基于Quartus II的计算机组成与体系结构综合实验教程 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:科学

作者:杨军

出品人:

页数:202

译者:

出版时间:2011-1

价格:28.00元

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isbn号码:9787030299239

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《数字系统设计与FPGA实践指南》 前言 本书旨在为数字电子技术、计算机组成原理和嵌入式系统领域的学习者提供一本全面且实用的实践教程。随着集成电路技术，特别是现场可编程门阵列（FPGA）技术的飞速发展，掌握现代数字系统设计流程和工具已成为电子工程师和计算机科学专业学生必备的核心技能。本书聚焦于如何利用业界主流的硬件描述语言（HDL）和相应的开发环境，将抽象的数字逻辑设计转化为实际可运行的硬件电路。我们深信，通过大量的动手实践，才能真正理解和掌握复杂数字系统的设计精髓。 第一部分：数字逻辑基础与HDL入门 本部分将系统性地回顾数字电子技术的基础理论，并引入硬件描述语言（HDL）作为描述和设计数字电路的强大工具。 第一章：数字逻辑回顾与设计基础 本章首先对布尔代数、逻辑门、组合逻辑电路（如加法器、译码器、多路选择器）和时序逻辑电路（如触发器、寄存器、计数器）进行快速但深入的回顾。重点在于理解这些基本模块的功能和结构。随后，介绍数字系统设计的抽象层次——从门级到寄存器传输级（RTL）的演进。讨论设计中常见的规范化方法，包括状态图和时序图的绘制，这些是后续HDL编码的蓝图。 第二章：VHDL/Verilog基础语法与结构 选择业界最常用的两种HDL——VHDL和Verilog HDL作为教学语言。本章详细讲解两种语言的基本语法结构，包括数据类型、运算符、赋值语句和结构化语句（如`if-then-else`、`case`）。重点强调并发赋值（`assign`）和过程赋值（`always`/`process`）的区别及其在硬件描述中的意义。同时，讲解如何使用“库”（`library`）和“包”（`package`）来组织和重用代码。 第三章：描述组合逻辑电路 本章专注于使用HDL实现组合逻辑电路。我们将通过具体实例，如全加器、比较器、优先编码器等，展示如何将真值表或逻辑表达式精确地翻译成HDL代码。特别地，会深入探讨在HDL中描述多路选择器和译码器时，如何选择最简洁、最易于综合（Synthesis）的编码风格。这一部分会强调，HDL不仅仅是编程语言，更是对硬件结构的精确描述。 第四章：描述时序逻辑电路 时序电路的设计是数字系统设计的核心难点之一。本章详细讲解如何使用HDL描述带有存储单元的电路，如D触发器、JK触发器、移位寄存器和通用异步/同步计数器。重点剖析同步设计的重要性，包括时钟域（Clock Domain）的概念、建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）对硬件实现的影响。通过对有限状态机（FSM）的完整建模，展示如何使用两种主流风格——Moore模型和Mealy模型——进行代码实现和仿真验证。 第二部分：FPGA设计流程与工具链实践 本部分将引导读者熟悉基于FPGA的完整设计流程，从代码编写到最终的硬件烧写和验证。 第五章：FPGA硬件架构概览 在动手实践之前，必须了解目标平台的硬件结构。本章介绍主流FPGA器件的内部结构，包括可配置逻辑块（CLB/Logic Cell）、查找表（LUT）、触发器、布线资源、以及专用的高速乘法器（DSP Slice）和块RAM（BRAM）。理解这些资源如何映射HDL描述的逻辑，是优化设计性能的关键。 第六章：综合、布局布线与时序分析 这是将RTL代码转化为实际电路比特流的关键步骤。本章详细阐述综合（Synthesis）过程，包括如何确保HDL代码能够被正确地映射到目标FPGA的原语上。随后，讲解布局布线（Place & Route）的概念，即逻辑单元在芯片上的物理放置和互连。更重要的是，本章将引入静态时序分析（STA），解释如何解读时序报告，识别关键路径，并学会通过约束（Constraints）文件（如XDC/UCF）来指导工具优化设计，以满足特定的工作频率要求。 第七章：仿真与验证方法学 硬件设计的调试成本远高于软件。本章强调仿真在设计验证中的核心地位。介绍基于测试平台（Testbench）的设计验证流程，如何编写测试向量、激励信号和检查输出结果。我们将探讨不同层次的仿真，包括功能仿真和后布局仿真（Post-Place & Route Simulation），确保设计在不同阶段的正确性。 第三部分：中大型数字系统模块设计 本部分将综合前述知识，设计并实现一些复杂但常见的系统级模块，为构建完整的计算机系统打下基础。 第八章：存储器接口与数据通路设计 本章专注于数据在系统中的高效传输。设计同步和异步SRAM/ROM的访问控制器，包括地址生成、读写控制和数据缓冲逻辑。实现数据通路中的关键组件，如流水线寄存器、桶形移位器和并行乘法器单元。重点讨论如何利用FPGA内部的BRAM资源，以及如何编写高效的HDL代码以适配这些特定资源。 第九章：总线接口与通信协议实现 现代数字系统离不开标准接口。本章将实现几个基础的片上通信协议控制器。内容包括：I2C协议的Master/Slave控制器设计、SPI协议的灵活实现，以及异步串行通信（UART）的发送和接收模块。对于每个协议，都将详细分析时序要求，并展示如何通过状态机来驱动协议的时序状态。 第十章：面向高性能的流水线设计 本章探讨如何突破组合逻辑的延迟限制，通过引入流水线（Pipelining）技术来提升系统的工作频率。以一个简单的ALU运算模块为例，展示如何将一个长组合路径切分为多个阶段的寄存器，从而实现更高的系统时钟频率。分析流水线带来的吞吐量提升、延迟增加以及设计中的冒险（Hazard）处理问题。 结语 本书的结构设计遵循“理论先行、实践驱动”的原则，从最基础的逻辑单元开始，逐步过渡到复杂的系统级模块实现。通过对主流FPGA工具链的深入操作和对核心数字模块的亲手构建，读者将不仅掌握HDL编程技巧，更能培养出严谨的硬件设计思维，为未来从事嵌入式开发、ASIC设计或高性能计算领域的工作奠定坚实的基础。

