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  • 计算机组成原理在线实验教程:FPGA远程实验平台教学与实践

  • 出版社:清华大学出版社京东自营官方旗舰店
  • 出版时间:2019-12
  • 热度:11469
  • 上架时间:2024-06-30 09:38:03
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内容介绍

产品特色

编辑推荐

《计算机组成原理在线实验教程:FPGA远程实验平台教学与实践》针对计算机组成原理实践环节涉及的实验平台、交互方式、实验内容进行了改进,以更好地适应系统能力培养的需求。

(1)实验平台方面。介绍了“线上线下结合、课内课外一体化”的实验环境。

(2)交互方式方面。介绍了采用Python程序与所设计的硬件模块进行交互的方式。以“软件定义交互”突破实验平台物理I/O的局限,在提升交互便利性的同时可锻炼学生的软硬件协同设计能力。

(3)实验内容方面。考虑到硬件开源开放的背景,本书实验内容由浅入深,最终介绍如何基于RISC-V及开源项目进行实验,以使学生所学内容在将来可以更好地和企业界进行对接。


内容简介

  《计算机组成原理在线实验教程:FPGA远程实验平台教学与实践》以线上线下结合的方式,使用FPGA平台完成数字电路及计算机组成原理实验,并用Python编程的方式与自己设计的硬件系统交互,来进行系统验证与调试。
  《计算机组成原理在线实验教程:FPGA远程实验平台教学与实践》包含三大部分内容:首先是实验所用的软硬件工具和平台;其次是实验设计方法;最后介绍实验内容安排的建议。
  《计算机组成原理在线实验教程:FPGA远程实验平台教学与实践》中主要讲述了PYNQ平台与基于Python的软硬件交互、Vivado开发工具、硬件描述语言简介、RISC-V开源项目及组成原理实验内容建议等。
  《计算机组成原理在线实验教程:FPGA远程实验平台教学与实践》可用作高等院校计算机类、电子信息类专业的数字电路与组成原理相关课程的实验教材,也可作为FPGA及嵌入式系统软硬件学习的参考用书。

作者简介

  柴志雷,江南大学物联网工程学院副教授、研究生导师,获复旦大学计算机系统结构方向博士学位。中国计算机学会体系结构专业委员会及嵌入式系统专业委员会委员,江苏省计算机教育专委会副主任。长期从事计算机系统结构方面的教学与科研工作,研究兴趣为新型计算机体系结构、FPGA可重构计算。承担了国家自然科学基金、科技委创新特区、无锡市物联网专项资金等科研项目,教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会“系统能力培养”课程建设试点院校项目、Xilinx-教育部产学合作教学改革项目等教学项目。研究成果在FPGA、FPL、FPT、ACMTACO等FPGA会议与期刊发表学术论文30余篇,获得授权发明专利4项。研究成果还在美国安富利公司香港研发中心、上海电气集团机器人实验室等单位得到应用,获得中国商业联合会科技进步一等奖1项。

内页插图

目录

第1章 PYNQ开发平台介绍
1.1 PYNQ开发板
1.1.1 PYNQZl
1.1.2 PYNQ22
1.2 Zynq7020芯片
1.3 PYNQ框架
1.4 PYNQ平台的使用

第2章 实验环境的准备
2.1 线下方式实验环境的准备
2.1.1 在本机安装Vivado软件
2.1.2 PYNQ板卡的准备
2.1.3 使用JupyterNotebook与PYNQ建立连接
2.2 线上方式实验环境的准备

第3章 基于PYNQ的组成原理实验流程概览
3.1 整体开发流程介绍
3.2 Vivado开发流程概览
3.3 基于Python的硬件交互

第4章 Vivado开发流程
4.1 创建工程
4.2 设计输入
4.2.1 原理图方式
4.2.2 Verilog/VHDL方式
4.3 仿真
4.4 综合
4.5 引脚绑定(I/O处理)
4.5.1 物理引脚的绑定
4.5.2 与监控模块(PS)的连接
4.6 实现
4.7 TCI.使用介绍
4.8 实例演示
4.8.1 原理图方式
4.8.2 Verilog方式

