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1、 现代计算机组成原理实验讲义 杭州康芯电子有限公司www.kx-目 录前 言1实验一 QUARTUSII EDA工具与VHDL基础实验41-1. 应用QuartusII完成基本组合电路设计41-2. 应用QuartusII完成基本时序电路的设计51-3. 设计含异步清0和同步时钟使能的加法计数器61-4. 7段数码显示译码器设计71-5. 8位数码扫描显示电路设计81-6. 数控分频器的设计91-7. 32位并进/并出移位寄存器设计101-8. 在QuartusII中用原理图输入法设计8位全加器101-9. 在QuartusII中用原理图输入法设计较复杂数字系统111-10. 用Quartus
2、II设计正弦信号发生器111-11. 8位16进制频率计设计131-12. 序列检测器设计161-13. VHDL状态机A/D采样控制电路实现17实验二 运算器组成实验191算术逻辑运算实验192带进位算术运算实验223. 移位运算器实验23实验三 存储器实验241、FPGA中LPM_ROM定制与读出实验242FPGA中LPM_RAM读写实验263FIFO定制与读/写实验274FPGA与外部16位RAM接口实验28实验四 微控制器实验301 节拍脉冲发生器时序电路实验302. 程序计数器PC与地址寄存器AR实验323.微控制器组成实验34实验五 总线控制实验36实验六 基本模型机设计与实现39
3、实验七 带移位运算的模型机设计与实现47实验八 复杂模型机的设计与实现52实验九较复杂CPU设计示例56实验十16位精简指令CPU设计实验58实验十一 32位NIOS CPU嵌入式系统软硬件设计实验671 NIOS软硬件开发流程673 SOPC整体系统生成734 Nios硬件系统生成74实验十二 32位NIOS CPU测控系统串口接收程序设计77实验十三 GSM短信模块程序设计77实验十四 基于32位NIOS CPU 的秒表程序设计78实验十五 NIOS AVALON SLAVE总线外设（PWM模块）设计81实验十六 NIOS AVALON SLAVE总线外设（数码管动态扫描显示模块）设计81
4、实验十七 基于NIOS的VGA显示终端设计81实验十八 DMA应用和俄罗斯方块游戏设计82实验十九 为NIOS嵌入式系统增加算法加速协处理模块控制指令82实验二十. 计算机体系结构实验82实验二十一. 89K51单片机核应用系统软硬件设计实验82附录：GW48 EDA/SOPC主系统使用说明8297- -前 言随着大规模集成电路技术和计算机技术的不断发展，在涉及通信、国防、工业自动化、计算机应用、仪器仪表等领域的电子系统设计工作中，现场可编程(FPGA)技术含量正以惊人的速度上升。电子类的新技术项目的开发也更多地依赖于FPGA技术的应用，特别是随着VHDL等硬件描述语言综合工具功能和性能的提高
5、，计算机中许多重要的元件，包括CPU都用硬件描述语言来设计和表达，许多CPU（如8051单片机、8086等），硬核嵌入式系统（如ARM、Excalibue系列FPGA）、软核嵌入式系统（如Nios），微机CPU，乃至整个计算机系统都用FPGA来实现，即所谓的单片系统：SOC和SOPC（System On a Chip、System On a Programmerble Chip ）。计算机和CPU的设计技术及其现方法进入了一个全新的时代！不但如此，传统的CPU结构模式，纽曼结构和哈佛结构正在受到巨大的挑战。例如，美国赢通系统公司（Wincom Systems）推出一款令人惊叹的服务器，其核心部