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《基于Quartus II的计算机组成与体系结构综合实验教程》这个书名，让我觉得它是一本集理论与实践于一体的绝佳教材。对于很多计算机专业的学生来说，计算机组成原理和体系结构是核心课程，但往往因为脱离了硬件的实际运作，学习起来比较吃力，也缺乏成就感。这本书将Quartus II——一个强大的FPGA开发平台——与计算机组成原理和体系结构相结合，我认为这是非常有创意的。我期待书中能够通过大量的实验，让抽象的概念变得触手可及。比如，在讲到CPU设计时，我希望能有详细的实验指导，让我们从设计一个简单的寄存器文件开始，然后构建ALU，设计指令译码器和控制器，最终组装成一个能执行基本指令集的CPU。我希望这些实验能使用Verilog或VHDL等硬件描述语言，并且能够利用Quartus II进行仿真和时序分析，甚至是在FPGA板上进行实际运行。我还很想知道书中会如何处理指令流水线的设计。流水线是现代CPU提高性能的关键技术，但其原理涉及到数据冒险、控制冒险等复杂问题。我期望这本书能设计一些实验，让我们能够模拟这些冒险，理解它们是如何发生的，以及如何通过技术手段（如转发、气泡插入、分支预测等）来解决。此外，内存系统也是计算机体系结构的重要组成部分。我希望书中能够有关于缓存设计、虚拟内存管理的实验。例如，设计一个简单的两级缓存控制器，观察缓存命中率的变化；或者模拟一个TLB（Translation Lookaside Buffer），理解地址翻译的过程。这些实验不仅能加深我们对理论知识的理解，还能培养我们的硬件设计能力和解决实际问题的能力。这本书的“综合实验教程”这几个字，让我看到了它不仅是教我们“是什么”，更是教我们“怎么做”。

