基于FPGA的計算機核心課程實驗設(shè)計與研究的中期報告

基于FPGA的計算機核心課程實驗設(shè)計與研究的中期報告一、選題背景和研究意義FPGA（FieldProgrammableGateArray）是一種具有靈活可編程性的可編程邏輯器件，集成了大量的邏輯單元、存儲單元、DMA（DirectMemoryAccess，直接存儲器訪問）控制器等硬件資源，在高性能計算、數(shù)字信號處理、通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。FPGA具有可編程性、低功耗、高并行度等優(yōu)勢，可實現(xiàn)高性能的數(shù)字信號處理和數(shù)字信號處理應(yīng)用。在計算機領(lǐng)域，F(xiàn)PGA在計算機架構(gòu)、高速緩存、處理器協(xié)作等方面具有重要的應(yīng)用價值。本課題選題基于對FPGA在計算機領(lǐng)域中的應(yīng)用研究，提供了一個基于FPGA的計算機核心課程實驗設(shè)計與研究的方案。該方案旨在通過設(shè)計基于FPGA的計算機核心課程實驗，增強學(xué)生在FPGA應(yīng)用研究方面的綜合能力和動手能力。二、研究內(nèi)容和方法本課題采用實驗研究的方法，結(jié)合教學(xué)實踐的經(jīng)驗，以及前人研究成果，設(shè)計基于FPGA的計算機核心課程實驗。研究內(nèi)容主要包括以下方面：1.基于FPGA的CPU設(shè)計與實現(xiàn)。以MIPS指令集為基礎(chǔ)，設(shè)計一個簡單的單周期CPU，并通過VHDL和Verilog等HDL（HardwareDescriptionLanguage，硬件描述語言）語言進行實現(xiàn)。2.基于FPGA的內(nèi)存控制器設(shè)計。設(shè)計一個簡單的SDRAM（SynchronousDynamicRandomAccessMemory，同步動態(tài)隨機存取存儲器）控制器，并實現(xiàn)對內(nèi)存的讀寫操作。3.基于FPGA的圖形界面設(shè)計。實現(xiàn)一種基于VGA（VideoGraphicsArray，視頻圖形陣列）的終端顯示器，實現(xiàn)終端顯示功能，支持按鍵操作。4.基于FPGA的外設(shè)控制器設(shè)計。包括定時器、串口、以太網(wǎng)控制器等。5.基于FPGA的操作系統(tǒng)設(shè)計。在基于FPGA的計算機核心上實現(xiàn)一個簡單的操作系統(tǒng)，支持多任務(wù)、多進程、文件系統(tǒng)等基本功能。三、預(yù)期成果通過本課題的研究，預(yù)期實現(xiàn)以下成果：1.完成基于FPGA的計算機核心課程實驗設(shè)計，包括CPU、內(nèi)存控制器、圖形界面、外設(shè)控制器、操作系統(tǒng)等方面的設(shè)計。2.通過實驗教學(xué)實踐，檢驗所設(shè)計的實驗方案的可行性和實用性。3.形成計算機科學(xué)教育的交叉領(lǐng)域研究成果，拓展本學(xué)科領(lǐng)域到未來數(shù)字化時代深入的學(xué)科交叉領(lǐng)域。四、研究進度計劃本課題的研究計劃如下：三月份：完成課題的選題和研究背景調(diào)研。四月份：完成FPGA的CPU設(shè)計和HDL語言編程。五月份：完成內(nèi)存控制器和圖形界面的設(shè)計和實現(xiàn)。六月份：完成串口、以太網(wǎng)控制器等外設(shè)控制器的設(shè)計和實現(xiàn)。七月份：完成操作系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)。八月份：完成實驗教學(xué)實踐和成果總結(jié)。五、參考文獻1.劉龍貴,安迪:基于FPGA的計算機教學(xué)實驗系統(tǒng)設(shè)計探討[J].大學(xué)物理,2020,39(6):19-22.2.范華,艾峰:基于FPGA的計算機原理實驗教學(xué)探究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2020,13(5):127-130.3.王濤,洪亮:基于FPGA的計算機組成原理實驗教學(xué)系統(tǒng)研究[J].實驗技術(shù)與管理,2020,37(3):8