简介
《CPU/SOC及外围电路应用设计:基于FPGA/CPLD》详尽介绍了简易8位CPU(含RISC)架构体系开发、设计及模拟测试的方法,各种CPU的外围设计模拟测试和CPU连接架构成单片机及SOC的方法。同时也对现代高速16/32位CPU架构体系开发测试和实例以及现代SOPC发展平台作了详尽的介绍分析,并配有例题程序光盘一张,方便读者学习使用。《Java应用开发教程》可作为电子、电机、计算机、控制等专业的学生和从事VLSI、CPU、SOC芯片设计应用的科研人员的参考用书。
目录
第1章 简易单片机的结构及其开发模拟测试.1
1-1 cpld设置cpu的hdl描述硬件结构说明2
1-1-1 cpld设置cpu的hdl使用lpm模块简介2
1-1-2 cpld设置cpu的hdl使用寄存器简介3
1-1-3 程序存储器的设置设计及取指(fetch)4
1-1-4 程序存储器的取指(fetch)7
1-1-5 cpu内部寄存器及数据的运算控制示意图7
1-1-6 cpu的hdl描述i/o设置及prom设置控制10
1-1-7 riscpu3.tdf完整电路描述11
1-2 riscpu3.tdf电路测试及模拟16
1-3 riscpu3结构特性讨论22
1-4 流水线处理结构的高速riscpu4简介24
1-4-1 riscpu4流水线的指令取指fetch/dec解码25
1-4-2 riscpu4流水线的运算单元读取及解码(op/rd)电路27
1-4-3 riscpu4流水线解码(op/rd)控制信号输出电路28
1-4-4 riscpu4流水线执行exe控制电路30
1-4-5 riscpu4流水线完整电路描述31
1-4-6 riscpu4流水线电路功能的模拟检测41
1-4-7 数据相依冒险的自动检测处理44
1-4-8 实例46
.1-4-9 结论47
第2章 灵活性指令码的单片机结构及开发模拟测试50
2-1 16位pd程序存储器44个精简指令risc单片机指令结构简介50
2-2 44个精简指令risc单片机的i/o构建及其与cpu的连接简介54
2-2-1 16位具输入比较和捕捉功能的计数计时器ctc 54
2-2-2 12位的脉冲宽调变pwm外围电路56
2-2-3 ppio外围电路及cntp16和pwm12 对应i/o寄存器寻址联结控制57
2-2-4 中断的处理及连接58
2-3 具有相当功能的单片机riscpu8电路设计与描述61
2-3-1 riscpu8.tdf的alu运算处理62
2-3-2 riscpu8.tdf的解码及控制control信号运算处理65
2-3-3 riscpu8.tdf的程序转移及寄存器数据回写wb运算处理66
2-4 riscpu8.tdf的完整程序描述处理69
2-5 riscpu8.tdf的程序编写及模拟测试80
2-6 riscpu8.tdf的程序编写及实例测试89
2-6-1 ep1k50tc1443主机板和sncplde3测试实验器介绍89
2-6-2 riscpu8的程序编写及实例测试91
第3章 soc及强化外围的单片机结构和开发模拟测试95
3-1 soc强化外围模块电路精简指令risc单片机简介95
3-2 硬件乘除法器及外加存储器的读写设置及连接和模拟测试95
3-2-1 硬件乘除法器的设计设置及连接95
3-2-2 外加存储器的读写控制设置及连接98
3-2-3 乘除法器及外加存储器的读写模拟测试100
3-2-4 精简指令riscpua的整体架构104
3-2-5 讨论105
3-3 键盘扫描及7段led显示和lcd字形显示器接口电路106
3-3-1 硬件键盘扫描接口电路的设计107
3-3-2 4位7段led扫描显示及硬件键盘扫描接口电路的连接112
3-3-3 lcd显示模块的驱动接口电路及其连接115
3-4 简易的vga屏幕显示控制接口电路125
3-4-1 简易的色条产生器(color bar generator)128
3-4-2 简易的字形显示器(character generator)129
3-5 简易串行非同步uart接口电路134
3-5-1 波特率产生器(baudrate generator)135
3-5-2 uart的发送tx控制电路138