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《基于Quartus II的计算机组成与体系结构综合实验教程》这个书名，让我眼前一亮，仿佛看到了一个通往计算机底层奥秘的窗口。我一直对计算机是如何工作的，CPU内部到底发生了什么，内存是如何组织和访问的这些问题充满好奇，但传统的理论书籍往往显得枯燥乏味，难以形成直观的认识。这本书引入Quartus II这一强大的FPGA开发工具，则为解决这个问题提供了绝佳的方案。我非常期待书中能够将抽象的计算机组成原理概念，通过生动形象的FPGA实验展现出来。例如，在讲解组合逻辑时，我希望书中能够指导我们如何用Verilog/VHDL语言编写代码，然后在Quartus II中实现各种逻辑门、加法器、多路选择器等，并通过仿真验证其正确性。在讲解时序逻辑时，我希望能够指导我们设计D触发器、寄存器文件、简单的状态机控制器，甚至是一个完整的ALU。更进一步，我期待书中能够引导我们设计一个简单的CPU，包括指令存储器、数据存储器、控制器、ALU等模块，并将其集成起来，实现对MIPS或RISC-V等指令集的模拟执行。我还对书中关于内存层次结构的设计实验非常感兴趣。例如，如何设计一个简单的缓存控制器，模拟缓存的读写过程，观察命中率的变化，从而深刻理解缓存的作用和重要性。或者，如何设计一个简单的虚拟内存管理单元，理解地址转换和页面置换的过程。这些实验如果能够辅以详细的步骤和清晰的图示，再加上Quartus II强大的仿真和调试功能，我相信我们能够真正地“玩转”计算机组成原理。这本书的“综合实验教程”字样，也让我充满了对它能够将各个模块融会贯通，带领我们构建一个完整系统的期待。

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说实话，当我第一次看到这本书的名字《基于Quartus II的计算机组成与体系结构综合实验教程》时，我的第一反应是“终于来了！”。我之前接触过一些计算机组成原理的书籍，理论讲得非常透彻，但总觉得隔靴搔痒，缺乏一种亲手构建的实在感。特别是像CPU设计、存储器管理这些核心内容，光看图和文字，很难真正领会其精髓。而这本书恰恰抓住了这一点，它把Quartus II这个强大的FPGA开发工具引入进来，这简直是为我们这些渴望实践的学生量身定制的。我猜想，这本书的实验部分会非常丰富，从最基础的逻辑门电路搭建，到复杂的ALU、寄存器堆、控制器设计，再到最终构成一个完整CPU，都会有详细的指导。我尤其好奇它会如何讲解RISC-V或者MIPS这样的指令集体系结构，是否会提供一套完整的Verilog/VHDL代码模板，让我们能够一步步修改和完善，最终在FPGA上运行我们自己设计的指令。我还期望书中能涵盖一些高级的主题，比如流水线技术，如何通过实验来理解指令冲突、数据冒险、控制冒险，以及如何利用乱序执行、分支预测等技术来提高CPU的性能。当然，内存系统也是计算机体系结构中不可或缺的一部分，我希望书中会有关于DRAM控制器、SRAM设计、甚至是简单的虚拟内存实现的实验。通过实际操作，我们能够更深刻地理解内存延迟、带宽以及缓存一致性等问题，这对于我们将来从事硬件设计或者嵌入式开发都会有巨大的帮助。这本书的“教程”二字，也暗示了它会有循序渐进的学习路径，不会一开始就抛出过于复杂的概念，而是会由浅入深，带领我们逐步掌握每一个环节。

