21.3.2状态控制开关549

21.3.3触发控制按钮549

21.4显示输出设备549

21.4.1发光二极管550

21.42数码管550

21.43液晶显示屏551

21.5 PCB印刷电路板551

21.6个人设计制作计算机所需的工作环境552

第22章PMC110计算机电路设计554

22.1计算机辅助设计软件PADS554

22.1.1元器件库554

22.1.2元器件图制作555

22.2基本型PMC电路的原理图设计568

22.2.1供电系统设计568

22.2.2 FPGA的引脚569

22.2.3信号保障系统设计574

22.2.4程序下载系统设计575

22.2.5输入系统设计577

22.2.6输出系统设计578

22.2.7为PCB准备网表580

22.3 PMC 110计算机PCB设计580

22.3.1 PCB的边界绘制580

22.3.2导入元器件582

22.3.3元器件布局582

22.3.4电路板的布线584

22.3.5电路板敷铜587

22.4器件PCB封装设计589

22.4.1使用自动导航设计589

22.4.2一般器件PCB设计592

第23章 计算机组装与下载595

23.1 PCB检测595

23.2器件焊接596

23.2.1器件焊接的顺序596

23.2.2焊接技巧597

23.3上电检测和断电修正599

23.3.1 PC计算机设计下载599

23.3.2常驻内存程序测试601

23.3.3自编程序测试602

附录607