3-5-3 uart的接收rx控制电路141
3-5-4 uart的整合电路146
3-6 i2c串行同步传输电路157
3-7 sci串行同步传输电路170
3-8 模拟比较器175
3-9 adc转换电路176
3-10 高速的adc转换读取及寄存181
3-10-1 adc的转换及读取控制设置181
3-10-2 adc转换读取并予解码扫描显示于7段led的控制183
3-10-3 高速的adc纪录储存后予以输出显示控制185
3-11 电路的测试及实例188
3-12 结论193
第4章 jtag及dma和qep,db死区接口电路194
4-1 jtag接口电路简介194
4-1-1 jtag的边界电路扫描(boundary scan)194
4-1-2 jtag的电路结构198
4-1-3 简易的jtag的电路结构设置设计和模拟200
4-2 直接存储器读写dma(direct memory access)接口电路212
4-3 四象限编码器qep检测及死区(dead band)控制接口电路226
4-3-1 四象限编码器qep(quard encoder port)检测226
4-3-2 死区(dead band)控制设置电路230
4-3-3 四象限编码器qep(quard encoder port)检测计数接口电路232
4-4 实验测试与实例236
第5章 通用型单片机指令架构分析及特性简介239
5-1 通用型单片机239
5-2 改良型8051单片机系列239
5-3 强化型risc avr单片机系列241
5-4 全世界8位mcu居于第二位的pic系列产品248
5-4-1 含有模拟放大器opa及dac接口的特殊pic单片机252
5-4-2 含有can及adc,pwm控制运算的mcu单片机254
5-4-3 具有dsp的运算的dsp mcu单片机256
5-5 ti单片机msp430芯片系列268
5-5-1 msp430f14x的电路结构简介269
5-5-2 msp430f14x的指令模态结构简介270
5-5-3 msp430f14x特殊外围电路简介277
5-6 dsp单片机龙头ti的tms320c54x系列279
5-6-1 tms320c542的cpu结构280
5-6-2 tms320c542寻址模式及其对应数据转载指令格式分析和分类282
5-6-3 tms320c54x的流水线(pipeline)指令运算284
5-6-4 tms320c54x的外围电路285
5-6-5 一个良好的dsp开发软件286
5-7 新加坡商cypress 的第一个含有usb外围单片机287
5-7-1 usb接口简介291
5-7-2 新加坡cypress 的psoc单片机291
5-8 专为机电控制的tms320f24x dsp单片机简介294
5-9 练习..299
第6章 多重周期cpu的架构设计开发及模拟测试300
6-1 smcu的架构设计设置及模拟测试300
6-2 实际smcu 的40个指令以vhdl设计设置302
6-3 实际smcu 的测试程序编辑及其对应模拟波形314
6-4 smcu6的综合讨论322
6-5 加入一个16位乘或除16位运算的cpu324
6-5-1 以maxplus2的megawinzard plug瞚n manager建立乘除法器元件库325
6-5-2 引入乘除法器的电路描述326
6-5-3 引入乘除法器的电路模拟及测试330
6-6 讨论及实例332
第7章 mips单一执行周期cpu架构设计设置及模拟测试333
7-1 mips cpu的指令架构说明333
7-2 简化的mips cpu架构设计描述336
7-2-1 fetch取指指令运算描述337
7-2-2 decode指令解码运算描述339
7-2-3 control 控制信号的解码输出描述341
7-2-4 dmemory 数据寄存器的读写控制描述343
7-2-5 指令执行exe 的执行描述 344
7-2-6 完整的简化mips组构描述349
7-3 测试程序的编写356
7-4 在maxplus2的波形编辑模拟环境下作指令执行检测357
7-5 练习和实例363