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这本书的名字《基于Quartus II的计算机组成与体系结构综合实验教程》让我感到非常兴奋，因为它直接点出了我一直以来学习的痛点——理论与实践的脱节。计算机组成原理和体系结构是理解计算机运作的关键，但很多时候，我们只能停留在书本的理论层面，无法真正地“看到”和“感受到”这些概念是如何在硬件上实现的。Quartus II作为FPGA开发的领军工具，它的应用使得将理论转化为实际电路设计成为可能。我非常期待这本书能够提供详尽的实验指导，带领我们从最基本的数字逻辑门电路开始，逐步构建复杂的计算机部件。例如，我希望它能指导我们如何使用Verilog或VHDL语言，在Quartus II环境中设计并仿真一个算术逻辑单元（ALU），实现各种逻辑和算术运算。然后，我期待它能够引导我们设计寄存器文件，包括读写端口的设计，以及如何与ALU协同工作。更进一步，我希望书中能够讲解指令集的概念，比如RISC-V或MIPS，并指导我们如何设计指令译码器和控制器，从而构建一个能够执行简单指令的CPU。我还对书中关于内存系统和I/O接口的设计实验充满期待。比如，如何设计一个简单的SRAM控制器，如何实现一个基本的DMA控制器，或者如何设计一个串口通信模块。这些实验将使我们对计算机的各个组成部分有一个全面的认识，并且能够理解它们之间的相互作用。这本书的“综合实验教程”这几个字，让我看到了它不仅仅是关于单个模块的实验，更是关于如何将这些模块整合，构建一个功能完整的计算机系统的指导。

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《基于Quartus II的计算机组成与体系结构综合实验教程》这个书名，让我这个对计算机底层运行原理一直充满好奇的学生，瞬间燃起了浓厚的兴趣。我一直觉得，计算机组成原理和体系结构虽然是计算机科学的核心，但其抽象的理论往往难以让初学者建立起直观的认识。而这本书巧妙地将Quartus II这一强大的FPGA开发工具引入，这为我们提供了一个绝佳的实践平台。我非常希望这本书能提供一系列由浅入深的实验，带领我们一步步构建一个完整的计算机系统。例如，在讲解数字逻辑基础时，我希望书中能够指导我们如何利用Quartus II和HDL语言，设计并仿真各种组合逻辑电路，如编码器、译码器、加法器，以及时序逻辑电路，如触发器、寄存器。随后，我期待它能够引导我们设计一个算术逻辑单元（ALU），这是CPU的核心部件之一，并将其与寄存器文件组合起来。更进一步，我希望书中能讲解如何设计一个指令译码器和控制器，以及如何将这些模块整合，构建一个能够执行简单指令集的CPU。我特别希望书中能涵盖流水线技术。流水线是提升CPU性能的关键，而理解其中的数据冒险、控制冒险以及如何解决这些问题，往往是学习的难点。我期待书中能通过实验，让我们直观地感受这些问题，并学习如何用转发、分支预测等技术来优化性能。此外，内存系统也是计算机体系结构的重要组成部分，我希望书中能够有关于缓存设计、虚拟内存管理的实验。比如，设计一个简单的缓存控制器，观察命中率的变化；或者模拟一个TLB，理解地址翻译的过程。通过这些实践，我相信我们能够更深入地理解计算机体系结构中的各种设计权衡和优化策略。

