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本书提供了基于HDL和EDA技术的关于CPU和计算机系统硬件设计理论和设计技术方面较完整和丰富的内容。其中有基于微程序控制模式的8位CISC模型计算机原理和设计技术；基于状态机控制模式的16位实用CISC CPU的基本原理、设计技术和创新实践指导；基于流水线技术的16位RISC CPU设计技术；基于32位OpenRISC1200处理器系统的SOC软硬件构建和应用设计，以及基于经典处理器的8051 CPU核与8088/8086 CPU核构建SOC系统的基本理论和设计技术。在大部分章节后面，还提供了有针对性的实验与设计项目，甚至包括激发学习者创新意识和培养创新能力的CPU创新设计竞赛项目。 全书从授课内容到实验形式都能与目前国外计算机组成原理与计算机体系结构等同类课程的教学和实验有较好的接轨。本书内容新颖实用，吸收了欧美许多高校的计算机组成原理同类课程教学和实验方面的基本要求和核心内容。首次为国内高校就这一课程的教学改革和相关实验内容的延拓方面提供了实用的教材。 本书可作为计算机专业本科生与研究生的教科书，或是作为传统的计算机组成原理课的教学与实验的补充教材，也可作为电子类各专业高年级本科生、研究生进行系统设计的参考教材，还可作为相关领域工程技术人员面向片上系统开发应用的参考书。
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第1章 概述 11.1 EDA技术及其优势 11.2 面向FPGA的数字系统开发流程 21.2.1 设计输入 31.2.2 综合 31.2.3 适配（布线布局） 41.2.4 仿真 41.3 可编程逻辑器件 51.4 FPGA的结构与工作原理 61.4.1 查找表逻辑结构 61.4.2 Cyclone III系列器件的结构原理 71.5 硬件描述语言 91.6 Quartus II 101.7 CISC和RISC处理器 111.8 FPGA在现代计算机领域中的应用 13第2章 系统设计与测试基础 152.1 原理图输入设计方法的特点 152.2 原理图输入方式基本设计流程 162.2.1 建立工作库文件夹和存盘原理图空文件 162.2.2 创建工程 172.2.3 功能初步分析 192.2.4 编译前设置 202.2.5 全程编译 212.2.6 时序仿真测试电路功能 222.3 引脚设置和编程下载 242.3.1 引脚锁定 242.3.2 配置文件下载 252.3.3 JTAG间接编程模式 262.3.4 USB-Blaster编程配置器安装方法 282.4 层次化设计 282.5 SignalTap II的使用方法 31习题 35实验与设计 35第3章 CPU宏功能模块调用方法 383.1 计数器宏模块调用 383.1.1 调用LPM计数器及参数设置 383.1.2 对计数器进行仿真测试 393.2 寄存器与锁存器的调用 403.2.1 基于D触发器的寄存器的调用 403.2.2 基于锁存器的寄存器的调用 413.3 ROM/RAM宏模块的调用与测试 413.3.1 存储器初始化文件 423.3.2 ROM宏模块的调用 443.3.3 ROM宏模块的测试 453.3.4 LPM存储器在系统读写方法 463.3.5 RAM宏模块的调用 473.3.6 RAM宏模块的测试 483.4 信号在系统测试与控制编辑器用法 493.5 嵌入式锁相环使用方法 52实验与设计 54第4章 计算机功能模块的原理与设计 574.1 CPU基本功能与结构 574.2 计算机中的基本部件 594.2.1 算术逻辑单元 594.2.2 数据缓冲寄存器 614.2.3 移位运算器 614.2.4 程序存储器与数据存储器 634.2.5 程序计数器与地址寄存器 634.2.6 指令寄存器 654.2.7 微程序控制器 654.2.8 微程序控制器电路结构 684.2.9 时序发生器 714.3 数据通路设计 734.3.1 模型计算机的数据通路 734.3.2 模型机的电路结构 74习题 75实验与设计 75第5章 8位模型计算机原理与设计 825.1 8位模型CPU结构 825.2 指令系统结构及其功能的确定 855.2.1 