第8章 流水线mips 设计及转移冒险的处理和测试365
8-1 简介365
8-2 mips流水线处理及设计描述367
8-2-1 mips流水线的取指fetch及程序计数器pc的运算370
8-2-2 mips流水线的指令解码id及寄存器内容的读写374
8-2-3 mips流水线的指令控制信号control输出电路设计描述378
8-2-4 mips流水线的指令执行execute电路设计描述381
8-2-5 mips流水线的数据存储器的读写控制dmemoryp电路设计描述386
8-2-6 mips流水线的整合描述mips2t.vhd的电路设计描述388
8-3 mips流水线cpu的功能模拟及检测394
8-4 流水线对应于数据序执行所产生的数据冒险(harzard)402
8-5 流水线数据冒险(harzard)自动处理的电路结构描述及检测408
8-5-1 在第4层的数据存储器读出lw运算流水线数据冒险自动处理416
8-5-2 如lw运算流水线数据冒险的stall寄存运算模拟测试421
8-6 练习与实例424
第9章 32位存储器及寄存器的流水线mips结构426
9-1 32位存储器及寄存器的流水线mips简介426
9-1-1 取指的ifetc2tt4.vhd的修改426
9-1-2 指令解码及寄存器的数据读写idecodtt4.vhd的修改427
9-1-3 数据存储器读写dmemoryt4.vhd的修改428
9-1-4 程序执行的executtt.vhd的修改428
9-1-5 主构mips4tt.vhd电路的描述430
9-1-6 程序执行模拟测试437
9-2 32位流水线及冒险处理的mips4tt.vhd电路特性443
9-3 lw运算流水线数据冒险做暂停stall处理444
9-4 练习与实例446
第10章 高级mcu结构分析及arm简介448
10-1 tms320c67x dsp单片机结构简介448
10-1-1 tms320c67x dsp单片机流水线运算结构简介451
10-1-2 tms320c6x 系列dsp单片机指令运算码455
10-2 当代极省电且为可变化指令架构的新一代cpu代表arm简介458
10-2-1 earm 7tdmi的特性458
10-2-2 arm 7tdmi的电路架构459
10-3 arm 7tdmi的指令运算架构462
10-4 arm 7tdmi的指令架构465
10-4-1 对应以2到3个运算寄存器作数据处理指令466
10-4-2 对应以寄存器作数据读写及寻址索引指令470
10-4-3 对应以寄存器进行半字符数据及带符号的数据读写及寻址索引指令474
10-4-4 寄存器群进行字符区块对应rn进行存储器间接寻址及索引内容数据读写475
10-4-5 以rn进行内存间接寻址读取数据写入rd后再被rm写入的swp指令478
10-4-6 arm的乘法器及其乘加器指令479
10-4-7 arm差值转移(branch),rx间接转移和pc连接(link)转移指令480
10-4-8 间接寻址内存数据与寄存器内容数据互换swp指令483
10-4-9 arm的软件中断swi指令483
10-4-10 arm的协同处理器(coprocessor)及其对应指令485
10-5 thumb 指令群488
10-5-1 thumb 的alu运算指令群491
10-5-2 thumb 的立即数据运算指令群493
10-5-3 thumb 的寄存器内容数据移位后的数据载存指令493
10-5-4 内存数据与寄存器内容数据载存指令495
10-5-5 以寄存器内容为内存寻址与寄存器内容作读写指令495
10-5-6 以sp(r13)内容为内存寻址与寄存器内容进行读写指令498
10-5-7 以sp(r13)或pc(r15)内容加上10位偏移值来设置寄存器指令499
10-5-8 连续的对应多个寄存器和内存执行数据存取和push/pop指令500
10-5-9 有条件和无条件的程序转移(branch)501
10-5-10 软件设置程序中断swi指令 503
10-6 涵盖arm的系统芯片soc简介503
10-6-1 atmel的at91m404xx系列嵌入式arm芯片504