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看到《基于Quartus II的计算机组成与体系结构综合实验教程》这个书名，我的第一反应就是“终于有这样一本能让我亲手操作的书了！”。长久以来，计算机组成原理和体系结构这些核心课程，虽然听起来很高大上，但实际学习过程中，往往只能停留在文字和图纸的理解层面，很难有那种“动手实践出真知”的畅快感。Quartus II作为FPGA设计的利器，它的引入让我看到了将理论转化为现实的可能性。我非常期待这本书能为我们提供一系列循序渐进的实验项目。从最基础的逻辑门电路设计，到ALU的构建，再到寄存器堆、控制器、指令译码器的实现，乃至最终组成一个能够执行简单指令集的CPU。我希望这些实验都能利用Verilog或VHDL语言，并能通过Quartus II的仿真功能进行充分的验证。而且，我尤其关注书中对于指令流水线设计的讲解。流水线是提升CPU性能的关键，但其背后的数据冒险、控制冒险等概念，在理论上理解起来并不容易。我希望书中能设计一些直观的实验，让我们能够模拟这些冒险的发生，并学习如何通过转发、气泡插入、分支预测等技术来解决。另外，内存系统也是计算机体系结构不可或缺的一部分，我希望书中能有关于缓存设计、虚拟内存管理的实验。比如，设计一个简单的两级缓存控制器，观察缓存的命中率如何影响性能；或者模拟一个TLB，理解虚拟地址到物理地址的转换过程。这些实验如果能清晰地指导我们如何使用Quartus II进行设计、仿真和综合，甚至是如何下载到FPGA板上运行，那将是无价的学习经历。

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这本书的名字《基于Quartus II的计算机组成与体系结构综合实验教程》让我充满了好奇和期待。我一直觉得，计算机组成原理和体系结构这两个领域，虽然在理论上非常重要，但往往因为缺乏实践的载体而显得有些枯燥和抽象。许多学生在学习时，往往停留在理解CPU的指令集、寄存器、内存等概念的层面，但很难将这些概念与实际的硬件设计联系起来。这本书的出现，恰恰弥补了这一空白。Quartus II作为业界领先的FPGA开发套件，为实现复杂的数字逻辑设计提供了强大的平台。我非常希望这本书能充分利用Quartus II的优势，为我们提供一系列精心设计的实验项目。例如，在讲解组合逻辑时，我希望书中能够指导我们如何利用Quartus II的HDL（硬件描述语言）功能，实现各种基础逻辑门、加法器、减法器，甚至是一个完整的算术逻辑单元（ALU）。在讲解时序逻辑时，我希望能够指导我们设计D触发器、寄存器、计数器，以及如何构建一个简单的状态机控制器。更重要的是，我期待书中能够将这些基础模块有机地结合起来，引导我们设计一个能够执行简单指令的CPU。我设想，书中可能会有一个实验是设计一个简单的取指、译码、执行的流水线，让我们能够直观地理解流水线的工作原理以及其中可能出现的各种问题，例如数据冒险和控制冒险。我还希望书中能深入讲解内存系统，比如如何设计一个简单的SRAM控制器，如何模拟DRAM的时序，以及如何实现一个基础的内存管理单元。通过这些实验，我坚信我们能够更深刻地理解计算机体系结构中的各种权衡和设计决策，比如指令集的设计、流水线深度、缓存策略等，这些知识对于我们未来从事硬件开发、嵌入式系统设计、甚至是在操作系统层面进行性能优化都将具有重要的指导意义。

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这本书的名字听起来就让人眼前一亮，"基于Quartus II的计算机组成与体系结构综合实验教程"。作为一个对计算机底层原理充满好奇的学生，我一直觉得理论知识固然重要，但如果能亲手实践，把那些抽象的概念变成看得见摸得着的电路和程序，学习效果一定会事半功倍。Quartus II这个名字我听说过，是FPGA开发中非常主流的EDA工具，所以这本书能将它和计算机组成原理结合起来，让我对它充满了期待。我脑海中浮现出无数个可能性：书中会不会详细讲解如何使用Quartus II来设计各种逻辑门，搭建基础的算术逻辑单元（ALU），甚至是构建一个简单的CPU流水线？我特别希望它能提供一些清晰的步骤，指导我们如何从零开始，一步步地将理论转化为可执行的代码，然后通过仿真和硬件调试来验证我们的设计。例如，在讲解指令集架构（ISA）时，会不会有章节指导我们如何用Verilog或VHDL语言来实现一个自定义的指令集，并将其部署到FPGA上运行？这对我来说将是极大的挑战，也是一次宝贵的学习经历。同时，计算机体系结构中的一些关键概念，比如存储器层次结构、中断机制、I/O接口等，如果也能通过实验的形式来呈现，那将是多么直观和深刻的理解啊！我设想，书中可能会有实验项目，让我们设计一个缓存控制器，模拟缓存的读写过程，观察命中率的变化，从而理解缓存的作用和优化方法。又或者，通过实验来模拟中断发生的过程，学习中断向量表的构建和中断服务程序的编写，这对于理解操作系统的工作原理至关重要。这本书的“综合实验教程”这几个字，让我看到了它不仅仅是一本理论书，更是一本实践指南，我迫不及待地想翻开它，开始我的探索之旅，用自己的双手去构建一个完整的计算机系统。

