基于FPGA的VHDL計算機組成實驗平臺的設計與實現(xiàn).pdf

1、《計算機組成原理》是計算機系的一門核心課程。但是它涉及的知識面非常廣，內(nèi)容包括中央處理器、指令系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、總線和輸入輸出系統(tǒng)等方面，學生在學習該課程時，普遍覺得內(nèi)容抽象難于理解。但借助于該計算機組成原理實驗系統(tǒng)，學生通過實驗環(huán)節(jié)，可以進一步融會貫通學習內(nèi)容，掌握計算機各模塊的工作原理，相互關系的來龍去脈。 為了增強實驗系統(tǒng)的功能，提高系統(tǒng)的靈活性，降低實驗成本，我們采用FPGA芯片技術來徹底更新現(xiàn)有的計算器組成原理實驗平臺。

2、該技術可根據(jù)用戶要求為芯片加載由VHDL語言所編寫出的不同的硬件邏輯，F(xiàn)PGA芯片具有重復編程能力，使得系統(tǒng)內(nèi)硬件的功能可以像軟件一樣被編程，這種稱為“軟”硬件的全新系統(tǒng)設計概念，使實驗系統(tǒng)具有極強的靈活性和適應性。它不僅使該系統(tǒng)性能的改進和擴充變得十分簡易和方便，而且使學生自己設計不同的實驗變?yōu)榭赡?。計算機組成原理實驗的最終目的是讓學生能夠設計CPU，但首先，學生必須知道CPU的各個功能部件是如何工作，以及相互之間是如何配合構成CPU

3、的。因此，我們必須先設計出一個教學用的以FPGA芯片為核心的硬件平臺，然后在此基礎上開發(fā)出VHDL部件庫及主要邏輯功能，并設計出一套實驗。 本文重點研究了基于FPGA芯片的VHDL硬件系統(tǒng)，由于VHDL的高標準化和硬件描述能力，現(xiàn)代CPU的主要功能如計算，存儲，I/O操作等均可由VHDL來實現(xiàn)。同時設計實驗內(nèi)容，包括時序電路的組成及控制原理實驗、八位運算器的組成及復合運算實驗、存儲器實驗、數(shù)據(jù)通路實驗、浮點運算器實驗、多流水線處

4、理器實驗等，這些實驗形成一個相互關聯(lián)的系統(tǒng)。每個實驗先由教師講解原理及原理圖，學生根據(jù)教師提供的原理圖，自己用MAX+PLUSII完成電路輸入，學生實驗實際上是編寫VHDL，不需要寫得很復雜，只要能調(diào)用接口，然后將程序燒入平臺，這樣既不會讓學生花太多的時間在畫電路圖上，又能讓學生更好的理解每個部件的工作原理和工作過程。 論文首先研究分析了FPGA硬件實驗平臺，即實驗系統(tǒng)的硬件組成。系統(tǒng)采用FPGA-XC4010EPC84，622

5、56CPLD以及其他外圍芯片(例如74LS244，74LS275)組成。根據(jù)不同的實驗要求，規(guī)劃不同實驗控制邏輯。用戶可選擇不同的實驗邏輯，通過把實驗邏輯下載到FPGA芯片中構成自己的實驗平臺。 其次，論文詳細的闡述了VHDL模塊化設計，如何運用VHDL技術來依次實現(xiàn)CPU的各個功能部件。VHDL語言作為一種國際標準化的硬件描述語言，自1987年獲得IEEE批準以來，經(jīng)過了1993年和2001年兩次修改，至今已被眾多的國際知名電

6、子設計自動化(EDA)工具研發(fā)商所采用，并隨同EDA設計工具一起廣泛地進入了數(shù)字系統(tǒng)設計與研發(fā)領域，目前已成為電子業(yè)界普遍接受的一種硬件設計技術。再次，論文針對實驗平臺中遇到的較為棘手的多流水線等問題，也進行了深入的闡述和剖析。學生需要什么樣的實驗條件，實驗內(nèi)容及步驟才能了解當今CPU所采用的核心技術，才能掌握CPU的設計，運行原理。另外，本論文的背景是需要學生熟悉基本的VHDL知識或技能，因為實驗是在編寫VHDL代碼的前提下完成的。