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第1篇 环境篇 3

第1章 实验软件环境的安装与配置 3

1.1 ModelSim的安装配置 3

1.2 Vivado的安装配置 7

1.3 Vivado和ModelSim关联 13

第2篇 工具软件篇 19

第2章 工具软件的主要功能 19

2.1 Xilinx FPGA器件 19

2.2 Vivado设计流程 20

2.2.1 利用Vivado进行功能仿真 22

2.2.2 设计综合 25

2.2.3 工程实现 27

2.3 ModelSim基本使用 29

2.3.1 新建ModelSim库 30

2.3.2 创建工程 31

第3篇 应用篇 35

第3章 单周期CPU的设计与实现 35

3.1 实验介绍 35

3.2 总体设计 35

3.2.1 指令格式 35

3.2.2 总体数据通路 38

3.3 主要模块设计 40

第4章 简单的流水线CPU设计 47

4.1 实验内容 47

4.2 实现目标 47

4.3 流水线CPU介绍与设计 47

4.3.1 CPU顶层视图 47

4.3.2 指令集 47

4.3.3 五级流水线 49

第5章 静态流水线的设计、分析与验证 64

5.1 静态流水线的基本原理 64

5.2 实验介绍 65

5.3 实验设计 66

5.3.1 静态流水线的总体结构 66

5.3.2 总体架构部件的解释说明 68

5.3.3 实验仿真过程波形图及某时刻寄存器值的物理意义 87

5.4 实验验证 88

5.4.1 算法流程图 88

5.4.2 汇编程序 89

5.5 流水线的性能指标定性分析（包括吞吐率、加速比、效率及相关与冲突分析） 90

第6章 动态流水线的设计、分析与验证 94

6.1 动态流水线的基本原理 94

6.2 实验介绍 95

6.3 实验设计 95

6.3.1 动态流水线的总体结构 96

6.3.2 实验仿真过程波形图及某时刻寄存器值的物理意义 116

6.4 实验验证 116

6.4.1 算法流程图 116

6.4.2 汇编程序 118

6.5 流水线的性能指标定性分析（包括吞吐率、加速比、效率及相关与冲突分析） 119

第4篇 综合应用篇 127

第7章 三级存储结构的设计、实现与验证 127

7.1 三级存储的基本原理 127

7.2 实验描述 127

7.2.1 总体框架 127

7.2.2 实验具体要求 128

7.3 系统设计与实现 129

7.3.1 系统设计整体模块图 129

7.3.2 三级存储子系统设计 130

7.3.3 系统工作数据流说明 131

7.3.4 具体模块实现 132

7.4 实验验证 153

7.4.1 验证程序 153

7.4.2 从U盘下板 153

7.4.3 SD卡写入程序测试 154

7.4.4 中途更换SD卡测试 155

参考文献 156

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