10-6-2 ti的tms320vc5472系列嵌入式arm及dsp 54x系列soc芯片504
10-6-3 三星电子的ks320c5000系列嵌入式arm系统soc芯片507
10-7 练习...509
1-1 cpld设置cpu的hdl描述硬件结构说明2
1-1-1 cpld设置cpu的hdl使用lpm模块简介2
1-1-2 cpld设置cpu的hdl使用寄存器简介3
1-1-3 程序存储器的设置设计及取指(fetch)4
1-1-4 程序存储器的取指(fetch)7
1-1-5 cpu内部寄存器及数据的运算控制示意图7
1-1-6 cpu的hdl描述i/o设置及prom设置控制10
1-1-7 riscpu3.tdf完整电路描述11
1-2 riscpu3.tdf电路测试及模拟16
1-3 riscpu3结构特性讨论22
1-4 流水线处理结构的高速riscpu4简介24
1-4-1 riscpu4流水线的指令取指fetch/dec解码25
1-4-2 riscpu4流水线的运算单元读取及解码(op/rd)电路27
1-4-3 riscpu4流水线解码(op/rd)控制信号输出电路28
1-4-4 riscpu4流水线执行exe控制电路30
1-4-5 riscpu4流水线完整电路描述31
1-4-6 riscpu4流水线电路功能的模拟检测41
1-4-7 数据相依冒险的自动检测处理44
1-4-8 实例46
.1-4-9 结论47
第2章 灵活性指令码的单片机结构及开发模拟测试50
2-1 16位pd程序存储器44个精简指令risc单片机指令结构简介50
2-2 44个精简指令risc单片机的i/o构建及其与cpu的连接简介54
2-2-1 16位具输入比较和捕捉功能的计数计时器ctc 54
2-2-2 12位的脉冲宽调变pwm外围电路56
2-2-3 ppio外围电路及cntp16和pwm12 对应i/o寄存器寻址联结控制57
2-2-4 中断的处理及连接58
2-3 具有相当功能的单片机riscpu8电路设计与描述61
2-3-1 riscpu8.tdf的alu运算处理62
2-3-2 riscpu8.tdf的解码及控制control信号运算处理65
2-3-3 riscpu8.tdf的程序转移及寄存器数据回写wb运算处理66
2-4 riscpu8.tdf的完整程序描述处理69
2-5 riscpu8.tdf的程序编写及模拟测试80
2-6 riscpu8.tdf的程序编写及实例测试89
2-6-1 ep1k50tc1443主机板和sncplde3测试实验器介绍89
2-6-2 riscpu8的程序编写及实例测试91
第3章 soc及强化外围的单片机结构和开发模拟测试95
3-1 soc强化外围模块电路精简指令risc单片机简介95
3-2 硬件乘除法器及外加存储器的读写设置及连接和模拟测试95
3-2-1 硬件乘除法器的设计设置及连接95
3-2-2 外加存储器的读写控制设置及连接98
3-2-3 乘除法器及外加存储器的读写模拟测试100
3-2-4 精简指令riscpua的整体架构104
3-2-5 讨论105
3-3 键盘扫描及7段led显示和lcd字形显示器接口电路106
3-3-1 硬件键盘扫描接口电路的设计107
3-3-2 4位7段led扫描显示及硬件键盘扫描接口电路的连接112
3-3-3 lcd显示模块的驱动接口电路及其连接115
3-4 简易的vga屏幕显示控制接口电路125
3-4-1 简易的色条产生器(color bar generator)128
3-4-2 简易的字形显示器(character generator)129
3-5 简易串行非同步uart接口电路134
3-5-1 波特率产生器(baudrate generator)135
3-5-2 uart的发送tx控制电路138
3-5-3 uart的接收rx控制电路141
3-5-4 uart的整合电路146
3-6 i2c串行同步传输电路157
3-7 sci串行同步传输电路170
3-8 模拟比较器175
3-9 adc转换电路176
3-10 高速的adc转换读取及寄存181
3-10-1 adc的转换及读取控制设置181
