薛文彬

　　本書內容除了核心CPU設計之外，更包含週邊記憶體、計時/計數器、中斷控制器、串列通訊器以及PWM控制器等設計實務。

　　搭配可視化MCU實體監控系統，使讀者輕而易舉掌握微控制器之工作原理，進而學習如何設計一顆屬於自己的微控制器。讀完本書將使您擁有實際規劃及設計微控制器之能力！

　　其內容原理與實務並重，第一篇著重在VHDL設計語法之重點回顧；第二篇主要介紹CH01的內部元件及週邊擴充電路之VHDL描述方式，內容有四則運算ALU的設計、單/雙向通用及特殊暫存器的設計、程式狀態控制系統的設計、程式記數器設計、程式分支、中斷、返回系統設計、單雙向記憶體的設計、匯流排的設計以及指令解碼系統的設計等；第三篇則介紹一套創新並經精心設計的可視化MCU實體監控系統，它使CH01內部硬體架構及控制訊號透明化，以提供微處理機原理與應用課程一個非常友善的學習平台。本書適合私立大學、科大電子、電機、資工系「微處理機實習」課程。

第1篇　微處理與VHDL導論
第1章　微處理機導論1-1
1-1　微處理機簡介1-1
1-1-1　微處理機的定義1-1
1-1-2　微處理機的功用及架構1-1
1-1-3　廣義的微處理機(微控制器)1-2
1-1-4　Von Neuman與Harvard架構1-3
1-1-5　RISC與CISC1-3
1-2　微處理器發展簡史1-4
1-2-1　第一顆微處理器1-4
1-2-2　摩爾定律1-4
1-2-3　一些中低階微處理器的發展1-5
1-3　微處理器發展現況1-6
1-3-1　記憶體擴充與升級1-7
1-3-2　多媒體介面1-7
1-3-3　內建週邊控制電路1-7
1-3-4　低功率消耗1-7
1-3-5　高執行效率1-7
1-3-6　強化運算能力1-7
1-3-7　發展SOPC軟核1-8
1-3-8　單晶多核1-8
1-3-9　結　語1-9

第2章　數目系統2-1
2-1　數目表示法2-1
2-1-1　十進位表示法2-2
2-1-2　二進位表示法2-2
2-1-3　八進位表示法2-3
2-1-4　十六進位表示法2-3
2-2　數目表示法的轉換2-3
2-2-1　十進位整數轉成N進位整數2-3
2-2-2　十進位小數轉成N進位小數2-6
2-2-3　二進位、八進位與十六進位之互換2-9
2-3　二進位加法及減法2-12
2-3-1　二進位無號數之加法運算2-12
2-3-2　二進位有號數表示法2-12
2-3-3　二進位有號數減法運算2-15
2-3-4　1'S補數及2'S補數在算術運算上的比較2-20
2-3-5　溢　位2-20
2-4　浮點表示法2-22
2-4-1　單精度表示法2-22
2-4-2　雙精度表示法2-23

第3章　VHDL設計概論3-1
3-1　快速認識VHDL3-1
3-1-1　VHDL的意義3-1
3-1-2　VHDL的沿革3-1
3-1-3　VHDL的基本架構3-2
3-1-4　VHDL的數位訊號模式3-5
3-1-5　常用的VHDL數位訊號型別3-6
3-2　描述區域的界定3-9
3-3　區域性的訊號指定3-11

第4章　VHDL的基本語法4-1
4-1　共時性語法(Concurrent Statements)4-1
4-1-1　WITH SELECT與組合電路設計4-1
4-1-2　WHEN ELSE與組合電路設計4-5
4-1-3　FOR GENERATE與組合電路設計4-8
4-1-4　FOR GENERATE的巢狀架構4-15
4-2　順序性語法(Sequential Statememts)4-18
4-2-1　PROCESS的區塊架構4-18
4-2-2　PROCESS區塊的共時性4-19
4-2-3　完整的IF敘述4-20
4-2-4　不完整IF敘述的架構4-24
4-2-5　巢狀且具混合架構的IF敘述4-30
4-2-6　完整 CASE WHEN 的架構4-34
4-2-7　完整CASE WHEN的應用4-35
4-2-8　不完整CASE WHEN的架構與應用4-38
4-2-9　完整CASE WHEN架構與應用4-47
4-2-10巢狀CASE WHEN的敘述架構4-53
4-2-11巢狀CASE WHEN的應用4-54
4-2-12LOOP與WAIT UNTIL敘述4-57
4-2-13巢狀for loop架構與next、exit的應用4-59
4-2-14wait until 敘述4-60

