计算机设计与实践课程教学大纲

《计算机设计与实践》实验课程教学大纲

Design and Practice on Computer

课程编码：DZ240122 适用专业：集成电路设计与集成系统

先修课程：计算机组成与设计 学 分 数：4

总学时数：64 实验（上机）学时：64 考核方式：系考 执 笔 者：刘有耀

编写日期：2012-7-6

一、课程性质和任务

本课程主要是通过实验来进一步巩固和扩大计算机组成与设计课程所学的内容，为设计计算机系统打下坚实的基础。通过实验深入理解MIPS指令系统，进一步熟悉DE2-70开发平台，较熟练地掌握Quartus使用方法和技巧，提高运用Verilog HDL语言来设计硬件系统的能力，掌握MIPS寄存器组、运算器、桶形移位器、状态机、组合逻辑控制器的设计方法，掌握单周期MIPS CPU基本设计方法。理解MIPS CPU与编译器、操作系统的关系。 二、实验教学内容及要求

主要内容：本实验课程通过对CPU中的运算单元、寄存器组、控制单元电路的设计，然后设计实现单周期CPU，最后设计存储器、总线控制器。

基本要求：通过可实验课程学生加深对CPU结构和功能的理解，并锻炼设计实现CPU的基本能力，为SoC设计打下基础。

重点：单周期CPU和多周期CPU设计、微程序控制器设计。 难点：单周期和多周期ALU控制器设计、微程序控制器状态机设计。 实验一：寄存器组设计

主要内容：根据实验原理框图完成一个由32个寄存器组成的字长为32位的寄存器组设计，并在Quartus II上模拟实现。根据实验原理框图完成一个由16个寄存器组成的字长为4位的寄存器组设计，并在Altera DE2-70开发板实现。

基本要求：通过此实验使学生了解寄存器组工作原理，学会用FPGA实现寄存器组电路，掌握寄存器组在CPU中的工作原理。 重点：CPU中寄存器组工作原理。

难点：寄存器组控制电路设计。 实验二：静态随机存储器设计

主要内容：用Verilog HDL 语言来编写实现一种静态随机存储器器，并在Altera DE2-70开发板实现。

基本要求：通过此实验使学生理解静态随机存储器工作原理，学会用FPGA实现静态随机存储器电路，掌握静态随机存储器的工作原理及其电路设计。

重点：理解整数乘法器工作原理。 难点：整数乘法器的设计。 实验三：32位桶形移位器设计

主要内容：设用Verilog HDL语言来描述32位桶形移位器设计，在Quartus II上实现模拟仿真，并在Altera DE2-70开发板实现8位的桶形移位器，使其能够正常工作。

基本要求：通过此实验使学生理解桶形移位器工作原理，学会用FPGA实现桶形移位器电路，掌握桶形移位器的工作原理及其电路设计。 重点：桶形移位器的工作原理。 难点：桶形移位器的电路设计。 实验四：总线控制器设计

主要内容：用Verilog HDL 语言来编写实现一种总线控制器，并在Altera DE2-70开发板实现。

基本要求：通过此实验使学生理解总线控制器工作原理，学会用FPGA实现总线控制器电路，掌握总线控制器的工作原理及其电路设计。 重点：理解整数乘法器工作原理。 难点：整数乘法器的设计。 实验五：整数的乘法运算部件

主要内容：用Verilog HDL 语言来编写实现一种32 位整数乘法器，并在Altera DE2-70开发板实现。

基本要求：通过此实验使学生理解整数乘法器工作原理，学会用FPGA实现整数乘法器电路，掌握整数乘法器的工作原理及其电路设计。 重点：理解整数乘法器工作原理。 难点：整数乘法器的设计。

实验六：算术逻辑单元设计

主要内容：设计ALU电路，用Verilog HDL语言描述32位的ALU的电路设计，并在Altera DE2-70开发板实现ALU，使其能够支持基本的指令。

基本要求：通过此实验使学生理解ALU工作原理，学会用FPGA实现ALU，掌握ALU的工作原理及其电路设计。 重点：ALU基本工作原理。 难点：ALU电路设计。 实验七：单时钟周期CPU的设计

