基于FPGA的VHDL計(jì)算機(jī)組成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、《計(jì)算機(jī)組成原理》是計(jì)算機(jī)系的一門核心課程。但是它涉及的知識(shí)面非常廣，內(nèi)容包括中央處理器、指令系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、總線和輸入輸出系統(tǒng)等方面，學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時(shí)，普遍覺得內(nèi)容抽象難于理解。但借助于該計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，可以進(jìn)一步融會(huì)貫通學(xué)習(xí)內(nèi)容，掌握計(jì)算機(jī)各模塊的工作原理，相互關(guān)系的來龍去脈。 為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能，提高系統(tǒng)的靈活性，降低實(shí)驗(yàn)成本，我們采用FPGA芯片技術(shù)來徹底更新現(xiàn)有的計(jì)算器組成原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2、該技術(shù)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(fù)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(shè)計(jì)概念，使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有極強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。它不僅使該系統(tǒng)性能的改進(jìn)和擴(kuò)充變得十分簡(jiǎn)易和方便，而且使學(xué)生自己設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)變?yōu)榭赡?。?jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)的最終目的是讓學(xué)生能夠設(shè)計(jì)CPU，但首先，學(xué)生必須知道CPU的各個(gè)功能部件是如何工作，以及相互之間是如何配合構(gòu)成CPU

3、的。因此，我們必須先設(shè)計(jì)出一個(gè)教學(xué)用的以FPGA芯片為核心的硬件平臺(tái)，然后在此基礎(chǔ)上開發(fā)出VHDL部件庫及主要邏輯功能，并設(shè)計(jì)出一套實(shí)驗(yàn)。 本文重點(diǎn)研究了基于FPGA芯片的VHDL硬件系統(tǒng)，由于VHDL的高標(biāo)準(zhǔn)化和硬件描述能力，現(xiàn)代CPU的主要功能如計(jì)算，存儲(chǔ)，I/O操作等均可由VHDL來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，包括時(shí)序電路的組成及控制原理實(shí)驗(yàn)、八位運(yùn)算器的組成及復(fù)合運(yùn)算實(shí)驗(yàn)、存儲(chǔ)器實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)通路實(shí)驗(yàn)、浮點(diǎn)運(yùn)算器實(shí)驗(yàn)、多流水線處

4、理器實(shí)驗(yàn)等，這些實(shí)驗(yàn)形成一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)先由教師講解原理及原理圖，學(xué)生根據(jù)教師提供的原理圖，自己用MAX+PLUSII完成電路輸入，學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)際上是編寫VHDL，不需要寫得很復(fù)雜，只要能調(diào)用接口，然后將程序燒入平臺(tái)，這樣既不會(huì)讓學(xué)生花太多的時(shí)間在畫電路圖上，又能讓學(xué)生更好的理解每個(gè)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，即實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)要求，規(guī)劃不同實(shí)驗(yàn)控制邏輯。用戶可選擇不同的實(shí)驗(yàn)邏輯，通過把實(shí)驗(yàn)邏輯下載到FPGA芯片中構(gòu)成自己的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 其次，論文詳細(xì)的闡述了VHDL模塊化設(shè)計(jì)，如何運(yùn)用VHDL技術(shù)來依次實(shí)現(xiàn)CPU的各個(gè)功能部件。VHDL語言作為一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的硬件描述語言，自1987年獲得IEEE批準(zhǔn)以來，經(jīng)過了1993年和2001年兩次修改，至今已被眾多的國(guó)際知名電

6、子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)工具研發(fā)商所采用，并隨同EDA設(shè)計(jì)工具一起廣泛地進(jìn)入了數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研發(fā)領(lǐng)域，目前已成為電子業(yè)界普遍接受的一種硬件設(shè)計(jì)技術(shù)。再次，論文針對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中遇到的較為棘手的多流水線等問題，也進(jìn)行了深入的闡述和剖析。學(xué)生需要什么樣的實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟才能了解當(dāng)今CPU所采用的核心技術(shù)，才能掌握CPU的設(shè)計(jì)，運(yùn)行原理。另外，本論文的背景是需要學(xué)生熟悉基本的VHDL知識(shí)或技能，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)是在編寫VHDL代碼的前提下完成的。