现代计算机组成原理实验讲义

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1、现代计算机组成原理实验讲义杭州康芯电子有限公司www.kx-soc.com107--目录前言1实验一QUARTUSIIEDA工具与VHDL基础实验41-1.应用QuartusII完成基本组合电路设计41-2.应用QuartusII完成基本时序电路的设计51-3.设计含异步清0和同步时钟使能的加法计数器61-4.7段数码显示译码器设计71-5.8位数码扫描显示电路设计81-6.数控分频器的设计91-7.32位并进/并出移位寄存器设计101-8.在QuartusII中用原理图输入法设计8位全加器101-9.在QuartusII中用原理

2、图输入法设计较复杂数字系统111-10.用QuartusII设计正弦信号发生器111-11.8位16进制频率计设计131-12.序列检测器设计161-13.VHDL状态机A/D采样控制电路实现17实验二运算器组成实验191．算术逻辑运算实验192．带进位算术运算实验223.移位运算器实验23实验三存储器实验241、FPGA中LPM_ROM定制与读出实验242．FPGA中LPM_RAM读写实验263．FIFO定制与读/写实验274．FPGA与外部16位RAM接口实验28实验四微控制器实验301节拍脉冲发生器时序电路实验302.程序计

3、数器PC与地址寄存器AR实验323.微控制器组成实验34实验五总线控制实验36实验六基本模型机设计与实现39实验七带移位运算的模型机设计与实现47实验八复杂模型机的设计与实现52实验九．较复杂CPU设计示例56实验十．16位精简指令CPU设计实验58实验十一32位NIOSCPU嵌入式系统软硬件设计实验671NIOS软硬件开发流程673SOPC整体系统生成734Nios硬件系统生成74实验十二32位NIOSCPU测控系统串口接收程序设计77实验十三GSM短信模块程序设计77实验十四基于32位NIOSCPU的秒表程序设计78实验十五N

4、IOSAVALONSLAVE总线外设（PWM模块）设计81实验十六NIOSAVALONSLAVE总线外设（数码管动态扫描显示模块）设计81实验十七基于NIOS的VGA显示终端设计81实验十八DMA应用和俄罗斯方块游戏设计82实验十九为NIOS嵌入式系统增加算法加速协处理模块控制指令82实验二十.计算机体系结构实验82实验二十一.89K51单片机核应用系统软硬件设计实验82附录：GW48EDA/SOPC主系统使用说明82107--前言随着大规模集成电路技术和计算机技术的不断发展，在涉及通信、国防、工业自动化、计算机应用、仪器仪表等领

5、域的电子系统设计工作中，现场可编程(FPGA)技术含量正以惊人的速度上升。电子类的新技术项目的开发也更多地依赖于FPGA技术的应用，特别是随着VHDL等硬件描述语言综合工具功能和性能的提高，计算机中许多重要的元件，包括CPU都用硬件描述语言来设计和表达，许多CPU（如8051单片机、8086等），硬核嵌入式系统（如ARM、Excalibue系列FPGA）、软核嵌入式系统（如Nios），微机CPU，乃至整个计算机系统都用FPGA来实现，即所谓的单片系统：SOC和SOPC（SystemOnaChip、SystemOnaProgramm

6、erbleChip）。计算机和CPU的设计技术及其现方法进入了一个全新的时代！不但如此，传统的CPU结构模式，纽曼结构和哈佛结构正在受到巨大的挑战。例如，美国赢通系统公司（WincomSystems）推出一款令人惊叹的服务器，其核心部分由FPGA完成的超强功能CPU。该系统工作能力超过50台戴尔或IBM计算机，或SunMicrosytems公司的服务器。该服务器的处理速度要比传统服务器快50到300倍。我们知道，传统的个人电脑及服务器通常采用英特尔的奔腾处理器或SUN公司的SPARC芯片作为中央处理单元，而赢通的这一产品却没有采用

7、微处理器，而是由FPGA芯片驱动。FPGA芯片的运行速度比奔腾处理器慢，但可并行处理多项任务，而微处理器一次仅能处理一项任务。因此，赢通公司的服务器只需配置几个价格仅为2000多美元的FPGA芯片，便可击败SUN公司的服务器或采用英特尔处理器的电脑。50多年前，匈牙利数学家纽曼（JohnvonNeumann）提出了电脑的设计构想：通过中央处理器从存储器中存取数据，并逐一处理各项任务。现在，通过采用FPGA，SOPC及顺序与并行方式相结合的软核嵌入式系统取代传统微处理器，导致Xlinx的CEOWillemRoelandts所说的“由

8、纽曼提出的电脑架构已经走到尽头”，“可编程芯片将掀起下一轮应用高潮。FPGA芯片以操作灵活著称，可以重复擦写无限次，而微处理器均采用固定电路，只能进行一次设计。设计人员可通过改变FPGA中晶体管的开关状态对电路进行重写，即重配置。从而，尽管FPGA