模型机指令系统 855.2.2 拟定指令流程和微命令序列 865.2.3 微程序设计方法 895.3 CPU硬件系统设计 915.3.1 CPU顶层设计 925.3.2 取指令和指令译码 985.3.3 设计微代码表 1005.3.4 建立数据与控制通路 1005.3.5 控制执行单元 1015.3.6 在模型机中运行软件 1025.3.7 模型机整机系统时序仿真 1045.3.8 模型机系统硬件功能测试 1065.4 具有移位功能的CPU设计 1105.4.1 移位运算器与ALU的结合设计 1105.4.2 测试程序设计和模型机时序仿真 1135.5 含更多指令的模型机设计 1155.5.1 指令系统的格式与指令 1165.5.2 微程序控制流程图设计 1175.5.3 程序编辑与系统仿真 119习题 120实验与设计 121第6章 16位实用CPU原理与创新设计 1326.1 KX9016结构原理及其特色 1326.2 KX9016基本硬件系统设计 1346.2.1 单步节拍发生模块 1366.2.2 运算器ALU 1366.2.3 比较器COMP 1376.2.4 基本寄存器与寄存器阵列组 1386.2.5 移位器 1406.2.6 程序与数据存储器 1416.3 指令系统设计 1416.3.1 指令格式 1426.3.2 指令操作码 1436.3.3 软件设计实例 1446.3.4 KX9016v1控制器设计 1466.3.5 指令设计实例详解 1506.4 KX9016的时序仿真与硬件测试 1526.4.1 时序仿真与指令执行波形分析 1526.4.2 CPU工作情况的硬件测试 1546.5 KX9016应用程序设计实例和系统优化 1566.5.1 乘法算法及其硬件实现 1566.5.2 除法算法及其硬件实现 1576.5.3 KX9016v1的硬件系统优化 158习题 159实验与设计 159第7章 流水线CPU原理 1647.1 流水线的一般概念 1647.1.1 DLX指令流水线结构 1657.1.2 流水线CPU的时空图 1677.1.3 流水线分类 1697.2 与流水线技术相关的问题及处理方法 1697.2.1 资源相关及其冲突 1707.2.2 数据相关及其分类 1707.2.3 数据竞争的处理技术 1717.2.4 控制相关 1777.2.5 流水实现的关键技术 1787.3 流水线的性能评价 1797.3.1 流水线的性能指标 1797.3.2 流水线性能评估举例 1817.3.3 Amdahl定律 187习题 188实验与设计 189第8章 流水线CPU设计 1968.1 流水线CPU的结构 1968.2 指令系统设计 1978.3 数据通路设计 2008.4 流水线各段的功能描述与设计 2018.4.1 Stage 1取指令段 2018.4.2 Stage 2译码段ID 2058.4.3 Stage 3执行有效地址计算段（EXE） 2108.4.4 Stage 4访存段（MEM） 2158.4.5 Stage 5回写段（WB） 2178.4.6 一些关键功能部件的设计 2178.4.7 控制单元 2228.4.8 中断与异常 2238.4.9 流水线CPU系统构建与测试 224实验与设计 227第9章 32位OpenRISC软核结构及应用 2399.1 OpenRISC1200处理器核概述 2399.1.1 OpenRISC1000/1200处理器的体系结构 2399.1.2 OR1200指令集及指令流水线 2419.1.3 OR1200核的异常模型和可编程中断控制器 2439.1.4 OR1200核的寄存器 2449.1.5 OR1200核的Tick定时器 2459.2 WISHBONE片上总线 2469.2.1 WISHBONE总线概述 2469.2.2 WISHBONE接口信号说明 2479.2.3 WISHBONE总线协议与数据传输 2499.3 OpenRISC的软件开发环境 2509.3.1 OpenRISC的GNU工具链 2519.3.2 使用Makefile管理工程 2529.4 一个简单的OR1200核的SOC设计示例 2529.4.1 KX_OR1200_SOC概述及设计流程 2539.4.2 KX_OR1200_SOC的存储器结构及初始化 