SHYL-CJ5創(chuàng)新型計算機體系結(jié)構(gòu)開發(fā)設(shè)計實驗箱

一、計算機體系結(jié)構(gòu)開發(fā)設(shè)計實驗箱架構(gòu)與特點

1、實驗平臺完全基于FPGA/CPLD的模塊架構(gòu)，結(jié)構(gòu)支持USB的GPIF高速傳送，組成如下：

1）USB設(shè)備開發(fā)與接口模塊：包含USB核心器件CY7C68013(含8051內(nèi)核)、串行EEPROM24LC01B、SRAMHY62WT081E、EPM3064ATC100、數(shù)據(jù)總線開關(guān)SN74CB3Q3245、鎖存器74VHC373、方口USB接口。

2）平臺接口控制用CPLD模塊：包含EPM3512AQC208主芯片、備頻器DS1080L、JTAG下載接口等。

3）CPU或IPCore用FPGA模塊：包含核心器件EP1C12Q240C8、配置芯片EPCS4、JTAG下載接口等。

4）主存模塊4MBSRAM，由8片512KSRAM62V8400A組成，1MBFlash放BIOS或TOS，由AM29LA800BT組成。

5）外圍接口開發(fā)用CPLD模塊：含EPM1270T144C4和JTAG下載接口等。

6）CPU-BUS擴張模塊：含USB雙向差分器MAX3346E、SRAMHY62WT081E

7）以太網(wǎng)接口模塊：含6PT8515、差分驅(qū)動器DS90LV011AH和差分接收器DS90LV012AH。

8）串行通信接口：含MAX232電平轉(zhuǎn)換器和RS232-9接口。

9）GPIF接口：含SRAMHY62WT081E和IDC-40接口。

10）自設(shè)計CPU外部接口：含TFT-LCD顯示接口、IDE硬盤接口、LAN接口等。

2、結(jié)構(gòu)靈活，便于擴充，適宜各種不同結(jié)構(gòu)CPU和目標設(shè)計

1）完全基于FPGA/CPLD的本身使其結(jié)構(gòu)靈活

2）用作CPU/IPCore的FPGA（30萬門）和外圍接口的CPLD使用背板轉(zhuǎn)插，方便更換和維護。

3）作CPU的FPGA設(shè)計了相當?shù)膫浞菪盘柌⒘粲休^多引腳連接。提供頂層調(diào)用目標的詳盡描述模板和引腳配置文件。

4）接口控制用CPLD（萬門）模塊邏輯描述開放，增改方便、說明詳盡。

3、控制簡單，操作方便，智能化的控制和檢測功能

1）帶有上位主機的本系統(tǒng)調(diào)試debug（WIN2K/XP）軟件，對CPU及其組成的實驗計算機，具有啟、停，程序加載與校驗。

2）在單步、單指、斷點運行時，在CPU的跟蹤回收邏輯配合下，debug將自動跟蹤回收顯示CPU內(nèi)部寄存器、總線、狀態(tài)等信息，可及時發(fā)現(xiàn)錯誤。用戶可在CPU的跟蹤回收邏輯里，自己選擇所要看的信息。

3）目標CPU可透明使用PC機的各種外部設(shè)備，在連續(xù)運行時可通過雙機（主機與目標CPU）通訊（中斷IO方式），輸入實驗計算機所需要的數(shù)據(jù)，顯示運行數(shù)據(jù)、結(jié)果與狀態(tài)。

4）對數(shù)字邏輯或其它系統(tǒng)實驗（包括計算機組成原理與體系結(jié)構(gòu)部件實驗）時，用debug的讀寫存貯菜單，可對CPU/IPCore的FPGA的專用空間所設(shè)計的寄存器進行其輸入數(shù)據(jù)和參數(shù)設(shè)置以及讀出目標輸出信息。

4、遠程設(shè)計

1）操作者可以通過網(wǎng)絡(luò)的XP遠程桌面進行設(shè)計實驗，操作類同，效果一致。

二、計算機體系結(jié)構(gòu)開發(fā)設(shè)計實驗箱實驗課程項目

A、《計算機組成原理》與《CPU設(shè)計與測試》

①CPU各部件設(shè)計實驗

1、譯碼器

2、簡單指令部件（硬布線控制）

3、16位運算器

4、存貯器（用FPGA內(nèi)SRAM）

5、FIFO先進先出存儲器

6、8位累加器、雙端口8×4累加器

7、16位電位型移位邏輯

8、8級嵌套堆棧

9、程序計數(shù)器

10、時序邏輯

11、3態(tài)總線等

②CPU設(shè)計實驗

1、自定義8位指令系統(tǒng)CPU，指令形式：RISC、CISC、MISC；

2、16位指令8086/86兼容CPU，16-40條或全指令集；

3、MIPS的12-16條、32位簡化兼容CPU。

③創(chuàng)新CPU設(shè)計(配套提供教師講課內(nèi)容、實驗文件PPT、學生作業(yè)內(nèi)容和要求、設(shè)計參考等整套文檔）

1、LC-3結(jié)構(gòu)CPU設(shè)計流程實驗。

2、LC-3結(jié)構(gòu)并行流水設(shè)計實驗。

B、《數(shù)字邏輯》

計數(shù)器、數(shù)碼管譯碼電路、全加器、分頻與系列波、4位數(shù)據(jù)漢明校驗、簡化串行通訊等。

C、《計算機體系結(jié)構(gòu)》

①多CPU、共享存貯器、雙機（M、S）通訊、浮點運算器等設(shè)計驗證，外加CPU總線擴張板可做橋路、總線轉(zhuǎn)換、存貯管理和控制部件、外設(shè)總體結(jié)構(gòu)等實驗。

②外圍設(shè)備接口邏輯設(shè)計實驗包括IDE、TFT-LCD、LAN、USB、RS232、LPT等。

③系統(tǒng)BIOS和TOS實驗。

D、《硬件描述語言》與《高密度可編程器件應(yīng)用》

VHDL、Verilog、AHD等語言編程設(shè)計、仿真與下載驗證實驗。

E、作為科研開發(fā)硬件邏輯或IPCore設(shè)計或USB設(shè)備開發(fā)的予驗證和培訓系統(tǒng)

所有實驗?zāi)繕说脑O(shè)計均使用硬件描述語言VerilogHDL和在系統(tǒng)可編程器件FPGA/CPLD實現(xiàn)。實驗中學生不需要接任何線，專心于設(shè)計與驗證調(diào)試。

實驗過程：目標的VerilogHDL邏輯描述→編譯通過→邏輯模擬仿真（手工、模板）驗證→在實驗平臺測試下載目標邏輯和測試程序數(shù)據(jù)測試驗證。

對FPGAD/CPLD編程下載提供頂層調(diào)用目標的詳盡描述模板和引腳配置文件，為用戶及設(shè)計者提供極大的方便。

如果是CPU設(shè)計、體系結(jié)構(gòu)實驗，其提高型還包括C語言編寫的指令仿真機、匯編器或高級編譯器設(shè)計，監(jiān)控程序、BIOS、Tos操作系統(tǒng)設(shè)計（可與其它相關(guān)課程的實驗配合進行）。

FPGA設(shè)計與編程使用Altera的MAX+PlusII10.2、QuartusII4.1-7.2系統(tǒng)。