第5章　VHDL與組合電路設計5-1
5-1　多工器5-1
5-2　解多工器5-3
5-3　解碼器5-5
5-3-1　n對2n解碼器5-5
5-3-2　七段解碼器5-6
5-4　編碼器5-7
5-4-1　2n對n編碼器5-7
5-4-2　十進位編碼器5-8
5-4-3　優先權編碼電路5-9
5-5　加減法器5-11
5-5-1　一個全加器5-11
5-5-2　漣波進位加法器5-12

第6章　VHDL與時序電路設計6-1
6-1　暫存器的合成6-1
6-1-1　D型正反器的描述6-1
6-1-2　T型正反器的描述6-3
6-1-3　JK正反器的描述6-4
6-2　二進位計數器6-6
6-2-1　二進位上數計數器6-6
6-2-2　二進位下數計數器6-7
6-2-3　二進位自訂範圍上∕下數計數器6-9
6-2-4　不規則計數器6-11
6-3　除頻元件6-13
6-3-1　上數除頻6-13
6-3-2　下數除頻6-15
6-3-3　奇數除頻6-17

第7章　微處理機中的運算元件設計7-1
7-1　二合一漣波進位加∕減法器7-1
7-1-1　硬體架構7-1
7-1-2　VHDL描述語法7-2
7-2　可進行有號數溢位判斷之加減法電路7-4
7-2-1　含有溢位判斷的電路7-4
7-2-2　VHDL描述語法7-5
7-2-3　運算結果解讀7-7
7-3　參數式N位元前膽式進位加減法電路7-8
7-3-1　相關知識7-8
7-3-2　前膽式進位的設計規律性7-10
7-3-3　前膽式進位加法器參數式VHDL描述語法7-12
7-4　位元串列式加法器7-15
7-4-1　硬體架構7-16
7-4-2　VHDL控制電路說明7-16
7-4-3　VHDL程式主體7-18
7-5　位元串列式二合一加∕減法器7-20
7-5-1　硬體架構7-20
7-5-2　VHDL程式主體7-21
7-6　乘法電路7-24
7-6-1　行為模式之組合式陣列乘法器7-24
7-6-2　組合式陣列乘法電路7-24
7-6-3　位移累加乘法電路7-30
7-6-4　位元串列輸出入乘法器7-34
7-7　長除法電路7-39
7-7-1　除法運算電路的硬體架構7-39
7-7-2　VHDL描述語法7-42

第2篇　CH01內部結構設計
第1章　微控器軟核CH01簡介1-1
1-1　CH01的特色1-1
1-2　CH01的架構1-1
1-2-1　CH01輸出入界面1-2
1-2-2　CH01的中央處理單元1-3
1-2-3　CH01的暫存器列1-3
1-2-4　記憶體1-4
1-2-5　中斷模式1-5
1-3　CH01的指令集1-5
1-4　CH01的指令格式說明1-9
1-4-1　第0號指令－空指令1-9
1-4-2　第1號指令群－累積器位移及旋轉指令1-10
1-4-3　第2號指令群－暫存器間之算術邏輯運算指令1-11
1-4-4　第3號指令群－暫存器搬移及資料堆疊讀寫指令1-15
1-4-5　第4號指令－副程式及中斷返回指令1-18
1-4-6　第5號指令群－間接定址記憶體讀寫指令1-19
1-4-7　第6號指令群－位元設定及清除指令1-21
1-4-8　第7號指令群－暫存器遞增遞減指令1-23
1-4-9　第8號指令－暫存器值不為零之條件分支指令1-24
1-4-10第9號指令群－位元值條件分支指令1-25
1-4-11第10號指令群－立即資料之算術邏輯運算指令1-26
1-4-12第11號指令群－區塊條件分支、跳躍及副程式呼叫指令1-27
1-4-13第12號指令－RAM之直接定址寫入指令1-29
1-4-14第13號指令－RAM之直接定址讀取指令1-30
1-4-15第14號指令－ROM之直接定址讀取指令1-31
1-4-16第15號指令－立即資料寫入指令1-31
1-4-17暫存器內容相等之分支判斷等效程式1-32
1-4-18八位元二進位/BCD之轉換程式1-33
1-4-19影響程式狀態暫存器psr的指令1-34

