現代計算機組成與SOC創新設計開發系統

               型號：KX-CPD55

隨著電子技術的發展，核心技術已經愈來愈集中在集成電路芯片和軟件之中，其中CPU和OS設計技術是最為核心的技術。特別是高性能計算機技術一直是衡量國家實力的一個重要標志。美國的高校本科計算機專業中都無一不是安排了CPU硬件設計方面的課程和實驗內容。例如麻省理工學院的一門相關課程就是《計算機系統設計》。學生在實驗課中，須自主完成ALU、單指令周期CPU（single cycle CPU）、多指令周期CPU，乃至實現流水線32位MIPS CPU和Cache的設計；Stanford大學計算機系的本科生也有相似的課程和實驗，即《計算機組成與設計》課。實驗要求學生以各自獨立的形式，用硬件描述語言自主實現CPU、VGA顯示控制模塊等接口，最后實現于FPGA中，并完成軟硬件調試。此外，如University of California和Berkeley和Brigham Young University等學校在基于FPGA的超級計算機研制方面也有大量成果。

然而我國高校計算機專業對等課程的教學情況總體而言不容樂觀。盡管也通常包含了《計算機組成原理》的課程，但調研表明，多數學校僅將此課程定位在計算機模型認知的層面上；而在實驗與實踐方面，此課程的實驗則主要是完成由分離元件構成的簡單模型CPU的驗證性實驗，根本談不上與實際工程相聯系的設計，更沒有國外高校類同的自主創新型CPU設計任務，以及與現代計算機系統硬件設計工程相吻合的教學與實踐內容。這導致了國內大多數計算機專業人才知識結構一直存在的“偏軟怕硬”的缺陷。

針對這一情況， 科學出版社就于2007年就推出了《現代計算機組成原理》一書，潘松等教授編著。該教材后被評為國家級精品教材（上圖。在當年國內高校所有專業教材中，評選出的218種教材中，該書是唯一涉及計算機組成原理的教材）。《現代計算機組成原理》第二版（上圖。2013年）提供了基于現代計算機設計技術的關于CPU和計算機系統硬件設計理論和設計技術方面較完整和豐富的內容。其中有基于單片FPGA硬件平臺的微程序控制模式的8位CISC模型計算機原理和設計技術；16位實用CISC CPU的基本原理、設計技術和創新實踐指導；基于流水線技術的RISC CPU設計技術；基于32位OpenRISC1200處理器系統的SOC構建和應用設計以及基于經典處理器的8051CPU核與8088/8086 CPU核構建SOC(System Of a Chip)系統的基本理論和設計技術。對應每一章，還提供了有針對性的實驗與實踐項目，甚至包括激發學習者創新意識和培養創新能力的CPU創新設計競賽項目。

近些年中，認可并實踐此教材基本教學理念和教學實驗內容的高校不斷增加，其中許多高校的計算機專業選擇此書作為教材或選擇教材中提到的FPGA實驗系統來完成對應的硬件實驗；這些學校有西安交大、西北大學、中國人民大學、吉首大學、哈工大、北航、中國民航大學和南郵、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校竟然是一所外語學校，即廣州外語學院。該校有關老師對于外語專業學生兼修計算機軟件技術和基于FPGA的計算機硬件設計技術在拓寬就業口徑，提高就業率方面所表現出的優勢有很高的評價。

 一、模塊化計算機原理與設計綜合實驗系統

KX_CPD結構示意圖。由于以上介紹的4教材中大量的實驗和設計項目涉及許多不同類型的，可自由增減的擴展模塊，主系統平臺上有許多標準接口。以其為核心，對于不同的實驗設計項目，可接插上對應的接口模塊。如VGA/PS2模塊、TFT數字彩色液晶模塊、USB模塊、寬位數據輸入輸出模塊、SD卡模塊、點陣液晶模塊、各類存儲器模塊、各類A/D與D/A模塊及各類鍵盤模塊等；這些模塊可以是現成的，也可以根據主系統平臺的標準接口和創新要求由教師或學生自行開發。     通常，諸如EDA技術、計算機組成與設計、微機原理與接口技術、單片機技術等傳統實驗平臺多數是整體結構型的，雖也可完成多種類型實驗，但由于整體結構不可變動，實驗項目和類型是預先設定和固定的，很難有自主發揮的余地，對于學生的創新思想與創新設計如果與實驗系統的結構不吻合，便無法在此平臺上獲得驗證；同樣，教師若有新的創新型實驗項目，也無法及時融入實驗系統供學生發揮。因此此類平臺不具備可持續拓展的潛力，也沒有隨需要更新和升級的能力。特別是針對EDA/SOPC的創新實驗，涉及的自主設計項目更多，結構變化更大，系統更復雜，完全不可能預知最后設計出的創新項目應該包含哪些功能結構和接口模塊。顯然，多模塊自由組合結構給出了最好的解決方案。 

