武汉大学组成原理实验

计算机组成原理实验

(软件入门)武汉大学计算机学院

许先斌，何水兵

2010.3总体实验目的1.融会贯通本实验课程所教授的知识，通过知识的综合应用，加深对CPU系统各模块的工作原理及相互联系的认识。学习设计和调试CPU的基本步骤和方法，基本熟悉现代EDA技术设计电子系统的流程和方法。培养科学研究的独立工作能力，取得CPU设计与组装调试的实践和经验。设计与调试任务按给定的数据格式和指令系统，在所提供的期间范围内，设计一台微程序控制的模型计算机。根据设计图纸，在QuatusII平台上进行仿真，并下载到EL教学实验箱上进行调试成功。在调试成功的基础上，整理出设计图纸和其他文件。参考书籍现代计算机组成原理，潘松、潘明。开放式实验CPU设计，汤志忠、杨春武。计算机组成原理与结构，王爱英。EDA技术实用教程，潘松、黄继业

。基于quartusII的计算机核心设计，姜咏江计算机组成原理实验，赵志英。5实验报告要求引言设计报告（ALU,控制器,寄存器,

CPU指令设计等）测试报告总结（内容,体会和建议)参考文献6实验安排quartus环境熟悉运算器组成实验存储器实验微控制器实验总线控制实验基本模型机设计与实现7实验平台8实验平台KX_7c5tp9实验板资源☆

CycloneIIEP2C5T144FPGA(4608个逻辑宏单元、两个锁相环，约20万门、约12万RAMbit)。☆

含全兼容工业级8051核,其主频最高可达250MHz，是普通8051单片机速度的20倍！因此可以完成语音级的DSP处理，还可进行SOC系统设计。☆

DDS函数信号发生器IP核（作开发工具或测试）。☆

EPM3032CPLD、1MEPCS1Flash、蜂鸣器、20MHz晶振、8键、8LED、

1数码管，1602LCD液晶显示器。☆

JTAG、VGA、RS232接口、PS2口、USB电源口；☆混合电压源、4X4键盘、USB线、丰富的光盘资料等。☆

FPGA编程器、字符型液晶驱动口（可直接接多种类型字符型液晶）、点阵型液晶驱动口（可直接接数字彩色或黑白点阵型液晶）。10本课程要学习的EDA工具软件

QuartusⅡ美国Altera公司自行设计的第四代PLD开发软件可以完成PLD的设计输入、逻辑综合、布局与布线、仿真、时序分析、器件编程的全过程同时还支持SOPC（可编程片上系统）设计开发QuartusⅡ简介

QuartusⅡ提供了方便的设计输入方式、快速的编译和直接易懂的器件编程。能够支持逻辑门数在百万门以上的逻辑器件的开发，并且为第三方工具提供了无缝接口。QuartusⅡ支持的器件有：StratixⅡ、StratixGX、Stratix、Mercury、MAX3000A、MAX7000B、MAX7000S、MAX7000AE、MAXⅡ、FLEX6000、FLEX10K、FLEX10KA、FLEX10KE、Cyclone、CycloneⅡ、APEXⅡ、APEX20KC、APEX20KE和ACEX1K系列。QuartusⅡ软件包的编程器是系统的核心，提供功能强大的设计处理，设计者可以添加特定的约束条件来提高芯片的利用率。

设计流程设计准备设计输入设计处理器件编程功能仿真时序仿真器件测试

QuartusII软件的设计过程主要包括：建立项目输入设计电路（可采用不同方式）设计编译设计仿真设计下载

QuartusⅡ设计流程介绍QuartusⅡ设计流程

启动QuartusⅡ5.0双击桌面上的QuartusⅡ5.0图标或单击开始按扭，在程序菜单中选择QuartusⅡ5.0，可以启动QuartusⅡ5.0。其初始界面如图所示。

1．建立项目利用QuartusII提供的新建工程指南可以帮助我们很容易的建立一个工程：①在主菜单上选择File\NewProjectWizard将弹出如下图所示对话框。