第2章　CH01的狀態系統與指令解碼系統設計2-1
2-1　CH01的工作分級2-1
2-2　狀態系統的設計2-2
2-3　CH01的系統重置2-5
2-4　指令解碼系統設計2-5

第3章　CH01的ALU設計3-1
3-1　ALU的基本算術單元設計3-1
3-1-1　硬體架構3-1
3-1-2　VHDL描述語法3-4
3-2　ALU的邏輯單元設計3-5
3-2-1　硬體架構3-5
3-2-2　VHDL描述語法3-6
3-3　具有四則運算功能的ALU結構設計3-7
3-3-1　基本算術單元的運用3-7
3-3-2　輸出入暫存器的運用3-8
3-3-3　完整電路架構3-9
2-3-4　參數式四則運算ALU的VHDL設計檔3-11
3-3-5　參數式四則運算電路模擬3-16
3-3-6　ALU在CH01中的架構3-18
3-3-7　ALU在CH01中的訊號路徑分析3-19

第4章　暫存器與雙向埠設計4-1
4-1　暫存器的合成條件4-1
4-1-1　訊號指定符號『<=』之意義及應用4-1
4-1-2　變數指定符號『:=』之意義及應用4-3
4-2　一般暫存器(GPR)的設計4-6
4-2-1　單一雙向暫存器設計4-6
4-2-2　一般雙向暫存器列的設計4-8
4-3　特殊暫存器(SFR)設計4-11
4-3-1　累積器(Accumulator)4-11
4-3-2　乘除運算輔助暫存器b4-14
4-3-3　程式狀態暫存器psr4-16
4-4　雙向埠的設計4-18
4-4-1　單一雙向埠的設計4-18
4-4-2　雙向埠列的設計4-21
4-4-3　可單一位元方向設定雙向埠4-22
4-5　CH01的暫存器列及讀寫控制電路4-25
4-5-1　暫存器列讀寫控制電路設計4-28
4-6　CH01的指令暫存器4-30
4-7　CH01的運算元讀取系統4-32

第5章　各類記憶體設計5-1
5-1　唯讀記憶(ROM)的設計5-1
5-1-1　基本ROM的設計5-1
5-1-2　含有三態輸出的ROM設計5-4
5-2　資料隨機存取記憶體(RAM)的設計5-5
5-2-1　單向RAM的設計5-5
5-2-2　雙向RAM的設計5-7
5-3　資料堆疊(STACK)的設計5-9
5-3-1　單向STACK的設計5-9
5-3-2　雙向STACK的設計5-11
5-3-3　雙向記憶元件與資料匯流排的連接5-14
5-4　CH01的記憶體設計5-15
5-4-1　CH01的程式記憶體及資料唯讀記憶體5-15
5-4-2　CH01的資料記憶體與匯流排5-19

第6章　程式分支及返回控制系統設計6-1
6-1　程式計數器6-1
6-2　微處理器的程式分支6-4
6-2-1　相對分支6-4
6-2-2　絕對分支6-6
6-3　CH01分支指令的執行方式6-8
6-3-1　跳　躍6-8
6-3-2　副程式呼叫與返回指令6-11
6-3-3　分支預測6-11
6-4　中　斷6-12
6-4-1　中斷向量6-12
6-4-2　中斷方式6-12
6-4-3　資料堆疊的使用6-13
6-4-4　含有中斷系統的分支電路架構6-13
6-4-5　中斷控制系統6-14
6-4-6　CH01之中斷危障的克服6-18
6-5　CH01的分支/返回系統設計6-19
6-5-1　分支∕返回控制系統設計6-19
6-5-2　位址堆疊6-21
6-6　計時∕埠∕中斷控制系統6-23

