基于FPGA的計算機組成原理開放實驗平臺的設計與實現(xiàn)的開題報告

基于FPGA的計算機組成原理開放實驗平臺的設計與實現(xiàn)的開題報告一、研究背景和意義隨著計算機科學技術的不斷發(fā)展，F(xiàn)PGA技術已經成為了計算機系統(tǒng)的重要組成部分之一。FPGA具有靈活、高效、可編程等特點，可以在很短的時間內實現(xiàn)系統(tǒng)的定制化需求，因此在計算機組成原理領域，F(xiàn)PGA技術得到了廣泛的應用。傳統(tǒng)的計算機組成原理教學模式主要以理論課為主，實驗環(huán)節(jié)較少，無法真正地將理論知識轉化為實踐經驗。而基于FPGA的計算機組成原理開放實驗平臺具有硬件實現(xiàn)和軟件仿真相結合的優(yōu)勢，可以使學生更好地理解計算機組成原理的理論知識，同時也可以提高學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。二、研究內容和目標本研究的目標是設計和實現(xiàn)基于FPGA的計算機組成原理開放實驗平臺，實現(xiàn)以下內容：1.設計CPU模塊：包括指令集設計、寄存器設計、ALU設計等；2.設計內存模塊：包括ROM和RAM的設計；3.設計IO模塊：包括串口和并口的設計；4.實現(xiàn)操作系統(tǒng)模塊：包括操作系統(tǒng)內核的設計和實現(xiàn)；5.實現(xiàn)應用程序模塊：包括主流應用程序的設計和實現(xiàn)。三、研究方法本研究將采用以下方法：1.FPGA硬件設計：采用VerilogHDL進行FPGA硬件設計，實現(xiàn)CPU模塊、內存模塊、IO模塊等功能模塊的設計；2.軟件仿真：利用Modelsim等仿真軟件進行FPGA硬件部分的仿真，保證設計的正確性和穩(wěn)定性；3.操作系統(tǒng)設計：采用Linux操作系統(tǒng)作為實驗平臺，進行操作系統(tǒng)內核的設計和實現(xiàn)；4.應用程序設計：采用C、Python等編程語言進行應用程序的設計和實現(xiàn)。四、研究方案1.系統(tǒng)架構設計：設計基于FPGA的計算機組成原理開放實驗平臺的硬件架構和軟件架構；2.CPU模塊設計：設計指令集、寄存器、ALU等功能模塊，實現(xiàn)常見的指令操作；3.內存模塊設計：設計常量存儲器、數(shù)據(jù)存儲器等功能模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和讀??；4.IO模塊設計：設計串口模塊、并口模塊等功能模塊，實現(xiàn)外部設備與CPU的通信；5.操作系統(tǒng)設計：采用Linux操作系統(tǒng)作為實驗平臺，進行內核的設計和實現(xiàn)；6.應用程序設計：設計主流應用程序，如文本處理程序、圖像處理程序等。五、預期成果完成基于FPGA的計算機組成原理開放實驗平臺的設計和實現(xiàn)，具體包括：1.實現(xiàn)CPU、內存和IO模塊的設計和功能模塊的實現(xiàn)；2.實現(xiàn)操作系統(tǒng)內核的設計和實現(xiàn)；3.實現(xiàn)主流應用程序的設計和實現(xiàn)。六、研究進度安排研究進度安排如下：階段一（2021年6月-2021年8月）：完成系統(tǒng)架構設計和CPU模塊設計；階段二（2021年9月-2021年11月）：完成內存模塊設計和IO模塊設計；階段三（2021年12月-2022年2月）：完成操作系統(tǒng)內核的設計和實現(xiàn)；階段四（2022年3月