Quartus在計算機組成原理實踐教學中的應用

陳　越

摘要 討論計算機組成原理課程中實踐教學的現狀,提出引入Quartus軟件仿真技術提高學習和實驗效果的新思路。描述Quartus仿真的具體設計過程,并給出其在組成原理實踐教學中的應用實例。

關鍵詞 Quartus;仿真;實踐教學;計算機組成原理

中圖分類號:G434 文獻標識碼:B 文章編號:1671-489X(2009)27-0123-02

Application of Quartus Simulation in Practice Teaching of Computer Organization//Chen Yue

Abstract This paper discusses the status of practice teaching of Computer Organization, and puts forward a new idea that using the simulating technology of Quartus to improve effect of study and practice. It describes the specific process of Quartus Simulation, and gives out an example in practice teaching.

Key words Quartus; Simulation; practice teaching; computer organization

Authors address School of Computer Science and Technology ,Nantong University, Jiangsu, Nantong, Jiangsu, 226019, China

計算機組成原理是計算機科學與技術及相關專業的一門核心專業基礎課程,主要講授計算機各組成部分的工作原理、邏輯實現和設計方法等方面的知識。課程的教學具有知識面廣、內容多、難度大、更新快等特點。計算機組成原理實踐教學環節一方面可以幫助學生進一步融會貫通教材知識,另一方面也可以提高學生對計算機系統的分析、設計、組裝和調試等實踐動手能力。

1 Quartus在實踐教學中的優勢

1.1 傳統實踐教學現狀目前,國內眾多院校計算機組成原理實踐教學,仍然采用實驗箱來完成實踐課內容。由于實驗箱中的硬件結構基本固定,器件的品種、數量擴展困難,實踐課中的內容難以突破實驗箱的限制,實驗項目和內容受到制約,甚至有些輔助和加深理解理論課內容的項目也無法開出。并且,試驗箱的損壞率較高,維護也不方便。這使得實踐教學既無法起到加深學生對理論課內容理解的作用,同時也嚴重地制約對學生動手能力和創新能力的培養。

1.2 Quartus的優勢Quartus軟件是Altera公司的綜合開發工具,它集成Altera的CPLD/FPGA(Complex Programmable Logic Device/Field Programmable Gate Array,復雜可編程邏輯器件/現場可編程器件)開發流程中所涉及的所有工具和第三方接口。通過使用此綜合開發工具,設計者可以創建、組織和管理自己的設計。

在計算機組成原理實踐教學中引入Quartus作為仿真軟件,能夠提供多種仿真庫和多種仿真方法,仿真速度快,并能滿足各種綜合型設計的需要,使得理論教學直觀,加深學生對所學課程的理解,學生在學習的過程中也可以開闊視野、擴展思路。Quartus功能強大、界面友好、易于掌握,徹底改變傳統的實驗教學模式,實驗具有開放性、可編程性強、設計空間大、時間靈活等特點,并具有較高的實驗效率。

2 Quartus仿真技術

Quartus提供功能仿真和時序仿真2種仿真工具,其功能十分強大。設計者視所需的信息類型而定,可以進行功能仿真以測試設計的邏輯功能,也可以進行時序仿真,在目標器件中測試設計的邏輯功能和最壞情況下的時序。Quartus設計仿真流程如圖1所示。

布局連線是將設計綜合后的網表文件映射到實體器件的過程。該過程包括:將設計工程的邏輯和時序要求與器件的可用資源相匹配;將每個邏輯功能分配給最好的邏輯單元位置,進行布線和時序分析;選擇相應的互連路徑和引腳分配。Quartus II提供Fitter工具、布局圖編輯器、芯片編輯器、增量布局連線工具等豐富的布局連線工具。

Quartus II提供專用的時序分析器,可用于分析設計中的所有邏輯,并有助于指導Fitter工具達到設計的時序要求。時序分析的結果包括fMAX(最大頻率)、tSU(時鐘建立時間)、tH(時鐘保持時間)、tCO(時鐘至輸出延時)、tPD(引腳至引腳延時)、最小tCO和最短tPD。

在時序仿真過程中,Quartus可根據設計者提供的向量波形文件(.vwf)、間量表輸出文件(.tbl)、向量文件(.vec)和仿真基準文件(.tbl)格式的波形文件進行仿真,輸出仿真波形。除此之外,Quartus還可以估計在時序仿真期間當前設計所消耗的功率。

3 Quartus仿真在實踐教學中的應用

此處,使用Quartus II軟件,以8位運算器的設計仿真為例,說明Quartus仿真技術在計算機組成原理實驗中的應用方法。

3.1 設計原理8位字長的ALU由2片74181構成。2片74273構成2個操作數寄存器DR1和DR2,用來保存參與運算的數據。DR1接ALU的A數據輸入端口,DR2接ALU的B數據輸入端口,ALU的數據輸出通過三態門74244發送到數據總線BUS7-BUS0上,其原理圖見圖2。

3.2 布局連線建立實驗電路文件(.bdf文件),添加實驗設計所需具體芯片:2片74181、2片74243b、1片74244,完成對應信號引腳之間的連線。其中,考慮到運算位數有限,2片74181之間采用串行進位的方式連接。

布局連線完成后,得到圖3所示邏輯電路,進行文件編譯,檢查該電路是否連接正確。

3.3 波形仿真建立矢量波形文件,對各控制信號、輸入數據信號進行初始化賦值及電平變化控制,提供必要的時序信號,設定仿真方式,運行仿真功能。圖4給出2個輸入分別為01010101B、10101010B,運算器工作在直通模式(S3～S0為1111、1010)下時,DR1、DR2中是否正確保存所置數的驗證仿真圖。其他運算可調整輸入信號,進行仿真處理。

4 結束語

實踐教學在計算機組成原理課程的整個教學體系中占有十分重要的地位,Quartus仿真技術的應用不僅幫助學生更好地掌握書本知識,也進一步激發學生的學習興趣,同時也為現代化實踐教學提供新的思路。

參考文獻

[1]辛元芳.QuartusⅡ仿真技術在教學中的應用[J].科技情報開發與經濟,2007(32):210-212

[2]李建設,周明.計算機組成原理實踐課教學改革探索[J].科技信息,2007(35):225-226

[3]白中英.計算機組成原理[M].第4版,立體化教材.北京:科學出版社,2009:46-50