6、分由FPGA完成的超强功能CPU。该系统工作能力超过50台戴尔或IBM计算机，或Sun Microsytems公司的服务器。该服务器的处理速度要比传统服务器快50到300倍。我们知道，传统的个人电脑及服务器通常采用英特尔的奔腾处理器或SUN公司的SPARC芯片作为中央处理单元，而赢通的这一产品却没有采用微处理器，而是由FPGA芯片驱动。FPGA芯片的运行速度比奔腾处理器慢，但可并行处理多项任务，而微处理器一次仅能处理一项任务。因此，赢通公司的服务器只需配置几个价格仅为2000多美元的FPGA芯片，便可击败SUN公司的服务器或采用英特尔处理器的电脑。50多年前，匈牙利数学家纽曼（John von
7、 Neumann）提出了电脑的设计构想：通过中央处理器从存储器中存取数据，并逐一处理各项任务。现在，通过采用FPGA，SOPC及顺序与并行方式相结合的软核嵌入式系统取代传统微处理器，导致Xlinx的CEO Willem Roelandts所说的“由纽曼提出的电脑架构已经走到尽头”，“可编程芯片将掀起下一轮应用高潮。FPGA芯片以操作灵活著称，可以重复擦写无限次，而微处理器均采用固定电路，只能进行一次设计。设计人员可通过改变FPGA中晶体管的开关状态对电路进行重写，即重配置。从而，尽管FPGA芯片的时钟频率要低于奔腾处理器，但是由于FPGA芯片可并行处理各种不同的运算，所以可完成许多复杂的任务。
8、例如网页显示，全球天气建模及基因组合核对等，而且处理速度比奔腾处理器或数字信号处理器快得多。戴尔和SUN公司生产的某些标准服务器也采用了ALTERA公司的FPGA芯片。时代逻辑公司对这些标准服务器加以改进之后，生产了一种用于基因研究的高速处理设备。时代逻辑公司总监Christopher Hoover说该设备比原来的产品至少快1000倍。美国的Annapolis Micro Systems公司在其电脑芯片电路板中也集成了FPGA芯片，以便提高其产品性能。该公司首席执行官Jane Donaldson指出，相关产品的销售量与前两年相比翻了一番。IBM和Xilinx公司正在合力开发一种混合芯片，以整合
9、前者的PowerPC微处理器和后者的FPGA芯片。这种芯片的好处是：一台网络服务器的FPGA部分可以根据不同的标准进行订制，而不用为每个国家开发一种新的芯片。美国Star Bridge Systems公司也声称已在进行一项技术尝试，即采用FPGA芯片和该公司自己的Viva编程语言开发出“超级电脑（hypercomputer）”，对该超级电脑进行测试的美国国家航空航天局（NASA）科学家表示“其运行速度无与伦比，这一产品的性能令人过目难忘”。超级电脑是科技世界中的极品：售价奇高、速度飞快、集成了数以千计的微处理器。但这种超级电脑也浪费了非常多的芯片资源，每个处理器只能进行单任务操作，大部分功能难
10、以充分发挥。现在有了另一种更为简洁的设计：设计工程师采用FPGA芯片来武装超级电脑，取代了原先大量的英特尔奔腾处理器。经过使用硬件描述语言和相关软件语言的设计，FPGA芯片可并行处理多项任务，从而使所有电路都能随时发挥作用。又由于FPGA芯片可以反复编程培植，而且几乎可瞬时完成。例如可通过利用FPGA的重配置功能，在某一时刻它可以用来预报全球天气状况，而下一时刻又可根据某公司做的主要利率对冲情况来评估债券市场的风险，或是转而去做图象信息处理。其它公司或机构的研究人员，如美国加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）和杨百翰大学（Brigham Y