2549.4.3 GPIO通用输入输出端口 2559.4.4 uart16550串行通信模块应用 2559.4.5 VGA/LCD显示控制器设计 2579.4.6 外设的初始化及系统的启动 2589.4.7 KX_OR1200_SOC的μC/OS II移植 2609.4.8 基于SignalTap II的硬件实时调试 2609.5 基于OR1200的ORPSoC设计 261实验与设计 261第10章 基于经典处理器IP的SOC实现 26310.1 基于8051单片机核的SOC系统实现 26310.1.1 K8051单片机软核基本功能和结构 26410.1.2 单片机扩展功能模块的SOC设计 26410.2 基于8088 IP核的SOC系统实现 26910.2.1 8088 IP核SOC系统 26910.2.2 基于8088 CPU IP软核的小系统构建 27210.2.3 可编程并行接口8255 IP核 27410.2.4 8255 IP核基本功能测试 27610.2.5 8255 IP在8088 IP核系统中的应用示例 27810.2.6 8254/8253 IP核可编程定时器/计数器 28010.2.7 8254 IP核基本功能测试 28110.2.8 8254 IP核在8088系统中的应用示例 28310.2.9 8259 IP中断控制器的功能和用法 28510.2.10 8259 IP在8086/8088系统中的应用 28710.2.11 8237 DMA控制器 28810.2.12 16550 IP核可编程串行通信模块 29010.3 基于8086 IP软核的SOC微机系统设计 29210.3.1 8086Z CPU性能特点 29210.3.2 KX86Z微机系统的结构与功能 29310.3.3 KX86Z_FULL系统上MS-DOS的使用 29510.3.4 在KX86Z_FULL系统进行C程序或BASIC程序编程 29710.3.5 在KX86Z_FULL上启动Windows 3.0 297习题与设计实验 298附录 现代计算机组成与创新设计实验系统 3001.1 KX_DN8系列实验开发系统 3011.2 mif文件生成器使用方法 304参考文献 306
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若非希望本书能更容易地被接受并融入传统“计算机组成原理”课程行列，本书的书名原本应该是“计算机组成原理与设计技术”。这显然是因为，在我国计算机高等教育的课程体系中，“计算机组成原理”这门课的名字，在长达数十年的时间内，竟与诸如“高等数学”、“大学物理”、“微机原理与接口技术”等课程的名字一样，成了对应课程的固有名词，没有人去增减一字，以致出现了在不同时段、出自众多不同作者、不同出版社、不同专业用途的面向此类课程的教材几乎取的是相同书名的现象。这似乎暗示计算机专业的学生只要是学习计算机组成的课程，就只能数十年一贯制地学原理、说原理，验证原理，且只能被动地认识计算机，使用计算机；似乎学习计算机就只能与软件打交道，只能学习软件设计而远离硬件设计，否则就脱离了计算机专业的“正业”。这对于计算机专业的课程设置与教学目标，显然是值得商榷的。以下将结合当前的计算机教学情况和本书的教学目标，对相关问题作一些探讨。后对本书的编排和结构作一些说明。1．问题的提出 在多数高校计算机专业教学的课程设置结构中，不难发现其中有如下两点缺憾。（1）缺失基于工程实际的CPU硬件设计这一重要内容。首先必须明确，CPU、嵌入式处理器、DSP处理器乃至计算机系统的硬件设计技术及相关课程理应纳入计算机科学与技术专业中；计算机专业对于软硬件综合设计人才的培养是责无旁贷的。而电子信息、通信工程、工业自动化等专业从整个课程体系来说，都不可能插入这一课程。 如果只会使用计算机而不会设计计算机（或只会拼装计算机），只能永远依赖于别人的CPU或硬件平台，这显然绝非我国的办学宗旨。 随着科学技术的发展，核心技术已经越来越集中在集成电路芯片和软件这两项之中，其中CPU和OS（操作系统）设计技术是核心的两项技术。特别是高性能计算机技术一直是衡量国家实力的一个重要标志。美国、日本和西欧等国将此当作一种国家行为，不断加大这方面的资助力度。