[發明專利]一種計算機組成原理實驗平臺

無效

• 申請號: 201210224756.5
• 申請日: 2012-07-02
• 公開（公告）號: CN102789728A
• 公開（公告）日: 2012-11-21
• 發明（設計）人: 丁偉;肖鐵軍
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G09B23/18
• 分類號: G09B23/18
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 羅敏

技術領域

本發明涉及一種計算機組成原理實驗平臺，屬于計算機實驗儀器領域。

背景技術

計算機組成原理課程是計算機科學與技術專業本科階段必修的專業基礎課，其實驗課程的重要性不言而喻。國內各高校都很重視組成原理實驗課的教學，但所采用的實驗設備有很大的差異，主要包括基于模塊的傳統實驗箱、基于FPGA(Field－Programmable?Gate?Array，現場可編程門陣列)的實驗箱和基于通用FPGA開發板的實驗平臺三類。

基于模塊的傳統實驗箱由生產廠家將CPU的各個功能部件全部做好，學生實驗時只需通過連線和撥動相應開關就能完成實驗。該方式只能完成一些簡單驗證式的單個功能的實驗，缺乏系統性和設計性，另外，實驗模式和實驗內容難以突破實驗箱的限制，導致實驗內容和課堂教學內容不能很好配合，造成實驗效率低下，不能很好地起到鞏固課堂教學的目的。

基于FPGA的實驗箱由FPGA和實驗控制電路組成，實驗內容由實驗者設計并在FPGA內實現，提高了實驗內容的靈活性和設計性，但控制電路主要由單片機來實現，一旦設計完成，結構固定，難以完成系統的功能擴充和升級，成本較高。另外，利用該類實驗箱做實驗時，主要通過開關或按鍵完成數據的輸入，通過指示燈或數碼管完成結果的顯示，實驗現象不夠直觀。雖然有些實驗箱配有專門的實驗軟件來完成通信，但實驗軟件只能按預先設計的方式完成實驗，功能單一。

相比之下，基于通用FPGA開發板的實驗平臺更加靈活，功能也易于擴充，但也存在一些缺陷。首先，學生實驗前要花更多的時間去了解開發板，其次，當設計一個較大的系統，實驗的輸入輸出較多時，可能會出現FPGA管腳不夠用的情況，另外，缺乏一個上位機實驗軟件來完成實驗數據的輸入輸出，設計完成后，除了通過仿真來檢查實驗設計的正確性外，只能通過開發板開關輸入信息、通過指示燈顯示結果的方式來驗證和判斷設計的正確性。

SOPC（System-on-a-Programmable-Chip，可編程片上系統）：SOPC是一種特殊的嵌入式系統，首先它是片上系統（SOC），即由單個芯片完成整個系統的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統，具有靈活的設計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統可編程的功能。

發明內容

本發明的目的是提出一種基于FPGA的計算機組成原理實驗平臺，克服現有平臺的不足，降低實驗成本、提高實驗效率，充分體現實驗內容的設計性、開放性。

為實現上述發明目的，本發明提出了一種計算機組成原理實驗平臺，包括實驗模塊、嵌入式實驗控制器和PC機實驗軟件；其中實驗模塊是FPGA內的自由區域，實驗內容由實驗者設計實現；嵌入式實驗控制器由通信電路、存儲電路、編程接口電路和基于FPGA的SOPC系統組成；PC機實驗軟件為實驗者提供圖形化操作界面；SOPC系統與實驗模塊集成在一塊FPGA芯片內部；嵌入式實驗控制器與實驗模塊通過通用內部端口連接。實驗模塊中的實驗內容是與教材同步的部件實驗和整機實驗，或根據需要自定義的實驗。

進一步地，SOPC系統包括NIOS軟核處理器、實驗模塊控制器、通信控制器、存儲器控制器和JTAG控制器，它們之間通過Avalon總線連接；實驗模塊控制器用于實驗模塊與SOPC系統的連接與通信。

進一步地，PC機實驗軟件通過任意添加并配置觀察信號為實驗者提供對實驗整體和任意局部進行檢測和驗證的手段；通過跟蹤實驗過程，并根據實驗過程自動生成實驗報告；通過動態加載實驗原理圖達到操作界面與實驗內容的一致性。

進一步地，實驗模塊控制器包含兩類接口信號，一類是Avalon接口信號，使其能集成到SOPC系統中；另一類是提供給實驗者調用的通用內部接口信號，連接學生實驗模塊，實現對實驗模塊的讀寫。

本發明的有益效果是，利用該實驗平臺，除了可以完成與教學內容同步的實驗，還可以通過自定義實驗完成任意的實驗內容，充分體現實驗內容的開放性和設計性；通過實驗軟件直觀的數據輸入輸出界面、屏蔽FPGA開發板細節和自動生成實驗報告等方法提高了學生實驗效率；實驗控制器在FPGA內的編程實現，通過對FPGA重新編程的方式很容易完成實驗系統的功能擴充和升級，可以降低實驗成本。

附圖說明

圖1為本發明實驗平臺總體結構。

圖2為本發明一個實施例的嵌入式實驗控制器邏輯結構圖。

圖3為本發明一個實施例的通信過程。

圖4為本發明一個實施例的實驗軟件流程圖。

具體實施方式