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1、*哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心1计算机组织与结构实验课件教师：武俊鹏 程旭辉 付小晶孙建国 郭 耸 单位：计算机实验教学中心*2目录l计算机组织与结构实验课程简介l复习数字逻辑和计算机组成课程lFPGA开发环境及EDA实验台哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*3计算机组织与结构实验课程简介l课程名称及性质：计算机组织与结构实验 必修 l课程类别：实践教学环节l实验学时：32l面向专业：软件工程l开设学期：5l开课实验室：可编程逻辑及数字系统哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*4计算机组织与结构实验课程简介l实验目的和任务：
2、通过讲述数字逻辑和计算机组成基本 理论知识，学生完成计算机组成实验训练 ，使学生了解FPGA设计开发环境以及EDA 实验台的功能和使用方法，掌握利用原理 图进行数字电路设计的基本方法，使学生 对计算机组成结构与工作原理等硬件知识 有更加深刻的理解和认识，进一步提高学 生的动手能力、分析问题和解决问题的能 力。哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*5实验项目及要求实验一 FPGA开发环境及EDA实验台 实验二 运算器实验 （框图设计及硬件 描述语言）实验三存储器实验(ROM、RAM) 哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*6实验项目及要求实验四 总线传输实
3、验实验五 微控制器实验实验六 基本模型机 哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*7基于FPGA的计算机组织与结构实验传统的实验台体积庞大，使用的芯片种类繁多，实验 中需要花许多时间进行大量的连线，系统的可靠性低，由 于芯片或连线出现的各种故障排查困难。 使用大规模FPGA、EDA软件工具和IEEE标准硬件描 述语言来设计数字电路已成为当前比较流行的硬件开发技 术。利用软件方法设计硬件电路，设计开发灵便，节省资 源。哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*8FPGA简介FPGA（Field Programmable Array） ：现场可编程门 阵列。FPG
4、A器件的基本结构为门阵列，通过改变内部连线 的布线来编程。利用FPGA可方便的设计集成电路,开发数字系统。哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*9HDL硬件描述语言简介HDL硬件描述语言，对数字系统建模。利用EDA软 件，借助HDL硬件描述语言，可以将待设计系统的逻辑功 能、实现该功能的算法、选用的电路结构和逻辑模块，以 及系统的各种非逻辑约束输入到计算机，使计算机辅助数 字系统设计成为可能，从而大提高了设计效率。有两种HDL被IEEE列为标准，它们是：VHDL 和 Verilog 。哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*10课程要求与注意事项1、每次实
5、验课前要做好充分的预习和准备。2、按时到课,无故旷课者无成绩,请假必须有辅导员的签 字和学院的盖章。3、注意课堂纪律,要认真做实验,课堂上如发现玩游戏、 聊天等违纪行为，按情节严重程度进行扣分。4、注意：实验作品要独立完成，“抄袭者”与“被抄袭者” 成绩均为零分。以学号后四位结尾。5、鼓励大家提出新设计思想和设计方案。哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*11课程要求与注意事项6、实验验收时，讲述要有条理，讲懂过程和原理；演示 要全面具体；回答老师提出的问题。7、独立完成报告，不允许出现雷同；要独立组织语言， 不允许大段抄袭书本；独立截取波形图及引脚分配图； 重点写出排错过
6、程，实验结果分析等。8、注意：发现报告雷同，“抄袭者”与“被抄袭者” 成绩均 为零分。哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*12实验一 QUARTUS II开发环境及EDA实验台l实验目的l熟悉QUARTUS II开发环境及开发流程l掌握QUARTUS II中VHDL文本输入设计方法l熟悉FPGA实验台的使用l实验内容在QUARTUS II开发环境中，利用VHDL文本 输入方法尝试设计一个2-1选择器。哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*13QUARTUS II开发环境与EDA实验台简介哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*14QU
7、ARTUS II开发环境与EDA实验台简介 GW48 系列SOPC/EDA实验开发系统哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*15QUARTUS II开发环境与EDA实验台简介lQUARTUSII开发环境介绍Altera Quartus II 设计 软件提供完整的多平台设计环 境，它可以轻易满足特定设计 的需要。它是可编程片上系统 (SOPC) 设计的综合性环境。 Quartus II软件拥有 FPGA 和 CPLD 设计的所有阶段的解决 方案。Quartus II 设计流程如 图4所示。哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*16QUARTUS II开发环
8、境与EDA实验台简介l基于Quartus II和EDA实验台的实验基本步骤1、创建工程文件夹名称及路径，工程名，实体名2、设计输入文件（框图或HDL文本）3、编译前设置选择器件 Cyclone EP1C31448哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*17l4、编译错误(erro)提示，修改设计文件排除错误忽略警告（warning）l5、仿真建立波形图文件，设置输入信号QUARTUS II开发环境与EDA实验台简介哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*18l6、引脚锁定、下载与硬件测试选择模式 (9种)引脚锁定需要查表FPGA 引脚号 引脚名称（EDA实验