美国的许多高校本科计算机专业中都无一不是安排了CPU硬件设计方面的课程和实验内容。 例如美国MIT的一门相关课程就是“计算机系统设计”。学生在实验课中，须自主完成（即自行设计）ALU、单指令周期CPU（single cycle CPU）、多指令周期CPU（multi-cycle CPU），乃至实现流水线32位MIPS CPU和Cache的设计；Stanford大学计算机系的本科生也有相似的课程和实验，即“计算机组成与设计”课。实验要求学生以各自独立的形式，用VHDL语言自主实现CPU、VGA显示控制模块等接口，后实现于FPGA中，并完成软硬件调试。此外，如University of California，Berkeley和Brigham Young University等学校在基于FPGA的超级计算机研制方面也有大量成果。 然而我国在CPU和计算机系统设计方面还十分落后，具有成熟的完全自主知识产权的通用8位/16位CPU产品基本没有，高端的通用32位到64位高性能处理器更是空白。国产装备中的微处理器几乎全部采用进口的国际流行的通用或专用微处理器。这种受制于人的状况对于我国的IT产业、国家重要的经济军事战略乃至国家安全都十分不利！ 从我国高校教学方面来看也同样不容乐观。尽管也通常包含了“计算机组成原理”和“计算机体系结构”的课程，且从这两门课程的内容来说也理应肩负这一重任（计算机系统和CPU硬件设计）。但实际情况并非如此，调研表明，国内除诸如中国科技大学、北京大学软件学院、复旦大学软件学院、哈尔滨工业大学、成都电子科技大学等少数高校十分重视计算机系统设计课程群建设，深入广泛地采用EDA技术与硬件描述语言完成实验和设计训练，并将“计算机组成原理”和“计算机体系结构”课的实验明确为CPU设计训练外，其他学校则大多仅将计算机组成原理定位为计算机科学导论和计算机模型认知的层面上；而在实验与实践方面，作为探讨实用CPU硬件原理和设计的“计算机体系结构”课基本没有对应的硬件实验。计算机组成原理的实验则主要是在一些由分离元件构成的实验平台上，完成简单模型CPU的验证性实验，基本谈不上设计，更没有国外高校类同的自主创新型CPU设计实验任务。这显然难以满足教育部在《关于加强高等学校本科教学工作，提高教学质量的若干意见》中关于“高等学校要重视本科教学的实验环节，保证实验课的开出率达到本科教学合格评估标准，并开出一批新的综合性、设计性实验”的要求。（2）自主创新能力培养与训练方面的课程内容偏少。 计算机学科领域中自主创新能力的培养，包括卓越工程师的培养，其目标应该是拥有自主知识产权计算机部件或硬件系统设计技术及创新设计能力的人才的培养。这就要求包含“自主”这一重要因素。 “创新”未必包含“自主”。例如某项计算机软件的设计完成，某DSP算法的实现，某嵌入式系统软件的开发成功等，都可能包含一些前人未曾有过的创新，甚至可以有自己的知识产权。但我们却从来没有听说过，它们会是拥有完全自主知识产权的项目。这是因为，这些尽管属于创新型项目，但却都基于现成CPU平台上的软件，离开了这些CPU，软件中的所有创新价值都将归于零，因为CPU是别人的。这就是说，创新能力的培养绝不能脱离自主创造设计能力的培养，没有了自主的创新便不是真正的创新。 胡锦涛在2006年全国科学大会上提出了到2020年将我国建设成为创新型国家的宏伟目标，并在讲话中多次强调：建设创新型国家，核心就是坚持自主创新，将增强自主创新能力作为发展科学技术的战略基点。也曾指出：原始创新孕育着科学技术质的变化和发展，是一个民族对人类文明进步作出贡献的重要体现，也是当今世界科技竞争的制高点。 显然，如果忽视了创新型人才的培养，其他一切都将是空话。 根据这些讨论，不难发现，在计算机技术的教学中，唯有“计算机组成原理”和“计算机体系结构”课中加入相关的教学内容和合理的实验设置才能够承担起除基本知识传授外，对于学生自主创新能力培养的重任。 毫无疑问，离开了硬件设计，特别是符合工程实际的硬件设计训练，自主创新能力的培养便无从谈起。然而目前的状况有时确实令人堪忧。不少计算机专业学生存在“重软轻硬”，“欺软怕硬”，甚至“只软不硬”的现象，学生们只将注意力和兴趣集中在各种编程环境、开发工具、数据库、计算机网络的集成技术上面，对于硬件技术的学习和应用研究不感兴趣或望而生畏。