3-10-2 adc转换读取并予解码扫描显示于7段led的控制183
3-10-3 高速的adc纪录储存后予以输出显示控制185
3-11 电路的测试及实例188
3-12 结论193
第4章 jtag及dma和qep,db死区接口电路194
4-1 jtag接口电路简介194
4-1-1 jtag的边界电路扫描(boundary scan)194
4-1-2 jtag的电路结构198
4-1-3 简易的jtag的电路结构设置设计和模拟200
4-2 直接存储器读写dma(direct memory access)接口电路212
4-3 四象限编码器qep检测及死区(dead band)控制接口电路226
4-3-1 四象限编码器qep(quard encoder port)检测226
4-3-2 死区(dead band)控制设置电路230
4-3-3 四象限编码器qep(quard encoder port)检测计数接口电路232
4-4 实验测试与实例236
第5章 通用型单片机指令架构分析及特性简介239
5-1 通用型单片机239
5-2 改良型8051单片机系列239
5-3 强化型risc avr单片机系列241
5-4 全世界8位mcu居于第二位的pic系列产品248
5-4-1 含有模拟放大器opa及dac接口的特殊pic单片机252
5-4-2 含有can及adc,pwm控制运算的mcu单片机254
5-4-3 具有dsp的运算的dsp mcu单片机256
5-5 ti单片机msp430芯片系列268
5-5-1 msp430f14x的电路结构简介269
5-5-2 msp430f14x的指令模态结构简介270
5-5-3 msp430f14x特殊外围电路简介277
5-6 dsp单片机龙头ti的tms320c54x系列279
5-6-1 tms320c542的cpu结构280
5-6-2 tms320c542寻址模式及其对应数据转载指令格式分析和分类282
5-6-3 tms320c54x的流水线(pipeline)指令运算284
5-6-4 tms320c54x的外围电路285
5-6-5 一个良好的dsp开发软件286
5-7 新加坡商cypress 的第一个含有usb外围单片机287
5-7-1 usb接口简介291
5-7-2 新加坡cypress 的psoc单片机291
5-8 专为机电控制的tms320f24x dsp单片机简介294
5-9 练习..299
第6章 多重周期cpu的架构设计开发及模拟测试300
6-1 smcu的架构设计设置及模拟测试300
6-2 实际smcu 的40个指令以vhdl设计设置302
6-3 实际smcu 的测试程序编辑及其对应模拟波形314
6-4 smcu6的综合讨论322
6-5 加入一个16位乘或除16位运算的cpu324
6-5-1 以maxplus2的megawinzard plug瞚n manager建立乘除法器元件库325
6-5-2 引入乘除法器的电路描述326
6-5-3 引入乘除法器的电路模拟及测试330
6-6 讨论及实例332
第7章 mips单一执行周期cpu架构设计设置及模拟测试333
7-1 mips cpu的指令架构说明333
7-2 简化的mips cpu架构设计描述336
7-2-1 fetch取指指令运算描述337
7-2-2 decode指令解码运算描述339
7-2-3 control 控制信号的解码输出描述341
7-2-4 dmemory 数据寄存器的读写控制描述343
7-2-5 指令执行exe 的执行描述 344
7-2-6 完整的简化mips组构描述349
7-3 测试程序的编写356
7-4 在maxplus2的波形编辑模拟环境下作指令执行检测357
7-5 练习和实例363
第8章 流水线mips 设计及转移冒险的处理和测试365
8-1 简介365
8-2 mips流水线处理及设计描述367
8-2-1 mips流水线的取指fetch及程序计数器pc的运算370
8-2-2 mips流水线的指令解码id及寄存器内容的读写374
8-2-3 mips流水线的指令控制信号control输出电路设计描述378
8-2-4 mips流水线的指令执行execute电路设计描述381