主要内容：用Verilog HDL语言来描述单周期CPU设计，能够完成规定的指令，并在Altera DE2-70开发板实现。

基本要求：通过此实验使学生理解单周期CPU工作原理，学会用FPGA实现单周期CPU电路，掌握单周期CPU的工作原理及其电路设计。 重点：单周期CPU的工作原理。

难点：单周期CPU的控制通路和数据通路设计。 实验八：多时钟周期CPU的设计

主要内容：用Verilog HDL语言来描述多周期CPU设计，能够完成规定的指令，并在Altera DE2-70开发板实现。

基本要求：通过此实验使学生理解多周期CPU工作原理，学会用FPGA实现单周期CPU电路，掌握多周期CPU的工作原理及其电路设计。 重点：多时钟周期CPU 的工作原理与逻辑功能实现。 难点：单周期CPU的控制通路和数据通路设计。 实验九：微程序控制器设计

主要内容：设计微程序控制器电路，用Verilog HDL语言描述微程序控制器的电路设计，并在Altera DE2-70开发板实现，使其能够支持基本的指令。

基本要求：通过此实验使学生理解微程序控制器的工作原理，学会用FPGA实现微程序控制器，掌握微程序控制器的工作原理及其电路设计。

重点：微程序控制器工作原理。 难点：微程序控制器电路设计。

三、各教学环节的学时分配

学时分配 项目 主要内容 章节 讲习题课 课 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 合计 寄存器组设计 静态随机存储器设计 32位桶形移位器设计 总线控制器设计 整数的乘法运算部件 算术逻辑单元设计 单时钟周期CPU的设计 *实验 4 4 2 2 4 6 12 18 18 50 上机 合计 5 5 3 3 6 8 14 20 20 64 1 1 1 1 2 2 2 2 2 14 多时钟周期CPU的设计 微程序控制器设计 *

四、实验部分教学内容和要求：（含课内实验的课程填写本部分） 1、实验项目及学时分配

其中：演示性实验 0 %，验证性实验 0 %，设计性实验 47 %，综合性实验 53 %

实验类型 序实验项目名称 号 实验内容及要求 时 学 演验设综示 证 计 合 根据实验原理框图完成一个由m个寄存器组成的字长为2n位的寄存器组的设计，并在Altera DE2-70开发板实现。 实验一：寄存器组1 设计 5 √ 实验二：静态随机2 存储器设计 用Verilog HDL 语言来编写实现一种静态随机存储器器，并在Altera DE2-70开发板实现。 用Verilog HDL语言来描述32位桶形移位器设计，在Quartus II上实现模拟仿真，并在Altera DE2-70开发板实现8位的桶形移位器，使其能够正常工作。 用Verilog HDL 语言来编写实现一种总线控制器，并在Altera DE2-70开发板实现。 用Verilog HDL 语言来编写实现一种32 位整数乘法器，并在Altera DE2-70开发板实现。 设计ALU电路，用Verilog HDL语言描述32位的ALU电路设计，并在Altera DE2-70开发板实现ALU，使其能够支持基本的指令。 用Verilog HDL语言来描述单周期CPU设计，能够完成规定的指令，并在Altera DE2-70开发板实现。 6 √ 3 √ 5 √ 实验三：32位桶3 形移位器设计 3 √ 实验四：总线控制4 器设计 实验五：整数的乘5 法运算部件 实验六：算术逻辑6 单元设计 8 √ 实验七：单时钟周7 期CPU的设计 *14 √ 8 用Verilog HDL语言来描述多周期CPU设计，能够完成规定的指令，并周期CPU的设计 在Altera DE2-70开发板实现。 实验八：多时钟*20 √ 实验九：微程序9 控制器设计 设计微程序控制器电路，用Verilog HDL语言描述微程序控制器的电路设计，并在Altera DE2-70开发板实20 现，使其能够支持基本的指令。 64 √ 合 计 46比 例 0% 8% 2% 10 .8.153 30 34 注：带“*”的实验八和实验九二选一。

2、实验所需设备及材料 序实验项目名称 号 组主要仪器设备 主要实验材料 每每组需要的 每组需要的 人设备名称 数 FPGA开发板 1 所有实验 1 EDA软件 PC机 数材料名称 量 35 35 1 / / / 数量 / / / 性 质 / / / 五、本课程与其它课程的联系

本课程先修课：计算机组成与设计、FPGA课程设计

本课程后续课：微处理器设计课程设计、基于FPGA的嵌入式系统设计 六、建议教材及参考资料

建议教材：

[1] 蒋丽华.基于EDA技术的单周期CPU设计与实现——计算机组成原理实践.北京：清华大学出版社.2012年6月

参考资料：

[1]杨军.基于Quartus II的计算机组成与体系结构综合实验教程.北京：科学出版社.2011年1月

[2]张泽生. 计算机组成原理实验教程. 待出.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/tubh.html