FPGA 實現計算機組成原理的實驗模型機

費 翔 高天迎 張運杰

（天津城建大學 計算機與信息工程學院，天津 300384）

計算機組成原理（后面簡稱“組成”）是計算機方向一門重要的專業(yè)基礎課[3]，內容偏向原理，為了深化學生的理解，必須在實踐環(huán)節(jié)配合具體、形象的教學內容。但是由于計算機結構的高度復雜性，很難選取合適的具體元件來進行實踐教學，而FPGA 技術既可以進行波形仿真以便學生分析實驗原理，又能夠實現開發(fā)板驗證，直觀的展示現象，極大地滿足了教學需求。我校計算機專業(yè)在第三學期會進行分方向培養(yǎng)，其中的嵌入式方向與物聯網方向以ARM 處理器為學習對象。“組成”課程實驗包括馮諾依曼結構定義的計算機五部分，并逐步構建出RISC型模型機以銜接后續(xù)方向課。而且，前期的數字邏輯設計課程（后面簡稱“數電”）也根據計算機專業(yè)的特點[4]，在課程內容上做出了革新，進而形成“數電——組成——ARM”相互連接的知識鏈。

1 模型總體結構

模型機以RISC，4 位數據/地址寬度，哈佛存儲結構，定長度（12bits）、定周期（8 節(jié)拍）指令為總體思路。按實驗內容的漸進順序，總體框圖如圖1 所示。

圖1 總體結構框圖

2 實驗設計

2.1 實驗環(huán)境

“組成”實驗采用Altera 的EP4CE6 芯片，其具有10320 個邏輯單元。因此該型號芯片可以適應各類數字信號系統(tǒng)的設計，同時擁有較靈活的時序設計資源[5]。實驗開發(fā)環(huán)境采用官方的Quartus II 13.0。

2.2 實驗設計思路

課程實驗總體思路，包括以下幾點：

2.2.1 實驗項目串接知識鏈

這里的知識鏈，既包含課程內容的漸進順序，也包括不同課程之間的銜接[6-8]。比如，在前期“數電”中，組合邏輯部分突出全加器及加減電路的講解，并且設計“一位全加器實驗”、“加減電路實驗”，然后在其課設中包含“ALU 系統(tǒng)設計”題目，傳導ALU是CPU 運算器的核心部件[9]的思想。時序邏輯部分突出D 觸發(fā)器與地址譯碼器的結合應用，設計“寄存器實驗”、“地址譯碼器實驗”，然后在其課設中包含“存儲體設計”題目。

這樣在進入“組成”后，學生已經積累了ALU、存儲體等知識。然后，課程教學上引入運算器內部緩存概念，利用CPU 內總線，將存儲體變形為寄存器堆，與ALU 構建完整的運算器。同樣，儲存系統(tǒng)環(huán)節(jié)突出存儲器擴展原理的講解，利用存儲體和譯碼器進行存儲器長度擴展[10]。

2.2.2 針對計算機的專業(yè)特點靈活使用FPGA

FPGA 的靈活性，很大原因是因為可以采用可編程邏輯語言如：VHDL、Verilog 等進行代碼開發(fā)。雖然，計算機專業(yè)的基本功就是編程能力，但是可編程邏輯語言的學習卻不是本專業(yè)的重點。本專業(yè)學習更看重邏輯關系轉化為功能電路的過程。

因此，前期基礎電路實驗，比如：全加器、D 觸發(fā)器等，是要求學生以繪制電路原理圖的形式完成的。然后，利用Quartus II的代碼轉換功能，生成Verilog 源碼，接著對這種語言特性進行學習和理解。后面的綜合電路實驗，則是利用基礎電路構建的IP 核，進行原理圖綜合設計，這樣更加直觀的體現“組成”的完整過程。

3 模型機組成模塊

實驗模型機包括：數據通路模塊，取指通路模塊和控制模塊三個部分[11]。

3.1 數據通路模塊

數據通路是運算器與數據存儲器通過數據總線和地址總線[12]進行連接而成，闡述一次計算機運算的完成過程的子模型。它的結構及各級結點說明如圖2、表1 所示。

表1 數據通路控制信號說明表

圖2 數據通路模塊

3.2 取指通路模塊

取指部件的主要功能是根據指令地址從指令存儲器中取出指令[13-15]，包括程序計數器PC、指令存儲器和指令寄存器IR，闡述程序指令序列讀取過程。它的結構及各級結點說明如圖3、表2 所示。

圖3 取指通路模塊

表2 控制器取指通路控制信號說明表

3.3 控制模塊

控制模塊包含時序系統(tǒng)和控制單元。所有指令采用定周期設計，包含2 個機器周期（4 節(jié)拍每周期）共計8 個節(jié)拍。控制單元使用Verilog 編寫，依據組合邏輯指令譯碼思想，對IR 中操作碼、地址碼等展開解析[16]。它的結構如圖4 所示。

圖4 控制模塊

4 結論

通過引入FPGA 技術，設計一個RISC 模型機，形象具體的實踐模式增強了學生對“組成”理論的理解。同時，該模型機也提供向后擴展的接口，在實驗階段后的課程設計環(huán)節(jié)學生可以在這個模型基礎上進行自主設計，完成諸如“堆棧程序設計”、“中斷系統(tǒng)設計”、“外圍接口系統(tǒng)設計”等內容。