11、oung University）的研究员也正在设计基于FPGA的电脑，这些电脑可在运行中实现动态重配置。这对定位危险目标等军事应用和面容识别一类的计算密集型安全应用十分有用。不言而喻，全新的计算机设计技术和实现技术向传统的计算机组成原理的教学内容和实验方式提出尖锐的挑战。相形之下，传统的计算机组成原理实验方式已显得十分不合时宜。显然，传统的实验方式，就教学实验内容上看，与现代的计算机组成模式、理念、基本理论和构成形式及方案上都无任何吻合之处；就实验方法上看，完全是一种脱离现代计算机实际组成技术和测试技术（现代测试技术包括JTAG、嵌入式逻辑分析仪等）的，由实验系统设计者一相情愿的构建，难免引出
12、诸多对初学者产生误导的实验方法；就实验模式和模型上看，与真实的现代计算机组成和构建方式相去更远。现代计算机，包括嵌入式系统绝不可能是由一大堆独立的、低速的、传统逻辑器件连接而成，而是由硬件描述语言来表达，由ASIC或FPGA来实现的计算机系统；就教学实验内容上看，传统的计算机组成原理实验只能模拟普通CPU的工作，然而现代计算机应用领域，RSIC精简指令CPU的设计和应用正以前所未有的巨大规模向前发展，当前，无论在开发技术的投入还是应用市场的开拓都远远超过了基于传统构架的CPU（国内绝大多数学校仍然基于此CPU的教学）。不久前，清华大学对美国一些知名大学计算机实验室（如斯坦富大学）的调研表明，那
13、里计算机方面的硬件实验，包括计算机组成原理实验早已不用那种传统接插式实验，而是全部采用EDA技术进行所有的软硬件实验！显然，使用大规模FPGA、EDA软件工具和IEEE标准硬件描述语言构建的现代计算机组成原理实验系统取代传统的计算机组成原理实验已成为势在必行。利用FPGA技术，在实验中能方便灵活地设计出简单完整的模型机。基于查找表硬件结构的商用FPGA是当前进行快速系统原型设计最流行的ASIC手段。ALTERA的ACEX系列FPGA产品具有片上EAB，可以构成构成各种类型的存储器结构，利用在其内部的LPM可以实现微程序控制和管理复杂逻辑电路。现代计算机组成原理实验为实验者提供了全新的学习平台，
14、彻底克服传统组成原理实验项目与实际CPU设计技术完全脱钩，学用脱节，甚至误导的缺陷。让学生有机会接触到最新的计算机组成与设计方面的知识，使学习与工程实际相结合。传统计算机组成原理实验系统与现代计算机组成实验系统性能特点比较 结构与功能特点传统计算机组成原理实验系统现代计算机组成原理实验系统 实验特点本身只是一验证性模型，与实际的计算机设计模型无关真实反映了现代计算机设计工程实现原理、测试方法和设计技术 结构特点由规模不等的离散集成电路块和CPLD等器件构成CPU模型整个CPU，乃至RAM、ROM和通信接口可在单片FPGA中实现实验CPU总线控制方式采用三态门控制，仅适用于74系列小规模集成电路
15、构成方式采用总线多路开关，适于VLSI和FPGA等大规模集成电路工程CPU指令与微指令存储与形成方式通过外部ROM或EEPROM构成，指令的数量和微指令的宽度受到限制，难以扩展，CPU模型结构被限制。既可以采用传统的ROM或EEPROM存储，又可以采用FPGA中的EAB嵌入式方式，构成单片系统，更符合现代CPU设计理念。CPU指令和微指令的实现方式手工设计、画微指令流程图；手工（烧写或键入）输入方式实现。设计效率低、可靠性低，查错、排错、调试困难，耗时费力。利用计算机输入，形成专用文件格式，由EDA工具自动配置进FPGA中设定的RAM、ROM中，便捷、高效、实用，规范可用硬件资源采用中小规模集成电路，硬件资源非常有限，且结构固定，不便于系统扩展、设计思路受限制，有创意的设想无从得到验证采用FPGA超大规模集成电路，可利用资源丰富，灵活，设计者可根据需要反复调整和改变电路结构，创新设想易得到验证和实现观察计算机内部指令执行情况，及软硬件排错通过有限的发光二极管和数码管设置观察点，难以观察指令执行的细节情况，如竞争、毛刺等。硬件电路和软件排错都十
