论文部分内容阅读
CPU是计算机系统控制中心,复杂程度高设计困难。对计算机专业的学生来说,掌握了CPU的设计基础和经验,对今后的软硬件开发工作来说会有大的帮助。所以教学CPU系统的设计开发是高等学校计算机本科专业课程体系的一个热点。但是目前国内高校普遍使用的教学计算机,大多只能实现验证性的实验,无法完成创造性的综合设计实验。验证性实验模式不能给学生提供自主设计和发挥的空间。要想改变这种现状就需要进行教学CPU的研究设计。本课题采用大规模可编程器件FPGA为设计芯片,以TEC-XP教学实验计算机为硬件平台,使用当前流行的硬件设计语言VHDL和ABEL语言进行硬件描述。最终设计实现一个功能相对简单的CPU系统,并且能够对该系统的设计方案进行测试和验证。以此设计为模板,可以针对计算机专业的硬件实践教学开设一个全新的实验项目,由学生自主设计研制CPU系统,从而实现用设计的CPU构建完成的教学计算机系统。现场可编程门列阵FPGA属于专用集成电路中的一种,是半定制式电路。FPGA芯片功耗低,设计方便同时修改灵活。因此采用FPGA来进行教学设计实验,可以方便实现一个简单CPU的功能设计与实现。TEC-XP教学计算机是清华大学科教仪器厂研制的一款针对计算机专业本科硬件实践教学的实验台。该实验平台采取双CPU系统,其中由CPLD芯片完成的CPU系统可以实现计算机组成原理的部件实验,而由FPGA芯片实现的CPU部分可以用来完成一个简单全新的RISC结构的MIPS计算机CPU的设计实验。这2个CPU系统运行同样的指令系统,可以确保软件系统的兼容性。VHDL语言是功能强大的硬件描述语言,可以很灵活的实现完成FPGA-CPU各个模块的功能。FPGA-CPU的设计要求对CPU功能进行认真研究和学习,在此基础上对CPU功能提出需求建议,从而完成设计方案。从确定指令系统架构开始着手,进行指令集、指令格式、寻址方式和执行流程的设计和实现。然后对FPGA-CPU进行整体结构设计和细化。本课题的CPU设计可以划分为4个逻辑部件模块：顶层模块、运算器部件模块、数据总线部件和控制器部件。由VHDL语言具体实现各个逻辑设计,最后进行硬件调试。通过本课题的设计实现,给学生提供一个构建真实计算机原型的机会,从而使学生在CPU设计过程中达到更深入和系统地理解计算机组成与系统结构知识的目的。