基于FPGA開放CPU的設計與實現(xiàn).pdf

1、CPU是計算機系統(tǒng)控制中心，復雜程度高設計困難。對計算機專業(yè)的學生來說，掌握了CPU的設計基礎和經(jīng)驗，對今后的軟硬件開發(fā)工作來說會有大的幫助。所以教學CPU系統(tǒng)的設計開發(fā)是高等學校計算機本科專業(yè)課程體系的一個熱點。但是目前國內(nèi)高校普遍使用的教學計算機，大多只能實現(xiàn)驗證性的實驗，無法完成創(chuàng)造性的綜合設計實驗。驗證性實驗模式不能給學生提供自主設計和發(fā)揮的空間。要想改變這種現(xiàn)狀就需要進行教學CPU的研究設計。
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2、器件FPGA為設計芯片，以TEC-XP教學實驗計算機為硬件平臺，使用當前流行的硬件設計語言VHDL和ABEL語言進行硬件描述。最終設計實現(xiàn)一個功能相對簡單的CPU系統(tǒng)，并且能夠對該系統(tǒng)的設計方案進行測試和驗證。以此設計為模板，可以針對計算機專業(yè)的硬件實踐教學開設一個全新的實驗項目，由學生自主設計研制CPU系統(tǒng)，從而實現(xiàn)用設計的CPU構建完成的教學計算機系統(tǒng)?，F(xiàn)場可編程門列陣FPGA屬于專用集成電路中的一種，是半定制式電路。FPGA芯片功

3、耗低，設計方便同時修改靈活。因此采用FPGA來進行教學設計實驗，可以方便實現(xiàn)一個簡單CPU的功能設計與實現(xiàn)。TEC-XP教學計算機是清華大學科教儀器廠研制的一款針對計算機專業(yè)本科硬件實踐教學的實驗臺。該實驗平臺采取雙CPU系統(tǒng)，其中由CPLD芯片完成的CPU系統(tǒng)可以實現(xiàn)計算機組成原理的部件實驗，而由FPGA芯片實現(xiàn)的CPU部分可以用來完成一個簡單全新的RISC結構的MIPS計算機CPU的設計實驗。這2個CPU系統(tǒng)運行同樣的指令系統(tǒng)，可以

4、確保軟件系統(tǒng)的兼容性。VHDL語言是功能強大的硬件描述語言，可以很靈活的實現(xiàn)完成FPGA-CPU各個模塊的功能。FPGA-CPU的設計要求對CPU功能進行認真研究和學習，在此基礎上對CPU功能提出需求建議，從而完成設計方案。從確定指令系統(tǒng)架構開始著手，進行指令集、指令格式、尋址方式和執(zhí)行流程的設計和實現(xiàn)。然后對FPGA-CPU進行整體結構設計和細化。本課題的CPU設計可以劃分為4個邏輯部件模塊:頂層模塊、運算器部件模塊、數(shù)據(jù)總線部件和控