第7章　微處理器的週邊擴充電路設計7-1
7-1　非同步位元串列通訊電路(UART)7-1
7-1-1　非同步位元串列傳輸及接收原理7-1
7-1-2　位元串列接收電路設計7-4
7-1-3　位元串列傳輸電路設計7-9
7-2　計時∕計數器7-11
7-3　脈寬調變(PWM)電路7-14

第8章　進階問題探討8-1
8-1　管線式電路架構8-1
8-2　管線架構應用於微處理機的設計8-3
8-3　管線的危障8-5
8-3-1　分支的危障8-5
8-3-2　資料的危障8-6
8-4　記憶元件定址空間8-8
8-4-1　一貫定址空間8-8
8-4-2　供使用者設定的一貫定址空間8-10
8-4-3　隔離定址空間8-11
8-4-4　CH01的定址空間8-14

第9章　CH01之除頻元件9-1
9-1　除2元件9-1
9-2　除5元件9-2
9-3　大模數下數除頻元件9-3
9-4　串級除頻元件9-5

第10章　微控制器CH01的建構10-1
10-1　運用元件庫及元件區塊10-1
10-2　VHDL元件檔10-3

第3篇
第1章　可視化MCU實體監控系統簡介1-1
1-1　監控系統規格1-1
1-1-1　內部嵌入軟核之規格1-3
1-1-2　機台面板規格1-4
1-1-3　其它配備規格1-5
1-2　監控系統特色1-6
1-3　指令測試程式1-6
1-3-1　指令測試程式編輯1-6
1-3-2　第0及1號指令測試程式時序分析1-10
1-3-3　第2-1號指令測試程式時序分析1-11
1-3-4　第2-2號指令測試程式時序分析1-12
1-3-5　第2-2號指令測試程式時序分析1-13
1-3-6　第3-3號、第4號及第11號指令測試程式時序分析1-14
1-3-7　第6號指令測試程式時序1-16
1-3-8　第7號及第8號指令測試程式時序1-17
1-3-9　第9號指令測試程式時序1-18
1-3-10第10號指令測試程式時序1-20
1-3-11虛擬指令及第11?15號指令及測試程式時序1-21

第2章　指令單步執行與監控2-1
2-1　監控系統面板之燈號說明2-1
2-2　指令測試程式之燈號監控2-2
2-2-1　第0號指令燈號(nop)2-2
2-2-2　第1號指令燈號2-3
2-2-3　第2-1號指令燈號2-5
2-2-4　第2-2號指令燈號2-10
2-2-5　第3-1號指令燈號2-12
2-2-6　第3-2號指令燈號( push x1，pop x1)2-14
2-2-7　第3-3號指令燈號2-17
2-2-8　第4號指令燈號2-19
2-2-9　第5-1號指令燈號2-21
2-2-10第5-2號指令燈號2-23
2-2-11第5-3號指令燈號2-25
2-2-12第6號指令燈號2-27
2-2-13第7號指令燈號2-29
2-2-14第8號指令燈號2-31
2-2-15第9號指令燈號2-33
2-2-16第10號指令燈號2-35
2-2-17第11號指令燈號2-40
2-2-18第12號指令燈號2-42
2-2-19第13號指令燈號2-44
2-2-20第14號指令燈號2-46
2-2-21第15號指令燈號2-48

第3章　程式發展環境使用說明3-1
3-1　程式編輯環境使用CKC3-1
3-2　程式記憶體的編譯及下載使用QuartusⅡ3-5
3-3　開啟程式記憶體之QuartusⅡ設計檔3-5
3-4　簡易外部中斷範例程式3-8
3-5　簡易計時中斷範例程式13-10
3-6　簡易計數中斷範例程式23-12
3-7　簡易串列通訊中斷範例程式3-13
3-8　簡易直流馬達調速範例程式3-16

附錄A　CH01的LCD控制程式
附錄B　CH01應用於AES
B-1　前　言附B-1
B-2　AES簡介附B-1
B-3　AES函數運算硬體單元附B-2
B-4　AESMPU的建構附B-3
B-5　AESMPU加解密工作流程附B-7
B-6　AESMPU加解密工作模擬附B-9
B-6-1　鑰匙擴充附B-9
B-6-2　加　密附B-10
B-6-3　解　密附B-12
B-7　AES的效能評估附B-14
附錄C　AES指令集及加解密程式