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CPU自制入门

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  • 日期: 2022-05-29
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《CPU自制入门》教读者制作原创的计算机系统。第  1章以介绍CPU为主,同时介绍如何制作存储程序与数据的内存、输入与输出的I/O以及将这些模块连接起来的总线,这些模块可以组合成一个简单的计算机系统。为了让这个计算机系统运转起来,第  2章介绍电路板的设计和制作。第3章为这个计算机系统编写程序,并上机测试。

《CPU自制入门》可以帮助软件工程师了解硬件与底层,开发出高效代码。硬件工程师可以在该书基础上设计定制硬件,开发高速计算机系统。相信读者可以在《CPU自制入门》的阅读过程中,体会到自制计算机系统的乐趣。

第  1章 CPU的设计与实现 1

1.1 序 2

1.2 计算机系统 4

1.2.1 什么是计算机 4

1.2.2 什么是CPU 5

专栏 CPU的位宽 8

1.2.3 什么是内存 8

1.2.4 什么是I/O 9

专栏 字节序 10

1.2.5 什么是总线 12

专栏 总线的优缺点 14

1.2.6 小结 14

专栏 计算机相关书籍 14

1.3 数字电路基础 15

1.3.1 什么是数字电路 15

1.3.2 数值表达 15

1.3.3 有符号二进制数 16

专栏 比特和字节 17

专栏 1K字节有多大 17

1.3.4 MOSFET的结构 17

1.3.5 逻辑运算 19

1.3.6 CMOS基本逻辑门电路 20

1.3.7 存储元件 21

专栏 建立时间与保持时间 24

1.3.8 组合电路和时序电路 25

1.3.9 时钟同步设计 25

1.3.10 小结 25

专栏 数字电路相关书籍 25

1.4 Verilog  HDL语言 26

1.4.1 什么是Verilog  HDL 26

1.4.2 电路描述 27

专栏 默认网络类型 32

专栏 组合电路描述中锁存器的推定与Don’t  care 37

专栏 正逻辑与负逻辑 42

1.4.3 电路仿真 43

专栏 同步电路中信号变化的时序 45

1.4.4 Verilog  HDL的仿真环境 50

1.4.5 小结 56

专栏 Verilog  HDL相关书籍 56

1.5 系统蓝图 57

1.5.1 目标系统整体介绍 57

1.5.2 关于本章中的代码 58

专栏 字编址与字节位移 62

1.6 总线的设计与实现 63

1.6.1 总线的设计 63

1.6.2 总线的实现 66

1.6.3 小结 78

1.7 存储器的设计与实现 79

1.7.1 FPGA的RAM区域 79

1.7.2 ROM的设计与实现 81

1.7.3 小结 83

专栏 存储器相关书籍 83

1.8 AZ  Processor的设计与实现 84

1.8.1 关于CPU 84

专栏 CPI和MIPS值 93

1.8.2 AZ  Processor的设计 93

专栏 指令集架构与微架构 105

1.8.3 AZ  Processor的实现 106

1.8.4 小结 159

专栏 计算机架构相关书籍 159

1.9 I/O的设计与实现 162

1.9.1 定时器 162

1.9.2 UART 167

专栏 UART实例 168

1.9.3 GPIO 181

1.9.4 小结 188

专栏 I/O相关书籍 188

1.10 AZPR  SoC整体连接 189

1.10.1 各模块的连接 189

1.10.2 时钟模块的实现 191

1.10.3 顶层模块的实现 193

1.10.4 小结 193

1.11 AZPR  SoC的仿真 194

1.11.1 仿真模型的编写 194

1.11.2 Testbench的编写 197

1.11.3 执行仿真 200

1.11.4 小结 201

1.12 本章总结 202

第  2章 电路板的设计与制作 203

2.1 序 204

2.2 电路板规格206

2.2.1 电路板名称 206

2.2.2 电路板的构成 206

2.2.3 电路板尺寸 206

2.2.4 电路板层数 207

2.2.5 FPGA选型 207

2.2.6 外围电路的选定 208

专栏 关于FPGA 209

专栏 关于JTAG 211

2.3 元件选型 212

2.3.1 元件选型标准 212

2.3.2 元件选型 212

2.3.3 元件的选购 218

2.4 电路设计 221

2.4.1 下载规格书 222

2.4.2 配置电路 223

2.4.3 外围电路 228

2.4.4 电源电路 232

2.4.5 电路板设计环境 234

2.4.6 使用Eagle设计电路图 236

专栏 关于ULP 241

专栏 Eagle使用方法相关的书籍/说明书 241

2.4.7 完成的电路图 241

2.5 布局设计 247

2.5.1 电路板设计约束条件及布线策略 247

2.5.2 FPGA板的布局设计 248

2.5.3 电源板的布局设计 252

2.5.4 使用Eagle布局 254

2.5.5 完成的布局 259

2.6 制作元件库261

2.6.1 制作Symbol 261

2.6.2 制作Package 263

2.6.3 制作Device 264

2.7 电路板3D模型 269

2.7.1 软件使用说明 269

2.7.2 准备3D模型库 271

专栏 关于3D模型库的管理 278

2.7.3 制作电路板模型 279

2.8 制作感光板电路板 280

2.8.1 整体流程 280

2.8.2 制作光罩 282

2.8.3 粘合光罩 284

2.8.4 曝光 285

2.8.5 显像 288

2.8.6 蚀刻 289

2.8.7 阻焊剂 291

2.8.8 开孔 296

2.8.9 在背面安装VPort接头时的处理 298

2.8.10 制作通孔 299

2.8.11 飞线 300

2.9 使用电路板制造服务 302

2.9.1 电路板制造服务 302

2.9.2 DRC 302

2.9.3 输出Gerber数据 305

2.9.4 检查Gerber数据 306

专栏 执行DFM检查的方法 309

专栏 阻焊层遮罩的印刷设置 312

2.9.5 向P板.com公司下单制板 312

专栏 拼板数据的准备 314

2.9.6 向OLIMEX公司下单制板 318

2.10 组装电路板 321

2.10.1 电源板 321

2.10.2 组装FPGA板 321

2.11 功能测试 323

2.11.1 识别FPGA 323

2.11.2 诊断程序 323

2.12 本章总结 326

第3章 编程 327

3.1 序 328

3.2 开发环境 329

3.2.1 准备工作 329

3.2.2 FPGA开发环境 330

3.2.3 ISE  WebPACK 331

3.2.4 UrJTAG 359

专栏 cblsrv-0.1_ft2232 370

3.2.5 交叉汇编程序 370

3.2.6 第  一个程序 376

3.3 串口通信 381

3.3.1 安装Tera Term 381

3.3.2 编写程序 382

专栏 子程序 388

专栏 ASCII码 389

3.3.3 执行程序 390

3.4 程序加载器 391

3.4.1 XMODEM协议 391

3.4.2 编写程序 393

3.4.3 编写加载测试程序 402

3.4.4 执行程序 403

3.5 中断与异常 406

3.5.1 什么是中断 406

3.5.2 编写程序 410

3.5.3 执行程序 414

3.5.4 什么是异常 415

3.5.5 编写程序 415

3.5.6 执行程序 419

3.6 七段数码管 420

3.6.1 什么是七段数码管 420

3.6.2 七段数码管的控制 420

3.6.3 七段数码管计数器概要 422

3.6.4 编写程序 423

3.6.5 执行程序 428

3.7 制作一个实用程序 429

3.7.1 功能概要 429

3.7.2 制作程序 433

3.7.3 执行程序 446

3.8 结语 447

谢辞 448

后记 449

版权声明 450

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