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VHDL语言的FPGA小实验
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2010-02-02
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适合初学者作为练习和巩固的文件 实验一 运算器组成实验 5 1.算术逻辑运算实验 5 2.带进位算术运算实验 8 3. 移位运算器实验 9 实验二 存储器实验 10 1、FPGA中LPM_ROM配置与读出实验 10 2.LPM_RAM_DP双端口RAM实验 11 3. FIFO读/写实验 13 4. FPGA与外部RAM接口实验 14 5.FPGA与外部EEPROM接口实验 16 实验三 微控制器实验 17 1 时序电路实验 17 2.程序计数器PC与地址寄存器AR实验 18 3.微控制器组成实验 20 实验四 总线控制实验 22 二.实验原理 22 三.实验内容 22 五.思考题实验题 23 实验五 基本模型机设计与实现 24 二.实验原理 24 六.思考题实验题 29 实验六 带移位运算的模型机设计与实现 31 一.实验目的 31 二.实验原理 31 六.思考题和实验题 33 实验七 复杂模型机的设计与实现 34 二.实验原理 34 三.实验内容 36 七.设计实验题目 38 实验八.较复杂CPU设计示例 38 实验九. 8051/89C51单片机FPGA实现
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目 录
实验一 运算器组成实验.......................................................................................................................................4
1
.算术逻辑运算实验
...................................................................................................................................... 4
二.实验内容................................................................................................................................................5
注2、在借位减法表达上,表1-1与标准的74181的真值表略有不同。................................................................5
三.实验步骤................................................................................................................................................6
四.实验任务................................................................................................................................................6
五.实验要求................................................................................................................................................7
六.实验题与思考题....................................................................................................................................8
附:ALU181.VHD(源文件请参考CPP100文件夹中demo1_ALU中的ALU181.VHD,) .................8
2
.带进位算术运算实验
.................................................................................................................................. 8
一.实验目的................................................................................................................................................8
二.实验原理................................................................................................................................................8
三.实验步骤................................................................................................................................................9
四.实验要求................................................................................................................................................9
五.附加实验题和思考题............................................................................................................................9
3.
移位运算器实验
............................................................................................................................................9
一.实验目的................................................................................................................................................9
二.实验原理................................................................................................................................................9
三.实验步骤..............................................................................................................................................10
四.实验要求..............................................................................................................................................10
五.思考题..................................................................................................................................................11
实验二 存储器实验.............................................................................................................................................11
1
、
FPGA
中
LPM_ROM
配置与读出实验
........................................................................................................11
一.实验目的..............................................................................................................................................11
二.实验原理..............................................................................................................................................11
三.实验步骤..............................................................................................................................................11
四.实验要求..............................................................................................................................................12
五.思考题..................................................................................................................................................12
2
.
LPM_RAM_DP
双端口
RAM
实验
...............................................................................................................13
一.实验目的..............................................................................................................................................13
二.实验原理..............................................................................................................................................13
三.实验步骤..............................................................................................................................................13
四.实验要求..............................................................................................................................................13
五.思考题与实验题..................................................................................................................................13
3
.
FIFO
读
/
写实验
.........................................................................................................................................14
一.实验目的..............................................................................................................................................14
二.实验原理..............................................................................................................................................14
三.实验步骤..............................................................................................................................................15
四.实验要求..............................................................................................................................................15
五.思考题与实验题..................................................................................................................................15
4
.
FPGA
与外部
RAM
接口实验
.....................................................................................................................16
一.实验目的..............................................................................................................................................16
二.实验原理..............................................................................................................................................16
- -
1
三.实验步骤..............................................................................................................................................16
四.实验报告..............................................................................................................................................17
五.思考题..................................................................................................................................................17
六.16位SRAM读写逻辑设计...................................................................................................................18
5
.
FPGA
与外部
EEPROM
接口实验
..............................................................................................................19
一.实验目的..............................................................................................................................................19
二.实验原理..............................................................................................................................................19
三.实验步骤..............................................................................................................................................19
实验三 微控制器实验.........................................................................................................................................20
1
时序电路实验
............................................................................................................................................... 20
一.实验目的..............................................................................................................................................20
二.实验原理..............................................................................................................................................20
三.实验步骤..............................................................................................................................................22
四.实验报告..............................................................................................................................................22
五.思考题..................................................................................................................................................22
2.
程序计数器
PC
与地址寄存器
AR
实验
......................................................................................................... 22
一.实验目的..............................................................................................................................................22
二.实验原理..............................................................................................................................................22
三.实验步骤..............................................................................................................................................23
四.实验报告..............................................................................................................................................24
五.思考题..................................................................................................................................................24
3.