甚至计算机教学领域的个别学者都认为，计算机专业的学生可以“只要用键盘、鼠标就能演奏出各种美妙的音乐”。这种现象和认识对于我国培养自主创新型人才显然是极为不利的。2. 探索解决问题的方法 基于以上问题的考虑，本书给出了相应的对策，将教学目标定位于以下三点： （1）通过利用与实际工程相吻合的EDA工具，如时序仿真工具和硬件实时测试工具等，以全新的角度和方法学习并掌握计算机的结构特点和基本原理。例如可以利用这些先进的工具将执行一段应用程序过程的CPU中所有主要的数据流和每一个硬件微控制信号全景实时展示出来，这是传统的教学方法和实验条件无法实现的。 （2）通过基于EDA技术的建模方法和必要的实践训练，初步掌握简单结构的8位或16位实用CPU，包括复杂指令与精简指令CPU的设计技术、测试技术与实现方法。 （3）通过本书从不同角度展示的CPU设计方案和SOC实现技术的启发，以及潜心完成书中给出的诸多自主创新实践项目，在此基础上，有效地激发创新意识，提高面向计算机核心部件设计的自主创新能力。 为此，本书提供了基于VHDL/Verilog和EDA技术的关于CPU和计算机系统设计理论和设计技术方面较丰富与完整的内容。其中有基于微程序控制模式的8位模型机设计，基于状态机指令控制模式的16位CISC实用CPU设计，基于8088/8086 IP核的完整微机系统及8051 IP核的SOC片上系统的实现，以及基于流水线技术的RISC CPU设计和32位可编程嵌入式系统设计等内容。 由于所有示例和设计都是基于Altera较新的Cyclone III系列FPGA硬件平台和新版Quartus II工具软件平台的，从而使得整个设计，从每一个逻辑门至移位寄存器，从RAM、ROM、锁相环、Cache、ALU、DMA、中断控制器直至硬件通信接口，从8位CPU至32位嵌入式系统，即从基本的部件至整个宏观系统，几乎全部能用与工程实际吻合的Verilog/VHDL硬件描述语言、LPM宏模块或嵌入式IP来表达，并实现于一个单片FPGA中。同时利用此平台提供的高效的软硬件调试和测试工具进行优化设计。显然这一切是过去多年以来传统的计算机组成原理教学内容、实验模式和实验手段难以企及的。 本书中明确包含了符合现代工程设计技术的CPU设计理论，设计方法和实现技术，其意义是多方面的。首先，在传统的“计算机组成原理”和“计算机体系结构”课中增加了理论向工程实际转化的符合现代计算机系统工程设计规范的硬件设计内容。传统的实验模式中往往不是这样，因为在传统的实验模式中虽也有“设计”内容，但主要是根据不同实验系统各自规定的方法，用传统的分离元件（也有包括部分可编程器件）和接口器件进行拼装搭接而成。学生显然无法从这样的“设计”过程中了解真实的现代实用CPU基本设计技术。其次，本书能使学生在了解了计算机组成原理和软件设计技术的同时，学会计算机硬件设计技术。计算机的软硬件设计与调试技能是一个合格的计算机专业学生本应具备的基本知识和重要技能。3．创造能力的培养 从创造心理学的角度看，单纯的逻辑性思维和收敛性思维绝不可能产生创造，尤其是原始创造。创造型思维向来植根于发散性思维。美国心理学家吉尔福特认为，发散思维能力是创造力的核心。一切创造和创新都是发散性思维与收敛性思维、非逻辑思维与逻辑思维、分析思维与直觉思维共同作用的结果。司马光砸缸、爱因斯坦相对论、薛定谔方程、达尔文进化论、德布罗意波粒二象性学说、麦克斯韦方程、魏格纳大陆板块漂移学说，等等，无一不是这些思维能力共同作用的经典范例。 从创造能力培养的角度看，软件设计人员只需拥有逻辑上的单向一维思维能力就能保证软件设计的成功；而过量单纯的软件设计，不断强化了设计者纯逻辑性思维和一维的收敛性思维。显然，这与培养植根于多维多向的发散性思维方式的创造能力是相违背的。因此，多数纯软件设计训练只能归类为技能性和知识性训练。 硬件系统设计则不同。首先，硬件系统可以由许多相关或互为独立的模块组成，相关模块的关系可以是同步，也可以是异步。其次，硬件系统设计本身并不能离开软件设计，因此硬件系统的构建是一个软硬综合的并发系统，设计和把握它自然必须拥有并发和多维的思想方法。而HDL正是描述和设计硬件系统的计算机语言，它的语句都是并发的。因此在HDL的RTL设计中，根本不存在“单步执行”的概念。除语句格式排错外，HDL程序调试只能通过了解整个程序的时序仿真波形后才能实现。