QuartusⅡ设计流程

②在上图中的第一个空白处需添入新建工程工作目录的路径，为便于管理，QuartusII软件要求每一个工程项目及其相关文件都统一存储在单独的文件夹中。第二个空白处需添入新建的工程名称。第三个空白处需添入的是工程的顶层设计实体名称，要求顶层设计实体名称和新建的工程名称保持一致。③如上图所示添好后，按Next按钮，将会弹出加入文件对话框，如下图所示。

QuartusⅡ设计流程

新建工程工作目录的路径新建的工程名称工程的顶层设计实体名称

加入文件对话框：

可以在File空白处选择添入其他已存在的设计文件加入到这个工程中，也可以使用UserLibraryPathnames按钮把用户自定义的库函数加入到工程中使用。完成后按Next按钮进入下一步。④下面弹出的是选择可编程逻辑器件对话框，如下图所示。选Yes，手动选择需要的器件，选No，则由编译器自动选择。QuartusⅡ设计流程

⑤在下一步弹出的对话框中通过选择器件的封装形式，引脚数目，以及速度级别来约束可选器件的范围。如图所示。器件设置对话框

QuartusⅡ设计流程

EP1K30TC144-3⑥最后是由新建工程指南建立的工程文件摘要，显示了上面的全部设置选项。至此，新工程建立完毕，在QuartusII设计软件界面的顶部标题栏将显示工程名称和存储路径。如下图所示。QuartusⅡ设计流程

2．输入设计电路单击标题栏中的File→New对话框，如图所示。

单击New对话框的DeviceDesignFiles选项卡，Blockdiagram/schematicfile，选好后单击【OK】按钮，打开原理图编辑器窗口。QuartusⅡ设计流程

设计输入

将所设计的电路的逻辑功能按照开发系统要求的形式表达出来的过程称为设计输入。设计输入有如下三种方式：（1）原理图输入方式适用于对系统及各部分电路很熟悉的场合。（2）硬件描述语言输入方式硬件描述语言是用文本方式描述设计，硬件描述语言有ABEL、AHDL、VHDL、Verilog等，其中VHDL和Verilog已成为IEEE标准。（3）波形输入方式QuartusⅡ设计流程——

在编辑窗中的任何一个位置上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择其中的输入元件项Insert--Symbol，于是将弹出如下图所示的输入元件的对话框QuartusⅡ设计流程选择菜单File-SaveAs命令，将已设计好的原理图文件取名并存盘在已为此项目建立的文件夹内。QuartusⅡ设计流程

设计半加器QuartusⅡ设计流程

将设计项目设置成可调用的元件QuartusⅡ设计流程

设计全加器顶层文件3．设计编译①编译设置：利用QuartusII提供的编译设置指南可以帮助我们很容易的进行一个项目的编译设置。在主菜单中选择Assignments/CompilerSettingsWizard选项，将弹出一个对话框，要求输入指定的编译实体模块和设定名字。②编译设置好后，在主菜单中选择Processing/StartCompilation对所设置的项目进行编译。③阅读编译报告：编译后自动生成的编译报告如图所示，它包含了怎样将一个设计放到一个器件中的所有信息。有器件使用统计，编译设置情况，底层显示，器件资源利用率，状态机的实现，方程式，延时分析结果，CPU使用资源。

QuartusⅡ设计流程

QuartusⅡ设计流程

QuartusⅡ设计流程

编译报告:4．设计仿真

QuartusII支持多种仿真输入方法，它支持波形方式输入，如：向量波形文件（.vwf）、向量文件（.vec）、列表文件（.tbl），也支持Testbench如：Tcl/TK脚本文件，同时也支持第三方的仿真工具的Verilog/VHDLTestbench。①QuartusII仿真设置:利用QuartusII提供的仿真设置指南可以帮助我们快速进行一个项目的仿真设置。在主菜单中选择Assignments/SimulatorSettingsWizard选项，在弹出的对话框中，输入指定的仿真实体模块和设定名字。QuartusⅡ设计流程

②建立仿真波形文件:在主菜单中选择File/New选项，在弹出的New对话框中选择OtherFiles选项中的VectorWaveformFile。③设置