9、台No.5)Pin1 PIO0 按键1Pin2 PIO1 按键2Pin11 PIO8 显示灯1QUARTUS II开发环境与EDA实验台简介哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*19实验二 运算器实验l实验目的l掌握简单运算器的数据传输通路l验证运算功能发生器的组合功能l掌握算术逻辑运算加、减、与的工作原理l熟悉简单运算的数据传送通路l验证实验台运算的8位加、减、与、直通功能l实验内容在Quartus II中，设计一个8位的简单运算器，并验证 其功能。哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*20实验二 运算器实验l实验原理实验中选用Quartus IIMa
10、xplus2元器件库中 的运算器，数据通路如图1所示。其中运算器由两 个74181以并/串形式构成8位字长的ALU。哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*21图1 算术逻辑运算器结构图哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*22实验二 运算器实验lALU的运算功能表1 74181正逻辑功能表哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*23实验二 运算器实验l引脚锁定注意事项实验台上键9键12对应的引脚号不能通过查表得到， 要使用按键9，必须用导线将实验台上的Key9引脚（位于 JP8，6键接插口处）直接与FPGA适配板上的空余引脚相 连。如P
11、26。即将引脚26分配给信号T1。l验证运算器的算术运算和逻辑运算功能表2列出了8种常用的算术与逻辑运算要求指定的操作 内容，正确选择运算器数据通路、控制参数S3、S2、S1 、S0、M，并将实验结果值填入括号内，表中给定原始数 据DR1=A70和DR2=B70，以后的数据取自前面运算 的结果。哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*24实验二 运算器实验表2 常用的算术与逻辑运算哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*25实验三 存储器实验 实验1 lpm_rom（ROM）实验l实验目的l掌握利用lpm_rom在FPGA中实现ROM的方法l掌握lpm_ro
12、m的工作特性哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*26实验三 存储器实验 实验1 lpm_rom（ROM）实验l实验原理ALTERA的FPGA中有许多可调用的LPM (Library Parameterized Modules)参数化的模块库，可构成如 lpm_rom、lpm_ram_io、lpm_fifo、lpm_ram_dq的存储器 结构。在Quartus II中，可以可直接调用这些嵌入式阵列 块EAB在FPGA中构成存储器。lpm_rom用来构成CPU中 的重要部件只读存储器。 lpm_rom的结构如图2所示 。哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心
13、*27实验三 存储器实验 实验1 lpm_rom（ROM）实验lpm_rom有3组信号：clock输入时钟脉冲；q230lpm_rom的24位数据输出端；address50lpm_rom的6位读出地址。ROM是只读存储器，所以它的数据口是单向输出端口。图2 lpm_rom的结构图哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*28实验三 存储器实验 实验1 lpm_rom（ROM）实验lROM初始化数据设置ROM中的数据是在对FPGA现场配置时，通过配置文 件一起写入存储单元的。在Quartus II中，初始化数据文件格式有2种：（1）Memory Initialization Fi
14、le (.mif)（2）Hexadecimal (Intel-Format) File (.hex) 建立mif/hex文件，通过表格形式输入ROM初始化数 据，保存文件。在设置lpm_rom时指定ROM初始化数据 文件的路径即可完成ROM初始化数据设置。哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*29实验三 存储器实验 实验2 lpm_ram_dq（RAM）实验l实验目的l掌握利用lpm_ram_dq在FPGA中实现RAM的方法l掌握lpm_ram_dq的工作特性l实验原理在FPGA中利用嵌入式阵列块EAB可以构成存储器， lpm_ram_dq 是参数化模块库LPM中的一种。l
15、pm_ram_dq的结构如图3所示。 哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*30实验三 存储器实验 实验2 lpm_ram_dq（RAM）实验lpm_ram_dq有5组信号：data708位数据输入端；wren读/写控制端，高电平进行写操作，低电平进行读操作； address70 读出和写入地址。clock读/写时钟脉冲；q70 lpm_rom的8位数据输出端。图3 lpm_ram_dq的结构图 哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*31实验三 存储器实验 实验2 lpm_ram_dq（RAM）实验图4 lpm_ram_dq实验电路哈尔滨工程大学 计算机
16、科学与技术学院 计算机实验教学中心*32实验四 总线控制实验l实验目的l理解总线的概念及特性l掌握总线传输控制特性哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*33实验四 总线控制实验l实验原理1、总线概念总线是多个系统部件之间进行数据传输的公共通路， 是构成计算机系统的骨架。借助总线连接，计算机在系统 各部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作。所谓 总线就是指能为多个功能部件服务的一组公用信息线。数据输入开关地址寄存器 AR存储器 RAM数码管 LED寄存器 R0SW-BLDARCSW/RLED-BW/RR0-BLDR0总线图5 总线实验传输框图 哈尔滨工程大学 计算机科学与技术学院 计算机实验教学中心*34实验四 总线控制实验2、总线工作原理实验所用总线实验传输框图如图所示。它