显然，一维单向的逻辑思维方式已远远不够了。因此，按照软件语言的常规设计思路是不可能用好HDL的。基于EDA技术和HDL的CPU设计训练无疑十分有利于强化发散性思维和自主创新能力的培养。 爱因斯坦说过：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。”因此计算机专业的教学除了传授知识外，激发学生的想象力，拓展学生对多课目的适应力，培养学生的创造力将更为重要。4．教材的结构、知识点与实践内容 为了进一步明确本书的教学目标，在第二版中，除了为原书名增加了副标题外，真正的变化表现在书中各章节的结构和内容的变化。对于适用范围，《现代计算机组成原理》一书仍可作为普通计算机专业的一门独立的专业基础课教材，也可以作为现在的“计算机组成原理”同类课的后续课程，或作为此类课程在教学内容和实验内容上的补充教材，或干脆用作满足新要求、赋予新任务、包含新内容和适应新时期的新的“计算机组成原理”课程的教材。 对于第二版中的结构与内容的变化及因此而凸显的特点主要表现在以下几方面： （1）尽量减少或删除与本书教学目标没有直接关系的内容。 考虑到目前EDA技术与硬件描述语言在计算机专业中有了较高的普及率，新版教材中删除了原来花大篇幅介绍硬件描述语言的章节；只是在第2章中简要介绍了与此后章节的实验与验证关系密切的Quartus II的使用方法及相关测试工具与测试技术，以便能使一些尚无任何EDA基础及相关预备知识的读者也能通过本书的内容而便捷入门。为此，教材还有意识地直到第6章之前尽可能地使用Quartus II的原理图设计技术而不涉及硬件描述语言的应用。此外还删除了版的第9章和第10章有关Nios II处理器的内容，这主要是因为基于Nios II的SOPC技术变化大内容多，且与“计算机原理与设计”主题的关系不是太密切，我们计划为此内容单独出版一本教材。 （2）分散难点突出重点。 仅从讨论的对象和涉及的内容上看，第3章至第5章的基本内容与传统“计算机组成原理”课程的对应内容十分接近，即介绍了基于微程序控制的8位复杂指令模型机的原理和设计；但在表述方式（LPM宏模块或HDL）、设计工具（Quartus II）、实现平台（大规模FPGA）、测试工具和方法（嵌入式逻辑分析仪SignalTap II、在系统源与信号探测器In-System Sources and Probes和在系统存储器实时读写器In-System Memory Content Editor）、实现目标（工程级实用CPU或SOC系统设计）以及实验要求（以自主创新型设计项目为主要目标而非仅仅停留在原理性验证）等方面却与传统内容迥异。这三章将基于传统“计算机组成原 理”课程中有关8位模型机原理与设计的内容，完整地放在了全新的EDA技术平台上来解析，并融入了规范的工程设计和大量与之配合的实验项目。这部分内容可作为本书的重点和基点。 其中，第3章将LPM宏模块调用和测试方法与8位模型机部件的设计融为一体，使第4章用较多的篇幅更详细、更宽口径地介绍此模型机的硬件构建及主要部件的设计技术，从而使第5章能更集中地描述模型机的工作原理、设计方法和测试技术，为后续内容的拓展和延伸奠定了基础。 显然，这三章也是传统“计算机组成原理”课的对应内容向现代计算机组成原理过渡好的切入点，它使传统条件下以原理验证为主的实验教学方案，平稳而合理地转向了基于现代EDA工程的以自主创新型实验与设计实践为主的教学方案。 （3）突出创新能力培养和实用工程技术的掌握。 第二版在原第6章内容的基础上，将其改造成实用CPU创新设计的学习内容。即首先给出一个基本版的有限状态机指令系统的16位CPU的设计方案，在将其核心原理与设计技术进一步深化解析，以及展示了面向CPU软硬件测试和实现方法后，针对此设计项目所有可能的优化和升级的方向，给出了多侧面的提示。然后根据这些提示，以及第5章学习内容的铺垫，在实验部分为读者列出了多项自主创新设计实验项目，并在后提出了针对本章内容的CPU创新设计竞赛命题，为更能动地学习计算机原理和硬件设计以及自主创新能力的提高启动了一个新的增长点。这样的流程也为后续课程的学习作了良好的示范。 为了体现Verilog的简洁易用和VHDL的严谨与行为逻辑描述的优势，第6章对于CPU中不同部件的设计使用了不同的HDL硬件描述语言。