第5章 基于Python的I/O交互
5.1 JupyterNotebook介绍
5.1.1 Jupyter组件
5.1.2 Notebook基础
5.1.3 Notebook用户界面
5.2 使用PYNQOverlay加载流文件
5.3 Python引脚绑定
5.4 基于Python调试组合逻辑
5.5 基于Python调试时序逻辑
5.6 实例演示
5.6.1 上传.bit和.tcl文件
5.6.2 基于Python的I/O交互

第6章 硬件描述语言简介
6.1 “模块”的描述
6.1.1 输入/输出端口说明
6.1.2 数据对象和数据类型
6.1.3 顺序语句与并行语句
6.2 模块基本用法示例
6.2.1 八位乘法器
6.2.2 译码器
6.2.3 八位二进制比较器
6.2.4 JK触发器设计
6.3 层次化设计
6.3.1 描述方式
6.3.2 层次化设计的写法
6.4 VHDL语言基础
6.4.1 标识符
6.4.2 数据对象
6.4.3 数据类型
6.4.4 数据类型转换
6.4.5 运算符
6.4.6 运算符优先级
6.4.7 VHDL常用语法
6.5 VerilogHDL语言基础
6.5.1 数据类型
6.5.2 数字表示形式
6.5.3 parameter定义常量
6.5.4 宏定义tdefine
6.5.5 运算符及表达式
6.5.6 运算符优先级
6.5.7 VerilogHDL常用语法
……
第7章 基于开源CPU的组成原理实验
第8章 实验内容设计

参考文献

前言/序言

  随着人类社会迈向万物互联的物联网时代,借由人工智能技术替代手工方式对大数据进行高效实时的处理已成为社会发展的必然选择,万物互联的未来之路一定走向万物智能,而人工智能的构成要素包含数据、算法及计算力。在此背景下,无处不在的人工智能对计算系统的计算能力提出了挑战性的需求,目前如火如荼的边缘计算即是对这一挑战的积极应对。而使得计算力需求更加充满挑战的原因是:长期以来半导体行业遵循的摩尔定律和登纳德缩放定律已难以为继,这意味着芯片计算能力的提升已经无法在保持架构基本不变的情况下仅靠工艺的提升来完成,也意味着未来我们将更多地需要依赖架构创新,为应用定制芯片、根据应用需求深度优化软硬件系统。因此高校培养的人才也要比过去更多地掌握硬件设计及软硬件协同优化的知识,这也是近年来教育部高等学校计算机类教学指导委员会一直在大力推进“计算机系统能力”培养的原因。
  经过若干年的努力,与系统能力紧密相关的课程,尤其是以“计算机组成原理”为代表的课程的教学及实践已经有了长足的进步。越来越多的学校开始采用FPGA作为实验教学的平台,并尝试将“数字逻辑”“计算机组成”“体系结构”“编译原理”甚至“操作系统”等多门课程的实践环节贯通,以此培养学生的软硬件系统能力。以清华大学、北京航空航天大学、浙江大学、华中科技大学、东南大学、同济大学等为代表的一些高校在此方面做了大量的工作并已取得了丰硕的成果。
  总体上看,目前围绕计算机组成原理进行的软硬件系统能力培养具有如下特点:
  (1)从实验平台来看,已采用FPGA的学校主体上仍是以线下的FPGA实验设备为载体进行实验,从时间和空间上限制了学生像软件类的实验一样随时随地进行。学生实验的达成度严重受限于实验课时。
  (2)从实验的调试和交互方式来看,目前的实验主要使用FPGA实验装置上的拨码开关、LED、串口等物理I/O进行,由于数量有限,极大地影响了调试的便利性。
  (3)从实验内容来看,鉴于《计算机组成与设计:软硬件接口》一书的巨大影响力,多数学校选择的实验内容是兼容MIPS指令集的处理器设计。虽然MIPS指令集非常经典,用于教学时理论及实践素材都十分丰富,但难掩其产业界影响偏小、产学融合深度和广度有限的缺憾。因此常见的组合是,在讲授组成与体系结构时采用MIPS架构,但在讲授后续嵌入式系统时却几乎都切换成了ARM体系。