计算机组成原理（实验的全过程）

### 计算机组成原理——实验全过程解析 #### 一、实验目的与内容概述 本实验旨在通过实际操作，使学生熟悉Quartus II开发环境，并掌握如何在该环境中进行项目设计、文件编译与仿真测试。具体目标包括： 1. **熟悉Quartus II环境**：了解并掌握Quartus II的基本界面布局与常用功能。 2. **学习项目与文件管理**：学会在Quartus II中新建项目、文件，并进行编译与仿真。 3. **自定义元件设计**：学习如何在Quartus II中利用原理图方式自定义元件，并掌握其输入、封装与调用方法。 #### 二、实验操作流程详解 ##### 1. 新建项目 - 打开Quartus II软件，选择`File -> New Project Wizard`来启动新项目的创建向导。 - 按照提示设置项目路径，输入项目名称（例如：“Example”），以及顶层文件名也命名为“Example”。 - 对于其他选项，默认即可。如果有原始文件，则可以在下一步中添加。 - 图1-1展示了新建项目的第一个步骤。 - 图1-2展示了如何在新建项目过程中添加已有文件。 - 图1-3则展示了文件成功添加到项目的过程。 ##### 2. 新建文件 - 在已经创建的项目“Example”中新建文件，主文件名必须与顶层文件名一致，即“Example”。 - `File -> New`选项可以用于新建不同类型的文件，如： - **图形文件**（`.bdf`）：用于原理图输入，直观易懂。 - **VHDL文件**（`.vhd`）：使用VHDL语言编写程序实现特定功能。 - **仿真文件**（`.vwf`）：用于软件仿真测试。 - **配置文件**（`.mif`）：用于存储器部件ROM或RAM的数据写入。 - 调用Quartus内部元件非常简单，只需在工作区双击输入所需元件名即可，例如调用3-8译码器只需输入“74138”（图1-4）。 ##### 3. 编译文件 - 文件创建完成后，点击工具栏上的紫红色按钮（图1-5）开始编译。 - 编译过程检查代码语法和逻辑错误，确保设计的正确性。 ##### 4. 进行软件仿真 - 建立仿真文件`Example.vwf`。 - 通过左侧菜单的`Insert Node or Bus...`选项导入输入输出端（图1-6）。 - 设置仿真文件中的输入值后，点击蓝色按钮开始仿真（图1-7）。 - 图1-8展示了3-8译码器的仿真波形。 ##### 5. VHDL文件及自定义元件 - 创建VHDL文件`SHEFT.vhd`，编写移位运算器的功能代码。 - 完成编译后，使用`File -> Create/Update -> Create Symbol Files for Current File`命令创建对应的元件符号文件（`.bsf`）。 - 图1-9展示了如何在图形文件中调用自定义的SHEFT元件。 - 图1-10和图1-11分别展示了SHEFT元件的原理图和仿真结果。 ##### 6. 构建自己的元件库 - 首先生成`.bsf`和`.inc`文件。 - 在Windows中创建自己的元件库文件夹。 - 将`.bdf`、`.bsf`和`.inc`文件复制到元件库文件夹中。 - 使用Quartus II的`Tool -> Option -> General -> Global User Library`添加自己的元件库。 #### 三、实验题 1. **实现并仿真基本的组合逻辑电路**（如：全加器等）： - 不允许调用库中的元件。 - 设计并封装成自定义元件。 - 存储到个人元件库中。 - 在新的文件中调用这些自定义元件，并进行仿真测试。 2. **实现并仿真基本的时序逻辑电路**（如：计数器等）： - 同样不允许调用库中的元件。 - 设计并封装成自定义元件。 - 存储到个人元件库中。 - 在新的文件中调用这些自定义元件，并进行仿真测试。 #### 四、实验二：运算器组成实验 ##### 2.1 算数逻辑运算实验 - **实验目的**：掌握运算器的功能，学会使用现成的ALU元件，掌握实验台的使用方法。 - **实验原理**：通过两个74LS181实现8位字长的ALU。输入数据A[7..0]和B[7..0]，运算模式由S[3..0]的16种组合决定，S[3..0]的值由4位2进制计数器LPM_COUNTER产生，计数时钟是Sclk。当M=0时进行算术运算，M=1时进行逻辑运算。CN为低位的进位位，F[7..0]为输出结果，CN4为运算后的输出进位位。两个8位数据的运算过程可以通过实验进一步探索和验证。 通过以上实验，不仅能够加深对计算机组成原理的理解，还能够提高实际操作能力，为后续更复杂的设计打下坚实的基础。