基于FPGA的组成原理实验平台 ——上位机系统

论文摘要

本文设计了“计算机组成原理”课程实验平台的模型机并实现了该实验平台的上位机系统。实验平台的功能是能够进行组成计算机各部件的验证性实验和模型机的整机实验。实验平台由上下位机构成：下位机为实验箱，以FPGA芯片为核心，辅以其他芯片和接口电路；上位机为PC微机，实验时运行实验平台的上位机系统。上位机系统可独立进行实验，也可协助下位机进行实验。上下位机的通信采用RS-232C通信协议。上位机系统可在单机和联机两种模式下进行实验。在单机模式下实验时，PC机脱离下位机独立进行实验，此时利用上位机系统进行计算机各部件和模型机的模拟实验；在联机模式下实验时，PC与实验箱使用RS-232C进行通信，下位机使用FPGA对计算机部件及模型机进行仿真，上位机可编写指令，汇编成机器码后写入下位机，并监控下位机FPGA中的模型机状态，显示FPGA中的内部寄存器的数据。模型机的设计包括模型机体系结构设计、模型机各部件的逻辑功能及引脚设计、模型机的指令系统设计、微指令设计、指令系统的汇编器及反汇编器设计。设计的模型机能够在下位机的FPGA中进行仿真，也能够在PC机上使用软件进行仿真。上位机系统由验证性实验模块、整机实验模块、通信模块构成。验证性实验模块实现了各计算机部件的软件仿真，其中芯片仿真采用了基于面向对象的芯片仿真技术；部件仿真采用了基于构件的芯片仿真技术；使用事件驱动机制进行芯片间的信号传递。整机实验模块实现了模型机的软件仿真、模型机指令系统以及指令系统的汇编器、反汇编器。其中模型机的仿真采用面向对象的仿真技术；指令系统的模拟采用解释型的CPU仿真技术；汇编器使用一遍扫描的方式实现；反汇编器主要采用对机器码进行逐码反汇编的方式来实现。通信模块规定了监控数据格式和同步数据格式，通过对通信数据格式的解析实现了对下位机的指令写入和监控。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及其意义
• 1.2 国内外现状
• 1.2.1 课程现状
• 1.2.2 组成原理实验设备现状
• 1.2.3 实验平台上位机系统所使用的技术背景
• 1.3 本文研究内容和论文结构
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 论文结构
• 第二章 本系统的关键理论和技术
• 2.1 系统仿真理论
• 2.1.1 系统仿真基本概念
• 2.1.2 离散事件仿真策略
• 2.2 芯片仿真技术
• 2.2.1 基于面向对象技术的芯片仿真
• 2.2.2 基于构件的芯片仿真
• 2.3 芯片间信号的传递
• 2.3.1 采用事件驱动机制来实现信号传递
• 2.3.2 采用信号扩散算法来实现信号传递
• 2.4 CPU 指令执行仿真技术
• 2.5 汇编技术
• 2.5.1 词法分析
• 2.5.2 语法分析
• 2.5.3 语义分析
• 2.5.4 目标代码生成
• 2.5.5 符号表管理及出错管理
• 2.5.6 一遍汇编和二遍汇编
• 2.6 反汇编技术
• 2.7 本章小结
• 第三章 上位机系统的需求分析及设计方案
• 3.1 上位机系统概述
• 3.2 上位机系统验证性实验模块的需求及解决方案
• 3.2.1 验证性实验模块的需求
• 3.2.2 验证性实验模块的解决方案
• 3.3 上位机系统模型机实验模块的需求及解决方案
• 3.3.1 模型机实验模块的需求
• 3.3.2 模型机设计方案
• 3.3.3 模型机仿真设计
• 3.3.4 模型机指令系统汇编器设计
• 3.3.5 模型机指令系统反汇编器设计
• 3.4 上位机系统联机实验模块的需求及解决方案
• 3.4.1 联机实验模块的需求
• 3.4.2 联机实验模块的解决方案
• 3.5 本章小结
• 第四章 上位机系统中的模型机设计
• 4.1 模型机的部件
• 4.2 模型机的指令系统
• 4.2.1 指令系统需求
• 4.2.2 模型机指令集
• 4.3 指令的编码方式
• 4.4 模型机控制器的微程序实现
• 4.4.1 模型机的时序设定
• 4.4.2 微指令周期和指令周期
• 4.4.3 模型机的微指令格式
• 4.4.4 指令的微地址映射
• 4.4.5 指令的执行流程举例
• 4.5 本章小结
• 第五章 上位机系统的实现
• 5.1 上位机系统验证性实验模块的实现
• 5.1.1 实验要求
• 5.1.2 实验界面仿真
• 5.1.3 芯片仿真实现
• 5.1.4 模块的仿真实现
• 5.2 上位机系统模型机实验模块的仿真实现
• 5.2.1 模型机实验的实验要求
• 5.2.2 模型机实验的界面实现
• 5.2.3 模型机的逻辑实现
• 5.2.4 模型机指令的反汇编实现
• 5.2.5 模型机微操作的实时显示
• 5.2.6 模型机指令的汇编
• 5.2.6.1 汇编功能概述
• 5.2.6.2 输入格式
• 5.2.6.3 对语句语法的检查和语句格式化
• 5.2.6.4 对语句中单词的检查及指令编码的实现
• 5.3 上位机系统联机模块的实现
• 5.3.1 通信设备及协议
• 5.3.2 底层串口通信的实现
• 5.3.3 联机模式的实现
• 5.4 本章小结
• 结论
• 1 研究工作总结
• 2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 附录 1 模型机指令编码及执行流程
• 附录 2 微指令编码表
• 个人简历、在学期间的研究成果以及发表的学术论文