基于FPGA的計(jì)算機(jī)組成原理開(kāi)放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的開(kāi)題報(bào)告

基于FPGA的計(jì)算機(jī)組成原理開(kāi)放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的開(kāi)題報(bào)告一、研究背景和意義隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，F(xiàn)PGA技術(shù)已經(jīng)成為了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分之一。FPGA具有靈活、高效、可編程等特點(diǎn)，可以在很短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的定制化需求，因此在計(jì)算機(jī)組成原理領(lǐng)域，F(xiàn)PGA技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)模式主要以理論課為主，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)較少，無(wú)法真正地將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。而基于FPGA的計(jì)算機(jī)組成原理開(kāi)放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有硬件實(shí)現(xiàn)和軟件仿真相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，可以使學(xué)生更好地理解計(jì)算機(jī)組成原理的理論知識(shí)，同時(shí)也可以提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。二、研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)本研究的目標(biāo)是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)基于FPGA的計(jì)算機(jī)組成原理開(kāi)放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)以下內(nèi)容：1.設(shè)計(jì)CPU模塊：包括指令集設(shè)計(jì)、寄存器設(shè)計(jì)、ALU設(shè)計(jì)等；2.設(shè)計(jì)內(nèi)存模塊：包括ROM和RAM的設(shè)計(jì)；3.設(shè)計(jì)IO模塊：包括串口和并口的設(shè)計(jì)；4.實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)模塊：包括操作系統(tǒng)內(nèi)核的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)；5.實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序模塊：包括主流應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。三、研究方法本研究將采用以下方法：1.FPGA硬件設(shè)計(jì)：采用VerilogHDL進(jìn)行FPGA硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)CPU模塊、內(nèi)存模塊、IO模塊等功能模塊的設(shè)計(jì)；2.軟件仿真：利用Modelsim等仿真軟件進(jìn)行FPGA硬件部分的仿真，保證設(shè)計(jì)的正確性和穩(wěn)定性；3.操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)：采用Linux操作系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行操作系統(tǒng)內(nèi)核的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)；4.應(yīng)用程序設(shè)計(jì)：采用C、Python等編程語(yǔ)言進(jìn)行應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。四、研究方案1.系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)基于FPGA的計(jì)算機(jī)組成原理開(kāi)放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)；2.CPU模塊設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)指令集、寄存器、ALU等功能模塊，實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)的指令操作；3.內(nèi)存模塊設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)常量存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等功能模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取；4.IO模塊設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)串口模塊、并口模塊等功能模塊，實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備與CPU的通信；5.操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)：采用Linux操作系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行內(nèi)核的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)；6.應(yīng)用程序設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)主流應(yīng)用程序，如文本處理程序、圖像處理程序等。五、預(yù)期成果完成基于FPGA的計(jì)算機(jī)組成原理開(kāi)放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，具體包括：1.實(shí)現(xiàn)CPU、內(nèi)存和IO模塊的設(shè)計(jì)和功能模塊的實(shí)現(xiàn)；2.實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)內(nèi)核的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)；3.實(shí)現(xiàn)主流應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。六、研究進(jìn)度安排研究進(jìn)度安排如下：階段一（2021年6月-2021年8月）：完成系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和CPU模塊設(shè)計(jì)；階段二（2021年9月-2021年11月）：完成內(nèi)存模塊設(shè)計(jì)和IO模塊設(shè)計(jì)；階段三（2021年12月-2022年2月）：完成操作系統(tǒng)內(nèi)核的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)；階段四（2022年3月