微控制器组成实验
....................................................................................................................................... 24
一.实验目的..............................................................................................................................................24
二.实验原理..............................................................................................................................................24
三.实验步骤..............................................................................................................................................26
四.实验报告..............................................................................................................................................27
五.思考题..................................................................................................................................................27
实验四 总线控制实验.........................................................................................................................................27
一.实验目的..............................................................................................................................................27
二.实验原理..............................................................................................................................................27
三.实验内容..............................................................................................................................................27
图4-2 总线数据传输练习操作步骤........................................................................................................................28
四.实验报告..............................................................................................................................................29
五.思考题实验题......................................................................................................................................29
实验五 基本模型机设计与实现.........................................................................................................................30
一.实验目的..............................................................................................................................................30
二.实验原理..............................................................................................................................................30
图5-4 LCD液晶显示屏........................................................................................................................................... 32
实验程序1: 图5-3 模型计算机电路原理图.........................................................................................................33
说明:1、指令IN为单字节指令,指令码:00,其功能是将输入口IN的数据送到寄存器R0;........33
2、指令ADD [0AH]为双字节指令,指令码:100A,其功能是将R0中的数据加上RAM地址0AH中的
数据(34H); .........................................................................................................................................33
3、指令STA [0BH]为双字节指令,指令码:200B,其功能是将R0中的数据送到RAM的0BH地址单元
中;..............................................................................................................................................................33
- -
2
4、指令OUT[0BH]为双字节指令,指令码:300B,其功能是将RAM的0BH地址单元中的数据送到
OUT输出口上;..........................................................................................................................................33
5、指令JMP [12H] 为双字节指令,指令码:4012,其功能是将其操作码下一地址单元(08H)的数据作为
转跳地址。..............................................................................................................................................................33
三.实验步骤..............................................................................................................................................34
再按两次键7(地址寄存器加1),根据图 5-2控制台微程序流程图,进入到KWE(01)分支,进入并执行
了微地址“21”中的操作,这时控制此操作的微指令码MC=01ED94,PC自动加1,PC=1。........................34
四、实验要求..............................................................................................................................................36
五.实验报告..............................................................................................................................................36
六.思考题实验题......................................................................................................................................36
实验六 带移位运算的模型机设计与实现.........................................................................................................38
一.实验目的..............................................................................................................................................38