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《基于Quartus II的计算机组成与体系结构综合实验教程》这个书名，一下子就抓住了我学习的重点和兴趣所在。我一直觉得，计算机组成原理和体系结构这些学科，虽然在理论层面很重要，但如果没有实践的支撑，往往会让人觉得枯燥乏味，难以深刻理解。这本书引入了Quartus II这个在FPGA设计领域非常流行的工具，这让我看到了将抽象的理论转化为具体硬件实现的巨大潜力。我迫切希望这本书能够提供一套系统的、由易到难的实验项目。我设想，它会从最基础的逻辑门电路设计开始，然后逐步过渡到算术逻辑单元（ALU）的设计，包括加法器、减法器、逻辑运算等。接下来，我期望它能够指导我们设计寄存器文件、指令译码器和控制器，从而能够实现一个简单的CPU。尤其令我兴奋的是，如果书中能够讲解指令流水线的设计，那将是极大的福音。理解流水线中的数据冒险、控制冒险以及如何解决这些问题，是提升CPU性能的关键。我希望通过Quartus II的仿真功能，能够直观地看到这些冒险的发生和解决过程。此外，我也非常期待书中能够涉及内存系统的实验，比如缓存的设计与仿真，以及虚拟内存的基本概念和实现。这些实验将帮助我深入理解计算机体系结构中的各种设计决策，例如指令集架构的选择、流水线深度、缓存策略等。这本书的“综合实验教程”几个字，预示着它不仅仅是零散的实验集合，而是能够带领我们一步步构建一个相对完整的计算机系统，这对我来说将是极其宝贵的学习体验。

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我看到《基于Quartus II的计算机组成与体系结构综合实验教程》这个名字，就感觉这不仅仅是一本书，而是一条通往深入理解计算机运作的捷径。作为一名计算机科学的学生，我深知计算机组成原理和体系结构是构建整个计算体系的基石，但传统的教学方式往往停留在理论层面，让许多学生望而却步，难以真正体会其中的精妙之处。而这本书引入了Quartus II这一强大的FPGA开发工具，这无疑为我们提供了一个绝佳的实践平台。我迫不及待地想看到书中如何利用Quartus II来讲解CPU的设计。我设想，它会从最基本的逻辑门开始，逐步引导我们设计寄存器、ALU，然后是指令译码器和控制器，最终构成一个能够执行简单指令集的CPU。我特别期待它能提供一套完整的Verilog或VHDL代码框架，让我们能够在此基础上进行修改和扩展，实现诸如流水线、乱序执行、分支预测等高级的CPU设计技术。当然，计算机体系结构不仅仅是CPU。内存系统也是其核心。我希望书中会有关于缓存设计、虚拟内存实现、DMA控制器设计的实验。通过实际操作，我能够更直观地理解缓存的工作原理、命中率的影响因素，以及虚拟内存如何扩展物理内存的容量和实现内存保护。我还期望书中能讲解I/O系统，比如如何设计一个简单的串口通信模块，或者如何通过FPGA来控制外设。这些实验项目如果能清晰地列出实验目标、实验步骤、预期结果以及详细的分析，那将是对我们非常有价值的学习资源。这本书的“综合实验教程”几个字，暗示了它将把各个模块融会贯通，让我们能够构建一个相对完整的计算机系统，这对于培养我们的系统设计思维至关重要。

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