目录

第1篇环境篇

第1章实验软件环境的安装与配置3

1.1ModelSim的安装配置3

1.2Vivado的安装配置7

1.3Vivado和ModelSim关联13

第2篇工具软件篇

第2章工具软件的主要功能19

2.1Xilinx FPGA器件19

2.2Vivado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

2.3ModelSim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

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

4.3.1CPU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

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

7.4.3SD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