模塊化結構給出了最好的解決方案：

○ 在創新實踐中，能提供構建計算機內部結構的邏輯資源和存儲器資源，豐富到足以涵蓋學生的創造力所及的任何形式和規模設計項目。

○ 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等等現成的模塊外，還提供能適應實驗者隨時根據自己的創新實驗需要，自主安排和設計新功能模塊的標準接口。

○ 從該教材多數章節也能看出，特別是對于CPU設計，將實驗硬件平臺定位于大規模邏輯容量的FPGA，在硬件測試，軟件調試，軟硬件聯合開發與測試方面，以及微指令系統的實時編輯調試是十分必須的，特別是基于Quartus II平臺的強大的測試工具，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新設計綜合實驗系統，已成為高校目前十分流行的實踐平臺。特別指出：KX_CPD系統在除了適用于此教材中涉及的所有實驗和創新實踐外，還能很專業地包涵諸如數字電路與數字系統設計實驗、EDA技術實驗、VHDL/Verilog硬件描述語言應用實驗、SOPC開發、微機原理與接口技術實驗及8088/8086/8051 IP核的SOC片上系統設計等。

圍繞《現代計算機組成原理》第2版教材的實驗和創新實踐項目，基于單片大規模FPGA所能實現的實驗和SOC設計類型包括： 

型號:KX-CPD55 完成以下實驗：

利用QuartusII的In-System Sources and Probes實時測試載入FPGA中的8位模型機執行指令的波形其中的M、uA、RAM、BUS、WE分別是微指令、微地址、存儲器、總線數據、RAM寫允許等信號

利用嵌入式邏輯分析儀對載入FPGA中的16位CPU的運行情況進行實時測試的波形和數據

對于加法指令和存數指令在16位CPU中的執行情況的仿真波形片段

○ 基本軟件：1）Quartus II 9.0/11.0；2）ModelSim；3）Synplify；4）IDE；5）8051單片機IP核；6）8088/8086 CPU IP核；7）8088/8086微機系統接口模塊IP核：8253核、8237核、8259核、8255IP核和8250等IP核；8）Nios II和64MSRAM  

★ 完成五大類實驗項目 

一、計算機組成原理與計算機體系結構類：

◇ 算術運算器、ROM、單雙口RAM、FIFO、FPGA外部RAM/Flash存儲器實驗；

◇ 微控制器時序電路、乘法累加器設計、程序計數器與地址寄存器；

◇ 微控制器設計、總線控制器、鎖相環應用、嵌入式邏輯分析儀應用等；

◇ 8位微程序控制的模型計算機的設計與實現。包括CPU設計，硬件指令設計，軟硬件聯合開發等；

◇ 基于FPGA的片上系統（SOC）的MCS-51單片機IP核實驗與設計

◇ 基于狀態機的完整16位CPU設計。包括CPU設計，硬件指令設計，軟硬件聯合開發，SOC實現等；

◇ 基于流水線構架的16位RISC CPU設計及計算機體系結構相關實驗；

◇ 基于FPGA的片上系統32位OPEN RISC軟核嵌入式系統軟硬件設計；◇ 計算機系統創新設計與實驗。

二、硬件描述語言HDL與EDA/SOPC技術類實驗和設計。

如移位相加硬件乘法器設計、用流水線技術設計高速數字相關器、線性反饋移位寄存器設計、VGA圖像顯示控制器設計、直接數字式頻率合成器設計等實驗。

三、基于單片FPGA的8086/8088 CPU核

8253/8254 IP核（定時器）；8250 IP核（UART串行通信）；8237 IP核（DMA控制器）；8259 IP核（可編程中斷控制器），鎖相環核等經典IBM計算機系統設計。由于8086/8088核的全兼容性，傳統微機原理及微機接口實驗中的C和8086匯編程序都能直接由該核運行，完成基于EDA技術的微機原理及微機接口方面的部分實驗。

四、全國大學生電子設計競賽培訓及開發。

能承擔大學生電子設計競賽中許多設計題目的培訓任務，進一步強化計算機學生基于現代電子技術的硬件系統設計能力。

五、基于MATLAB和DSP Builder的全硬件高速DSP系統實驗和設計

需要增配多通道超高速ADC/DAC適配板。