基于FPGA的计算机组成原理实验系统的设计与仿真

论文摘要

“计算机组成原理”是计算机专业的一门核心课程。传统的计算机组成原理实验是在指令格式、寻址方式、运算器、控制器、存储器等都相对固定的情况下进行,学生主要进行功能实现和验证,缺少自主设计和创新过程。为改变这种状况,须更新现有的计算机组成原理实验系统。采用FPGA芯片作为载体,使用EDA开发工具,用硬件描述语言实现不同的硬件逻辑,再与硬件的输入输出接口线路相连,最终组成一台可用于组成实验教学的完整计算机系统。这期间学生将掌握组成原理实验系统的各个部件的功能及其相互之间如何协作。本实验系统能够让学生完成有关计算机组成原理的部件实验和整机实验:部件实验包括加法器、乘法器、除法器、算术逻辑运算单元、控制器、存储器等;整机实验可以独立实现各部件的功能描述。该系统能够帮助学生巩固课堂知识并增强设计能力。为实现上述目的,依据EDA技术的开发流程和方法,建立了一个完整的体系,其中包括控制模块、内存模块、运算器模块、通用寄存器组及其控制部件、程序计数器、地址寄存器、指令寄存器、时序部件、数据控制部件、状态值控制部件,以及为帮学生调试而专门设计的输出观察部件。在QuartusⅡ开发环境下,使用Altera公司FPGA芯片,采用VHDL语言设计并实现了上述模块。经过仿真测试,所实现的各功能模块作为独立部件时能完成各自功能;而将这些部件组合起来的整机系统,可以执行程序段和进行各种运算处理,达到了设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 概述
• 1.1 课题的来源及研究的目的
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究的内容与设计目标
• 1.4 论文的内容安排
• 第二章 现代EDA技术概述
• 2.1 EDA技术
• 2.1.1 EDA技术基础与特点
• 2.1.2 EDA技术的构成要素
• 2.2 硬件描述语言
• 2.2.1 VHDL的特点
• 2.2.2 VHDL程序的基本结构
• 2.3 可编程ASIC-FPGA
• 2.3.1 FPGA的基本概念及特点
• 2.3.2 FPGA的开发流程
• 2.4 设计工具-Quartus II
• 第三章 计算机组成原理实验系统模型
• 3.1 组成原理实验系统的组成和功能
• 3.1.1 基本组成
• 3.1.2 功能
• 3.2 运算器
• 3.3 控制器
• 3.4 总线
• 第四章 组成原理实验系统的设计
• 4.1 系统架构
• 4.2 指令系统
• 4.2.1 指令格式
• 4.2.2 指令分组及节拍图
• 4.2.3 指令汇总表
• 4.3 总体结构图
• 4.4 各功能模块的实现
• 4.4.1 算数逻辑单元
• 4.4.2 寄存器及其选择
• 4.4.3 数据选择器
• 4.4.4 ALU进位生成器
• 4.4.5 标志寄存器
• 4.4.6 程序计数器
• 4.4.7 地址寄存器和指令寄存器
• 4.4.8 节拍发生器
• 4.4.9 控制逻辑
• 4.4.10 指令所用控制信号
• 4.4.11 内存
• 第五章 组成原理实验计算机CPU的仿真与验证
• 5.1 仿真验证概念
• 5.2 仿真与验证
• 5.2.1 算术逻辑单元的仿真与验证
• 5.2.2 寄存器的仿真与验证
• 5.2.3 寄存器选择的仿真与验证
• 5.2.4 地址寄存器的仿真与验证
• 5.2.5 节拍发生器的仿真与验证
• 5.2.6 控制逻辑的仿真和验证
• 5.2.7 内存的仿真和验证
• 5.2.8 整机的仿真和验证
• 结论
• 参考文献
• 致谢