例如对于控制器使用了擅长状态机描述的VHDL；而其他模块的功能描述都用Verilog。这种方式也延伸到了此后的一些章节。作者认为，既然是计算机专业，无论是软件语言还是硬件语言都有必要进行全面的了解，乃至熟悉。当然作者也准备了针对各部件的这两种语言描述的程序以供交流。相关的内容可参阅参考文献[1]和[2]。 （4）循序渐进，将计算机结构原理和硬件设计技术引向深入。 第7章与第8章主要讨论基于EDA技术和FPGA平台的流水线构架RISC CPU的设计理论、设计技术和实现方法。第7章介绍流水线CPU的基本原理和基础理论，后增加了较多实验；第8章完整介绍了流水线CPU的设计及FPGA的实现方法。这两章可作为传统“计算机体系结构”课的补充，这主要是指硬件设计和实现方面。当然也可作为“计算机组成原理”课程的延伸教学内容和深入的实践项目。 （5）增加了先进而实用的SOC技术应用教学内容。 这部分内容包括第9章和第10章，它们主要介绍基于不同处理器核的SOC片上系统的结构特点、基本原理、系统构建和应用技术。 第9章介绍了32位嵌入式可编程处理器核OpenRISC 1200的系统结构和基于OpenRISC 1200的SOC系统的软硬件构建和应用设计。此章以一个SOC系统设计引入主要内容，对基于WISHBONE片内互联总线的OpenRISC 1200应用系统结构作了介绍，其中包括CPU、存储器、VGA/LCD显示控制器、编程接口、串行通信端口等模块，以及系统的指令集、WISHBONE总线结构、基于WISHBONE总线的开源IP等。此章可作为学生课外科技活动或毕业设计的内容。第10章则基于人们十分熟悉而又经典的8051单片机与8086/8088计算机系统所对应的IP核，展示了SOC系统的构建和实用技术。此章首先介绍了基于8051单片机CPU 核和大规模FPGA的SOC实现与实用技术，即将整个单片机系统置入一片FPGA中进行设计。此后的内容是基于8088核的SOC设计，首先给出了计算机系统中各主要IP部件的构建和使用方法，其中包括8088/8086 CPU IP核、8253定时器IP核、8237 DMA IP核、8259中断控制IP核、8255可编程I/O IP核和8250 UART串行通信IP核等，以及相关的存储器；后将它们组合起来构成一个完整的计算机系统，且在一片FPGA中实现，直至实现VGA显示、PS/2键盘和鼠标控制以及启动耳熟能详的MS-DOS操作系统和Windows操作系统。这章的内容对自主设计、测试和调试自己的SOC计算机系统有很好的启发性和指导性。 事实上，在近几年中，认可、接纳并实践本书基本教学理念和教学实验内容的高校不断增加。许多高校的计算机专业选择本书作为教材或选择教材中提到的FPGA实验系统来完成对应的硬件实验，其中有西安交通大学、西北大学、中国人民大学、吉首大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、中国民航大学和南京邮电大学等近30所高校。难得的是，早（2007年）加入这一教改行列的竟然是一所外语学校，即广州外语学院。该校有关教师对于外语专业学生兼修计算机软件技术和基于FPGA的计算机硬件设计技术，在拓宽就业口径、提高就业率方面所表现出的作用和优势有很高的评价。 现代计算机技术发展的速度异常迅猛，高等院校计算机科学与技术的教学将面临越来越大的挑战，这主要表现在两个方面：更多更新的知识有待传授；学生在该领域的自主创新能力有待更有效地提高。为了迎接这个挑战，本书力图在这两个方面都有所作为，但限于知识面，难免力不从心。作为抛砖引玉，望业内专家同行不吝斧正（作者E-mail：pmr123@sina.cn）。 本书作者潘明是桂林电子科技大学教师，其他二位都是杭州电子科技大学教师。 特别感谢杭州中天微系统有限公司的黄欢欢工程师为本书的重要章节增色良多！ 本书的PPT配套教学课件与实验课件、实验程序、附录的mif工具软件、实验示例源文件、所涉及的各类CPU IP软核等相关资料的索取可浏览网址www.kx-soc.com，也可与科学出版社（www.abook.cn）联系。 编著者 2012年11月
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