fpga教学应用

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1、FPGA在“计算机组成与结构”课程群实验教学中的应用南京大学计算机系吴海军2009.10主要内容ò课程群目标、内容ò实验课程内容框架设计ò实验教学实践2009-11-302“计算机组成与结构”课程群位置地位：对高层次计算机人才培养极其重要！Application•计算机系统的“基石”•计算机系学生的“专长区”Operating•计算机软件的“立足点”CompilerSystemSoftwareAssemblerInstructionSetArchitectureHardwareProcessorMemoryI/OsystemDatapath&ControlDi

2、gitalDesignCircuitDesigntransistors2009-11-303“计算机组成与结构”课程群内容10互联网技术、软件体系结构、软件中间件技术图形处理/图像处理/多媒体(音/视频)处理/文本处理/MIS…8操作系统算法/数据库/程序设计9编译系统6计算机系统结构7计算机网络与通信4微机原理与接口技术3计算机组成原理5嵌入式系统原理和开发2数字逻辑与数字系统设计1计算机系统概论“计算机组成与结构”课程群：1+2+3+4+5+6+72009-11-304课程群教学目标基本目标：提高对计算机系统的全面认识水平和系统设计能力ò建立计算机整机概念

3、，全面理解计算机系统的层次结构ò了解计算机指令集体系结构的设计原则和设计方案ò具备使用HDL语言进行计算机硬件设计的基本能力ò深刻理解OS和硬件之间的分工和衔接关系（如：异常、中断）ò掌握从硬件角度出发进行编译优化的基本技术（如：流水线调度、延迟槽、循环展开等）ò深刻理解从硬件角度出发编制高效程序的基本原理（如：Cache的局部性、变量的类型、表达式的计算等）ò提高利用硬件知识提高调试程序的能力（如：数据格式转换、大端/小端方式、中断处理程序设计）以达到：满足不同就业方向、为后续相关课程打下坚实基础、提高学生综合2009-11-30专业素养等培养目标5实验教学

4、目标òCPU设计ò软核操作系统应用程序编译/汇编程序ò应用程序设计软核操作系统VGAVGARAMRAMMIPSMIPS处理器处理器DMADMAROMROM总线总线....USBMMUMMU与与总线接总线接协处理器协处理器口单元口单元UART2009-11-306实验教学目标òFPGA使得上述教学目标成为可能！基于FPGA，使学生完整地从基本功能部件开始构建处理器、存储器、总线和I/O接口等组成的较完善的计算机硬件，并在CPU软核及其IDE上实现外设驱动程序、OS和简单应用程序，使学生逐步经历一整套完整的计算机系统设计和实现过程2009-11-307实验教学思路

5、ò所有课程实验在统一平台上实现，实验内容相互依托、避免重复、逐步深入所有课程的实验都在AlteraDE2开发板上进行，便于巩固和加深理解实验内容ò由低层逐步向高层过渡，最终使学生全面建立计算机系统的概念功能部件→CPU→“CPU-BUS-MM和I/O”互连系统→硬件+OS→硬件+OS+简单软件ò采用由简到繁、先模拟再仿真的CPU设计实验教学方式从模拟器入手、以功能部件设计为先导、单周期CPU设计为过渡、最终实现流水线CPU2009-11-308《数字逻辑电路》ò教学内容（部件级）ò围绕组合逻辑设计和时序逻辑设计两大核心内容进行展开ò采用“实例化”教学思想，以后

6、续课程所用功能部件作为设计实例ò加强对大型硬件设计平台和开发工具等的实验力度（包括硬件描述语言、FPGA设计等）ò实验内容：ò数字电路设计入门（HDL语言简介，QuartusII使用介绍等，并完成简单的组合逻辑实验：选择器，二、十进制转换和加法器）ò组合逻辑电路设计实验（乘法器、译码器和编码器）ò时序逻辑电路设计实验（锁存器、触发器和寄存器，计数器和时钟，移位寄存器，存储器，简单的控制器）ò综合数字电路实验2009-11-309《计算机组成原理》ò教学内容（“处理器和存储器”级）ò以“C语言→MIPS汇编→MIPS目标代码→MIPS处理器设计”为主线ò以“汇编

7、器设计”和“MIPS模拟器”为先导ò从程序员角度出发，强调软件和硬件之间的关联ò重点在流水线CPU设计ò实验内容：ò用VerilogVHDL语言设计32位32个寄存器组òALU与ALU控制器设计实验ò32位桶形移位器设计实验ò单周期CPU设计实验ò多周期CPU设计实验ò实验大作业：流水线CPU设计2009-11-3010《微机原理与接口技术》ò教学内容（“处理器+存储器+总线+I/O”级）ò以Intel公司的x86处理器和基于IA-32体系结构的PC机为实例ò实验ò一系列基于SOPC技术（基于NiosII软核）的总线和I/O接口实验2009-11-3011《嵌

8、入式系统技术》ò教学内容（“硬件+OS