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第1章 数字电路实验基础1

1.1 实验环节1

1.1.1 实验预习1

1.1.2 实验过程1

1.1.3 实验中常见问题及解决2

1.1.4 实验报告4

1.2 实验器械4

1.2.1 TDS-4型数字系统综合实验平台简介5

1.2.2 示波器简介7

第2章 门电路和组合逻辑电路9

2.1 门电路特性研究实验9

2.1.1 实验目的9

2.1.2 实验器件9

2.1.3 实验要求9

2.1.4 实验原理10

2.1.5 实验预习11

2.1.6 实验过程及结果分析11

2.1.7 实验报告及思考题12

2.1.8 扩展实验及思考12

2.2 组合逻辑电路实验——译码器与编码器的设计12

2.2.1 实验目的13

2.2.2 实验要求13

2.2.3 实验原理13

2.2.4 实验预习14

2.2.5 实验过程及结果分析14

2.2.6 实验报告及思考题15

2.2.7 扩展实验15

2.3 组合逻辑电路实验——数据选择器的设计15

2.3.1 实验目的15

2.3.2 实验要求15

2.3.3 实验原理16

2.3.4 实验预习16

2.3.5 实验过程及结果分析16

2.3.6 实验报告及思考题16

2.3.7 扩展实验16

2.4 组合逻辑电路实验——运算部件的设计16

2.4.1 实验目的17

2.4.2 实验要求17

2.4.3 实验原理17

2.4.4 实验预习19

2.4.5 实验过程及结果分析19

2.4.6 实验报告及思考题20

2.4.7 扩展实验20

第3章 时序逻辑电路21

3.1 触发器实验21

3.1.1 实验目的21

3.1.2 实验要求21

3.1.3 基础知识22

3.1.4 实验预习24

3.1.5 实验过程及结果分析24

3.1.6 实验报告及思考题25

3.2 寄存器及寄存器组的设计25

3.2.1 实验目的25

3.2.2 实验要求25

3.2.3 实验原理25

3.2.4 实验预习26

3.2.5 实验过程及结果分析26

3.2.6 实验报告及思考题26

3.2.7 扩展实验26

3.3 计数器/定时器的设计28

3.3.1 实验目的28

3.3.2 实验要求28

3.3.3 实验原理29

3.3.4 实验预习29

3.3.5 实验过程30

3.3.6 实验报告及思考题31

3.3.7 扩展实验31

3.4 状态机实验31

3.4.1 实验目的32

3.4.2 实验要求32

3.4.3 实验原理32

3.4.4 实验预习35

3.4.5 实验过程36

3.4.6 实验报告与思考36

3.4.7 扩展实验36

第4章 数字逻辑综合课程设计38

4.1 课程设计要求38

4.1.1 课程设计内容38

4.1.2 课程设计过程39

4.2 课程设计举例39

4.2.1 霓虹灯显示系统的设计39

4.2.2 电梯模拟系统的设计42

4.2.3 洗衣机控制系统的设计44

4.2.4 超市自动存包系统的设计44

4.2.5 汽车尾灯控制系统的设计45

4.3 参考题目45

第5章 运算器实验46

5.1 算术逻辑运算单元（ALU）实验46

5.1.1 实验目的46

5.1.2 实验要求46

5.1.3 实验原理46

5.1.4 实验预习48

5.1.5 实验过程及结果分析48

5.1.6 实验报告及思考题48

5.1.7 扩展实验及思考49

5.2 运算器构成实验50

5.2.1 实验目的51

5.2.2 实验要求51

5.2.3 实验原理52

5.2.4 实验预习52

5.2.5 实验过程及结果分析53

5.2.6 实验报告及思考题53

5.2.7 扩展实验53

第6章 控制器的设计54

6.1 组合逻辑控制器实验54

6.1.1 实验目的54

6.1.2 实验内容与要求54

6.1.3 实验原理58

6.1.4 实验预习62

6.1.5 实验过程及结果分析63

6.1.6 实验报告及思考题63

6.1.7 扩展实验63

6.2 微程序控制器实验63

6.2.1 实验目的63

6.2.2 实验要求63

6.2.3 实验原理64

6.2.4 实验预习68

6.2.5 实验过程及结果分析69

6.2.6 实验报告及思考题69

第7章 存储部件实验70

7.1 只读存储器ROM实验70

7.1.1 实验目的70

7.1.2 实验要求70

7.1.3 实验原理70

7.1.4 实验预习71

7.1.5 实验过程及结果分析71

7.1.6 实验报告及思考题75

7.2 随机存取存储器RAM实验75

7.2.1 实验目的75

7.2.2 实验要求76

7.2.3 实验原理76

7.2.4 实验预习76

7.2.5 实验过程及结果分析77

7.2.6 实验报告及思考题77

7.3 FIFO定制与读/写实验77

7.3.1 实验目的77

7.3.2 实验要求77

7.3.3 实验原理77

7.3.4 实验预习78

7.3.5 实验过程78

7.3.6 实验报告及思考题78

第8章 基本CPU设计79

8.1 模型机的基本框架79

8.2 CPU的设计规范81

8.2.1 CPU设计步骤81

8.2.2 指令系统设计82

8.2.3 确定总体结构84

8.2.4 设计状态转换图85

8.2.5 形成控制逻辑及完成各部件连接85

8.3 16位单周期CPU设计85

8.3.1 指令系统设计85

8.3.2 确定总体结构86

8.3.3 形成控制逻辑91

8.4 16位变长指令集的多周期CPU设计97

8.4.1 指令系统设计97

8.4.2 构建数据通路98

8.4.3 设计状态转换图107

8.4.4 形式控制逻辑116

8.4.5 完成各部件的连接117

8.5 精简指令集的多周期CPU设计117

8.5.1 指令系统设计117

8.5.2 数据通路设计118

8.5.3 设计状态转换图120

8.5.4 形成控制逻辑并完成部件连接124

8.6 CPU的测试及应用程序编写124

8.6.1 CPU的时序仿真与实现124

8.6.2 应用程序设计124

8.7 16位CPU的设计与实现实验124

8.7.1 实验目的124

8.7.2 实验要求125

8.7.3 实验原理125

8.7.4 实验预习125

8.7.5 实验过程125

8.7.6 实验报告及思考题125

第9章 流水线CPU的设计126

9.1 经典的5段流水线126

9.2 相关128

9.2.1 数据相关128

9.2.2 名相关128

9.2.3 控制相关129

9.3 流水线冲突129

9.3.1 结构冲突129

9.3.2 数据冲突132

9.3.3 控制冲突137

9.4 流水线的实现141

9.4.1 基本数据通路141

9.4.2 改进的数据通路144

9.4.3 指令流程和微命令序列160

9.4.4 形成控制逻辑161

9.4.5 完成各部件的连接161

附录A 实验用芯片逻辑图与真值表164

附录B VHDL入门与典型程序170

附录C Quartus Ⅱ安装及使用指南209

参考文献230