基于FPGA技术的计算机组成原理实验系统

　　“计算机组成原理”是计算机系所有专业学生的一门核心课程。他涉及的知识面非常广，内容包括中央处理器、指令系统、存储系统、总线和输入输出系统等方面，学生在学习该课程时，普遍觉得内容抽象难于理解。借助于“计算机组成原理”实验系统，学生通过实验环节，可以进一步融会贯通学习内容，掌握计算机各模块的工作原理，相互关系的来龙去脉。

　　为了增强实验系统的功能，提高系统的灵活性，降低实验成本，我们采用FPGA芯片技术。该技术可根据用户要求为芯片载入不同的逻辑，FPGA芯片具有重复编程能力，使得系统内硬件的功能可以像软件一样被编程，这种称为“软”硬件的全新系统设计概念，使实验系统具有极强的灵活性和适应性。他不仅使该系统性能的改进和扩充变得十分简易和方便，而且使学生自己设计不同的实验变为可能。

　　1实验系统的组成

　　整个“计算机组成原理”实验系统采用FPGA-XC4010EPC84,62256CPLD和其他外围芯片(例如74LS244,74LS275)组成。根据不同的实验要求，规划不同实验控制逻辑。用户可选择不同的实验逻辑，通过把实验逻辑下载到FPGA芯片中构成自己的实验平台。

　　1.1实验系统组成

　　整个实验系统由4部分组成：PC机、下载电缆、实验台、扩展板。具体组成结构如图1所示。

　　PC机完成实验系统的管理及实验逻辑的下载，PC机的打印机接口通过下载电缆和实验台相 连，下载的电路逻辑经FPGA JTAG接口送入实验台上的芯片XC4010中配成相应的实验系统。实验台上有一个64芯插座，与扩展板连接，进行交互。实验台上除了XC4010外，还有接口隔离电路、开关输入电路、接口控制电路等。实验台具体结构如图2所示。

　　图2中XC9536为接口译码电路。该电路完成数码管显示的段译码、及外围设备的地址译码功能。

　　1.2实验系统的特点

　　基于FPGA技术的计算机组成原理实验系统突破了传统电子线路实验手工连线方法，连线工 作通过软件在FPGA芯片内部进行，极大地降低了偶然因素的影响，内置模块具有更高的稳定性与正确性。实验系统具有如下特点：

　　(1)在下载存储程序时，通过微机并行打印口将FPGA预配置成具有专门功能的器件，并利用他将外部器件仿真成符合边界扫描标准的器件，完成微机对外部器件的动态配置;当外部器件的动态配置完成后再将FPGA配置成最终所需电路。设计通过预配置成功完成对外部器件的动态配置任务。

　　(2)电路逻辑下载不仅涉及IEEE1149标准，还包括在非实时操作系统Windwos 98中虚拟设备驱动程序的开发、伪实时代码的编写以及系统管理软件的设计工作。