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基于FPGA的计算机组成原理教学实验平台的设计与开发

作　者: 孙晓丽
导　师: 耿恒山
学　校: 河北工业大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: FPGA 计算机组成原理 教学实验平台 组合逻辑控制器
分类号: TP301
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 53次
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内容摘要


《计算机组成原理》是计算机专业本科教学的一门骨干课程，也是研究生入学考试的必考科目。该课程综合了计算机硬件、软件、数字电路、汇编语言程序设计等多科知识，因而理论性比较强；同时它又是一门实践性学科，通过大量的实验有助于学生更好的理解理论知识，掌握计算机系统各功能模块的工作原理。为了提高教学质量，增强实验系统的功能，提高系统的灵活性，本课题采用先进的EDA技术，设计出一套基于FPGA的计算机组成原理实验平台，它包括硬件实验平台和软件实验平台。硬件实验平台主要用于完成下载及硬件仿真；软件实验平台主要完成数据通路宽度为8位的计算机系统设计。教学实验平台的硬件环境由Altera公司提供的Cyclone II系列的FPGA芯片及外围电路构成。根据各个实验的具体要求，规划实验控制逻辑。用户通过所需的实验逻辑将程序下载到硬件实验平台构成所需的实验平台中。在完成硬件平台设计基础上，利用软件进行计算机系统的模块化设计。本课题完成了运算器模块、存储器模块、组合逻辑控制器模块的设计，使学生更好的掌握计算机系统工作原理，尤其是理解当前大规模计算机系统中所采用的组合逻辑控制器设计思路。基于本科教学实践的课程设计环境下设计出的这套基于FPGA的教学实验平台，基本满足学生从入门到深入理解计算机工作原理的教学要求。同时本论文对开拓学生进行计算机组成原理自主实验设计方面具有十分重要的理论意义和现实指导意义。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章 绪论  10-13
  §1-1 计算机组成原理教学实验平台的研究背景  10
  §1-2 计算机组成原理教学实验平台的发展现状  10-11
  §1-3 论文的研究目的及其内容  11-12
  §1-4 本文的组织结构  12-13
第二章 FPGA 相关技术及其实验平台相关工具  13-19
  §2-1 FPGA 相关技术概述  13-14
    2-1-1 FPGA 的结构原理  13-14
    2-1-2 Altera 公司 FPGA 结构原理：CyloneII 系列  14
  §2-2 FPGA 设计流程  14-15
  §2-3 计算机组成实验平台介绍  15-18
    2-3-1 计算机组成原理实验平台硬件环境  15-17
    2-3-2 计算机组成原理软件实验平台开发工具概述  17-18
  §2-4 本章小结  18-19
第三章 教学实验系统软件平台的总体设计  19-22
  §3-1 计算机系统组成及其功能  19-20
    3-1-1 计算机系统的基本组成  19
    3-1-2 计算机的各功能部件简介  19-20
  §3-2 教学实验平台软件平台的总体设计  20-21
  §3-3 本章小结  21-22
第四章 运算器模块的设计与实现  22-32
  §4-1 运算器概述  22
  §4-2 运算器模块总体设计  22-23
  §4-3 运算器模块详细设计  23-31
    4-3-1 算术逻辑单元设计  23-25
    4-3-2 寄存器单元设计  25-26
    4-3-3 单向总线缓冲器单元设计  26-28
    4-3-4 溢出电路设计  28-29
    4-3-5 运算器模块详细数据通路设计  29-30
    4-3-6 运算器模块调试  30-31
  §4-4 本章小结  31-32
第五章 存储器模块的设计与实现  32-41
  §5-1 存储器概述  32
  §5-2 存储器模块的总体设计  32-33
  §5-3 存储器模块的详细设计  33-40
    5-3-1 随机存储单元的设计  33-35
    5-3-2 只读存储器设计  35
    5-3-3 通用寄存器组设计  35-37
    5-3-4 程序计数器设计  37-38
    5-3-5 存储器模块详细数据通路设计  38-39
    5-3-6 存储器模块调试  39-40
  §5-4 本章小结  40-41
第六章 组合逻辑控制器的设计与实现  41-59
  §6-1 组合逻辑控制器概述  41-43
    6-1-1 组合逻辑控制器研究背景  41-42
    6-1-2 组合逻辑控制器的基本思想  42
    6-1-3 组合逻辑控制器的特点  42-43
  §6-2 指令系统设计  43-49
    6-2-1 指令系统概述  43-45
    6-2-2 指令系统设计  45-47
    6-2-3 实现指令的机器动作  47-49
  §6-3 时序与节拍形成电路设计  49-52
    6-3-1 脉冲源  49
    6-3-2 启停电路的设计  49-50
    6-3-3 节拍脉冲形成电路  50-52
  §6-4 指令分析机构设计  52-54
  §6-5 组合逻辑控制矩阵设计  54-56
    6-5-1 组合逻辑控制矩阵总体设计  54
    6-5-2 组合逻辑控制器的详细设计  54-56
    6-5-3 与微程序控制器性能比较  56
  §6-6 组合逻辑控制器模块调试  56-58
  §6-7 本章总结  58-59
第七章 整机设计与调试  59-71
  §7-1 其他辅助电路的设计  59-60
    7-1-1 停机电路  59-60
    7-1-2 判 CZ 选择电路  60
  §7-2 总线上设备连接  60-62
    7-2-1 总线连接  60-61
    7-2-2 设备引脚分配  61-62
  §7-3 整机测试  62-65
    7-3-1 整体封装  62-63
    7-3-2 运行测试  63-65
  §7-4 自主实验设计  65-70
    7-4-1 实验内容概述  65-66
    7-4-2 实验步骤设计及实验结果  66-69
    7-4-3 实验意义分析  69-70
  §7-5 本章总结  70-71
第八章 总结和展望  71-72
  §8-1 论文总结  71
  §8-2 展望  71-72
参考文献  72-74
附录 A  74-76
附录 B  76-77
致谢  77-78
攻读学位期间所取得的相关科研成果  78

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 一般性问题 > 理论、方法
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