現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組成與SOC創(chuàng)新設(shè)計(jì)開發(fā)系統(tǒng)

                型號(hào)：KX-CPD4E22

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，核心技術(shù)已經(jīng)愈來愈集中在集成電路芯片和軟件之中，其中CPU和OS設(shè)計(jì)技術(shù)是最為核心的技術(shù)。特別是高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)一直是衡量國家實(shí)力的一個(gè)重要標(biāo)志。美國的高校本科計(jì)算機(jī)專業(yè)中都無一不是安排了CPU硬件設(shè)計(jì)方面的課程和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。例如麻省理工學(xué)院的一門相關(guān)課程就是《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)》。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課中，須自主完成ALU、單指令周期CPU（single cycle CPU）、多指令周期CPU，乃至實(shí)現(xiàn)流水線32位MIPS CPU和Cache的設(shè)計(jì)；Stanford大學(xué)計(jì)算機(jī)系的本科生也有相似的課程和實(shí)驗(yàn)，即《計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)》課。實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生以各自獨(dú)立的形式，用硬件描述語言自主實(shí)現(xiàn)CPU、VGA顯示控制模塊等接口，最后實(shí)現(xiàn)于FPGA中，并完成軟硬件調(diào)試。此外，如University of California和Berkeley和Brigham Young University等學(xué)校在基于FPGA的超級(jí)計(jì)算機(jī)研制方面也有大量成果。

然而我國高校計(jì)算機(jī)專業(yè)對(duì)等課程的教學(xué)情況總體而言不容樂觀。盡管也通常包含了《計(jì)算機(jī)組成原理》的課程，但調(diào)研表明，多數(shù)學(xué)校僅將此課程定位在計(jì)算機(jī)模型認(rèn)知的層面上；而在實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐方面，此課程的實(shí)驗(yàn)則主要是完成由分離元件構(gòu)成的簡單模型CPU的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，根本談不上與實(shí)際工程相聯(lián)系的設(shè)計(jì)，更沒有國外高校類同的自主創(chuàng)新型CPU設(shè)計(jì)任務(wù)，以及與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)工程相吻合的教學(xué)與實(shí)踐內(nèi)容。這導(dǎo)致了國內(nèi)大多數(shù)計(jì)算機(jī)專業(yè)人才知識(shí)結(jié)構(gòu)一直存在的“偏軟怕硬”的缺陷。

針對(duì)這一情況， 科學(xué)出版社就于2007年就推出了《現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組成原理》一書，潘松等教授編著。該教材后被評(píng)為國家級(jí)精品教材（上圖。在當(dāng)年國內(nèi)高校所有專業(yè)教材中，評(píng)選出的218種教材中，該書是唯一涉及計(jì)算機(jī)組成原理的教材）�！冬F(xiàn)代計(jì)算機(jī)組成原理》第二版（上圖。2013年）提供了基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的關(guān)于CPU和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)技術(shù)方面較完整和豐富的內(nèi)容。其中有基于單片F(xiàn)PGA硬件平臺(tái)的微程序控制模式的8位CISC模型計(jì)算機(jī)原理和設(shè)計(jì)技術(shù)；16位實(shí)用CISC CPU的基本原理、設(shè)計(jì)技術(shù)和創(chuàng)新實(shí)踐指導(dǎo)；基于流水線技術(shù)的RISC CPU設(shè)計(jì)技術(shù)；基于32位OpenRISC1200處理器系統(tǒng)的SOC構(gòu)建和應(yīng)用設(shè)計(jì)以及基于經(jīng)典處理器的8051CPU核與8088/8086 CPU核構(gòu)建SOC(System Of a Chip)系統(tǒng)的基本理論和設(shè)計(jì)技術(shù)。對(duì)應(yīng)每一章，還提供了有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐項(xiàng)目，甚至包括激發(fā)學(xué)習(xí)者創(chuàng)新意識(shí)和培養(yǎng)創(chuàng)新能力的CPU創(chuàng)新設(shè)計(jì)競賽項(xiàng)目。