二.实验原理..............................................................................................................................................38
三.实验步骤..............................................................................................................................................41
四.实验要求..............................................................................................................................................42
五.实验报告..............................................................................................................................................42
六.思考题和实验题..................................................................................................................................42
实验七 复杂模型机的设计与实现.....................................................................................................................43
一.实验目的..............................................................................................................................................43
二.实验原理..............................................................................................................................................43
三.实验内容..............................................................................................................................................45
五.实验方法:..........................................................................................................................................46
六.实验报告..............................................................................................................................................47
七.设计实验题目......................................................................................................................................47
实验八.较复杂CPU设计示例...........................................................................................................................47
实验九 8051/89C51单片机FPGA实现...............................................................................................................50
实验九. 8051/89C51单片机FPGA实现
1. 实验1
2. 实验2
传统计算机组成原理实验系统与现代计算机组成实验系统性能特点比较
结构与功能特点 传统计算机组成原理实验系统 现代计算机组成原理实验系统
实验特点 本身只是一验证性模型,与实际的计算机设计模型无关真实反映了现代计算机设计工程实现原理、测
- -
3
试方法和设计技术
结构特点 由规模不等的离散集成电路块和CPLD等器件构成CPU
模型
整个CPU,乃至RAM、ROM和通信接口可在单
片FPGA中实现
实验CPU总线控制方式 采用三态门控制,仅适用于74系列小规模集成电路构
成方式
采用总线多路开关,适于VLSI和FPGA等大规模
集成电路工程
CPU指令与微指令存储
与形成方式
通过外部ROM或EEPROM构成,指令的数量和微指
令的宽度受到限制,难以扩展,CPU模型结构被限制。
既可以采用传统的ROM或EEPROM存储,又
可以采用FPGA中的EAB嵌入式方式,构成单片
系统,更符合现代CPU设计理念。
CPU指令和微指令的实
现方式
手工设计、画微指令流程图;手工(烧写或键入)输入
方式实现。设计效率低、可靠性低,查错、排错、调
试困难,耗时费力。
利用计算机输入,形成专用文件格式,由
EDA工具自动配置进FPGA中设定的RAM、
ROM中,便捷、高效、实用,规范
可用硬件资源 采用中小规模集成电路,硬件资源非常有限,且结构固
定,不便于系统扩展、设计思路受限制,有创意的设想
无从得到验证
采用FPGA超大规模集成电路,可利用资源丰
富,灵活,设计者可根据需要反复调整和改变
电路结构,创新设想易得到验证和实现
观察计算机内部指令执
行情况,及软硬件排错
通过有限的发光二极管和数码管设置观察点,难以观察
指令执行的细节情况,如竞争、毛刺等。硬件电路和软
件排错都十分困难
除了能在PC上对整个软硬件系统进行时序仿真
外,还可通过JTAG口使用嵌入式逻辑分析仪对
CPU内部任意点,跟踪指令与测试。
实验设计、连线方式
及可靠性
元件间通过硬件连线,手工完成,费时费力,效率低、
可靠性差。外部连线过多、导线与器件反复插拔,导致
导线内部折断损伤。
各功能部件间无外部连线,几乎所有接线都在
FPGA片内通过计算机连接实现,并自动检测排
错,现场配置,可靠性高,无寿命限制。
设计可移植性和可保存
性
由于需当场连线,故功能模型无可移植性和保存性,且
必须有实验系统才能做实验,所以绝难保证每一同学给
出自己特色的设计
可保存,可移植,可在自己的PC上设计和软硬
件仿真。最后到实验室在实验系统上作硬件测
试即可,每一同学的设计都有自己特点
各功能模块可改进性 基本不能 各模块功能都可改变,如ALU,移位器,RAM/ROM
的容量位宽等
工作速度 由于大多采用74系列、TTL器件,工作速度低 采用高速、低压、低功耗FPGA,速度可达
100MHz真实CPU
嵌入式模块的利用 不能利用 Nios、各种I/O接口模块,如并行接口、串行通
信接口,VGA等
可扩展性 不能 可扩展形成计算机构成中不同CPU结构,总线
宽,及实用接口等
多功能性
只能对计算机组成原理作传统方式的验证性实验,功
能单一、模式陈旧,国外一流大学,如斯坦福大学计算
机系完全不用此类实验方式,而用EDA技术完成相关的
实验,
可实现现代计算机组成原理实验、EDA实
验、硬件描述语言VHDL、Verilog教学实验、电
子设计竞赛开发、实用CPU或单片机设计或验
证等等
RSIC CPU设计实验 完全不能 实现容易
嵌入式系统硬件实现和
软件开发实验
完全不能 利用QuartusII、SOPC Builder和
嵌入式软核Nios可以实现。
实验一 运算器组成实验
1.算术逻辑运算实验
一.实验目的
1. 了解简单运算器的数据传输通路。
- -
4
2. 验证运算功能发生器的组合功能。
3. 掌握算术逻辑运算加、减、与的工作原理。
4. 验证实验台运算的8位加、减、与、直通功能。
5. 按给定数据,完成几种指定的算术和逻辑运算。
二.实验内容
1.实验原理
算术逻辑单元ALU的数据通路如图1-1所示。其中运算器ALU181根据74LS181的功能用VHDL硬件描述
语言编辑而成,构成8位字长的ALU。参加运算的两个8位数据分别为A[7..0]和B[7..0],运算模式由S[3..0]
的16种组合决定,而S[3..0]的值由4位2进制计数器LPM_COUNTER产生,计数时钟是Sclk(图1-1);此外
设M=0,选择算术运算,M=1为逻辑运算,C
N
为低位的进位位;F[7..0]为输出结果,C
O
为运算后的输出进位
位。两个8位数据由总线IN[7..0]分别通过两个电平锁存器74373锁入,ALU功能如表1-1所示。
表1-1 ALU181的运算功能
选择端 高电平作用数据
S3 S2 S1 S0
M=H
M=L 算术操作
逻辑功能 Cn=L(无进位) Cn=H(有进位)
0 0 0 0
0 0 0 1
加1
0 0 1 0 +1
0 0 1 1
减1 (2的补
码)
0 1 0 0
加1
0 1 0 1 加 加+1
0 1 1 0
0 1 1 1
1 0 0 0 加1
1 0 0 1
加1
1 0 1 0
加1
1 0 1 1
1 1 0 0
*
1 1 0 1
加1
1 1 1 0
加1
1 1 1 1
注1、* 表示每一位都移至下一更高有效位
注2、在借位减法表达上,表1-1与标准的74181的真值表略有不同。
- -
5
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