8-2-5 mips流水线的数据存储器的读写控制dmemoryp电路设计描述386
8-2-6 mips流水线的整合描述mips2t.vhd的电路设计描述388
8-3 mips流水线cpu的功能模拟及检测394
8-4 流水线对应于数据序执行所产生的数据冒险(harzard)402
8-5 流水线数据冒险(harzard)自动处理的电路结构描述及检测408
8-5-1 在第4层的数据存储器读出lw运算流水线数据冒险自动处理416
8-5-2 如lw运算流水线数据冒险的stall寄存运算模拟测试421
8-6 练习与实例424
第9章 32位存储器及寄存器的流水线mips结构426
9-1 32位存储器及寄存器的流水线mips简介426
9-1-1 取指的ifetc2tt4.vhd的修改426
9-1-2 指令解码及寄存器的数据读写idecodtt4.vhd的修改427
9-1-3 数据存储器读写dmemoryt4.vhd的修改428
9-1-4 程序执行的executtt.vhd的修改428
9-1-5 主构mips4tt.vhd电路的描述430
9-1-6 程序执行模拟测试437
9-2 32位流水线及冒险处理的mips4tt.vhd电路特性443
9-3 lw运算流水线数据冒险做暂停stall处理444
9-4 练习与实例446
第10章 高级mcu结构分析及arm简介448
10-1 tms320c67x dsp单片机结构简介448
10-1-1 tms320c67x dsp单片机流水线运算结构简介451
10-1-2 tms320c6x 系列dsp单片机指令运算码455
10-2 当代极省电且为可变化指令架构的新一代cpu代表arm简介458
10-2-1 earm 7tdmi的特性458
10-2-2 arm 7tdmi的电路架构459
10-3 arm 7tdmi的指令运算架构462
10-4 arm 7tdmi的指令架构465
10-4-1 对应以2到3个运算寄存器作数据处理指令466
10-4-2 对应以寄存器作数据读写及寻址索引指令470
10-4-3 对应以寄存器进行半字符数据及带符号的数据读写及寻址索引指令474
10-4-4 寄存器群进行字符区块对应rn进行存储器间接寻址及索引内容数据读写475
10-4-5 以rn进行内存间接寻址读取数据写入rd后再被rm写入的swp指令478
10-4-6 arm的乘法器及其乘加器指令479
10-4-7 arm差值转移(branch),rx间接转移和pc连接(link)转移指令480
10-4-8 间接寻址内存数据与寄存器内容数据互换swp指令483
10-4-9 arm的软件中断swi指令483
10-4-10 arm的协同处理器(coprocessor)及其对应指令485
10-5 thumb 指令群488
10-5-1 thumb 的alu运算指令群491
10-5-2 thumb 的立即数据运算指令群493
10-5-3 thumb 的寄存器内容数据移位后的数据载存指令493
10-5-4 内存数据与寄存器内容数据载存指令495
10-5-5 以寄存器内容为内存寻址与寄存器内容作读写指令495
10-5-6 以sp(r13)内容为内存寻址与寄存器内容进行读写指令498
10-5-7 以sp(r13)或pc(r15)内容加上10位偏移值来设置寄存器指令499
10-5-8 连续的对应多个寄存器和内存执行数据存取和push/pop指令500
10-5-9 有条件和无条件的程序转移(branch)501
10-5-10 软件设置程序中断swi指令 503
10-6 涵盖arm的系统芯片soc简介503
10-6-1 atmel的at91m404xx系列嵌入式arm芯片504
10-6-2 ti的tms320vc5472系列嵌入式arm及dsp 54x系列soc芯片504
10-6-3 三星电子的ks320c5000系列嵌入式arm系统soc芯片507
10-7 练习...509
CPU/SOC及外围电路应用设计:基于FPGA/CPLD
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