近些年中，認(rèn)可并實(shí)踐此教材基本教學(xué)理念和教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的高校不斷增加，其中許多高校的計(jì)算機(jī)專業(yè)選擇此書作為教材或選擇教材中提到的FPGA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來完成對(duì)應(yīng)的硬件實(shí)驗(yàn)；這些學(xué)校有西安交大、西北大學(xué)、中國人民大學(xué)、吉首大學(xué)、哈工大、北航、中國民航大學(xué)和南郵、大連理工等三十余所高校。最難得的是，最早加入這一教改行列的學(xué)校竟然是一所外語學(xué)校，即廣州外語學(xué)院。該校有關(guān)老師對(duì)于外語專業(yè)學(xué)生兼修計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和基于FPGA的計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)技術(shù)在拓寬就業(yè)口徑，提高就業(yè)率方面所表現(xiàn)出的優(yōu)勢有很高的評(píng)價(jià)。

 一、模塊化計(jì)算機(jī)原理與設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

KX_CPD結(jié)構(gòu)示意圖。由于以上介紹的4教材中大量的實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)項(xiàng)目涉及許多不同類型的，可自由增減的擴(kuò)展模塊，主系統(tǒng)平臺(tái)上有許多標(biāo)準(zhǔn)接口。以其為核心，對(duì)于不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，可接插上對(duì)應(yīng)的接口模塊。如VGA/PS2模塊、TFT數(shù)字彩色液晶模塊、USB模塊、寬位數(shù)據(jù)輸入輸出模塊、SD卡模塊、點(diǎn)陣液晶模塊、各類存儲(chǔ)器模塊、各類A/D與D/A模塊及各類鍵盤模塊等；這些模塊可以是現(xiàn)成的，也可以根據(jù)主系統(tǒng)平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)接口和創(chuàng)新要求由教師或?qū)W生自行開發(fā)。     通常，諸如EDA技術(shù)、計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)、微機(jī)原理與接口技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)等傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)多數(shù)是整體結(jié)構(gòu)型的，雖也可完成多種類型實(shí)驗(yàn)，但由于整體結(jié)構(gòu)不可變動(dòng)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和類型是預(yù)先設(shè)定和固定的，很難有自主發(fā)揮的余地，對(duì)于學(xué)生的創(chuàng)新思想與創(chuàng)新設(shè)計(jì)如果與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不吻合，便無法在此平臺(tái)上獲得驗(yàn)證；同樣，教師若有新的創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，也無法及時(shí)融入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)供學(xué)生發(fā)揮。因此此類平臺(tái)不具備可持續(xù)拓展的潛力，也沒有隨需要更新和升級(jí)的能力。特別是針對(duì)EDA/SOPC的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，涉及的自主設(shè)計(jì)項(xiàng)目更多，結(jié)構(gòu)變化更大，系統(tǒng)更復(fù)雜，完全不可能預(yù)知最后設(shè)計(jì)出的創(chuàng)新項(xiàng)目應(yīng)該包含哪些功能結(jié)構(gòu)和接口模塊。顯然，多模塊自由組合結(jié)構(gòu)給出了最好的解決方案。 

模塊化結(jié)構(gòu)給出了最好的解決方案：

○ 在創(chuàng)新實(shí)踐中，能提供構(gòu)建計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的邏輯資源和存儲(chǔ)器資源，豐富到足以涵蓋學(xué)生的創(chuàng)造力所及的任何形式和規(guī)模設(shè)計(jì)項(xiàng)目。

○ 在外圍接口方面，除大量豐富的接口模塊，如VGA、PS2、USB、SD卡、RS232串口、語音處理、AD/DA等等現(xiàn)成的模塊外，還提供能適應(yīng)實(shí)驗(yàn)者隨時(shí)根據(jù)自己的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)需要，自主安排和設(shè)計(jì)新功能模塊的標(biāo)準(zhǔn)接口。

○ 從該教材多數(shù)章節(jié)也能看出，特別是對(duì)于CPU設(shè)計(jì)，將實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)定位于大規(guī)模邏輯容量的FPGA，在硬件測試，軟件調(diào)試，軟硬件聯(lián)合開發(fā)與測試方面，以及微指令系統(tǒng)的實(shí)時(shí)編輯調(diào)試是十分必須的，特別是基于Quartus II平臺(tái)的強(qiáng)大的測試工具，如Signal Tap II、In-System Sources and Probes 和In-System Memory Content Editor等具有不可替代的功能。因此，類似模塊自由組合型創(chuàng)新設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，已成為高校目前十分流行的實(shí)踐平臺(tái)。特別指出：KX_CPD系統(tǒng)在除了適用于此教材中涉及的所有實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐外，還能很專業(yè)地包涵諸如數(shù)字電路與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、EDA技術(shù)實(shí)驗(yàn)、VHDL/Verilog硬件描述語言應(yīng)用實(shí)驗(yàn)、SOPC開發(fā)、微機(jī)原理與接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)及8088/8086/8051 IP核的SOC片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

圍繞《現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組成原理》第2版教材的實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目，基于單片大規(guī)模FPGA所能實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)和SOC設(shè)計(jì)類型包括： 

型號(hào):KX-CPD4E22 完成以下實(shí)驗(yàn)：

利用QuartusII的In-System Sources and Probes實(shí)時(shí)測試載入FPGA中的8位模型機(jī)執(zhí)行指令的波形其中的M、uA、RAM、BUS、WE分別是微指令、微地址、存儲(chǔ)器、總線數(shù)據(jù)、RAM寫允許等信號(hào)

利用嵌入式邏輯分析儀對(duì)載入FPGA中的16位CPU的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)測試的波形和數(shù)據(jù)

對(duì)于加法指令和存數(shù)指令在16位CPU中的執(zhí)行情況的仿真波形片段

 KX-CPD4E22配置如下：

 一、基本平臺(tái) 編號(hào):A 主系統(tǒng)

☆此平臺(tái)最多可同時(shí)插12 塊模塊板。

☆ KX_USB-Blaster2型雙功能編程器：(1)USB-Blaster編程下載功能(支持AS、PS、JTAG模式):1、對(duì)FPGA/CPLD進(jìn)行配置或編程；2、對(duì)配置器件EPCSx編程；3、訪問和編輯FPGA內(nèi)部RAM；4、調(diào)試Nios2，完成SOPC設(shè)計(jì)；5、支持SignalTapII 嵌入式邏輯分析儀。(2)USB到UART串行通信轉(zhuǎn)換：1、通過USB與FPGA串行通信，實(shí)現(xiàn)PC與FPGA的串行通信，且無需RS232電平轉(zhuǎn)換；2、通過USB與單片機(jī)的串行通信，實(shí)現(xiàn)PC與通用單片機(jī)的UART串行通信；3、通過USB對(duì)STC等系列單片機(jī)進(jìn)行直接編程開發(fā)，無需電平轉(zhuǎn)換。

☆ ByteBlasterMV編程器一個(gè)（可對(duì)isp單片機(jī)編程）�！� 5功能智能邏輯筆：可顯示高電平、低電平、中電平、高阻態(tài)、脈沖信號(hào)。注意有“高阻態(tài)”測試功能�！� 獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘頻率20個(gè)。20MHZ-0.5HZ�！� 電源有自動(dòng)保護(hù)的+5V，+12V、-12V、、+3.3V、2.5V+、1.2V�！� 8個(gè)LED放光二級(jí)管，8個(gè)乒乓開關(guān)，揚(yáng)聲器�！� DDS信號(hào)輸出口及幅度、偏移調(diào)諧。

 ○ 基本軟件：1）Quartus II 9.0/11.0；2）ModelSim；3）Synplify；4）IDE；5）8051單片機(jī)IP核；6）8088/8086 CPU IP核；7）8088/8086微機(jī)系統(tǒng)接口模塊IP核：8253核、8237核、8259核、8255IP核和8250等IP核；8）Nios II