基于FPGA的計(jì)算機(jī)核心課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究的中期報(bào)告

基于FPGA的計(jì)算機(jī)核心課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究的中期報(bào)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(chǔ)單元、DMA（DirectMemoryAccess，直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)）控制器等硬件資源，在高性能計(jì)算、數(shù)字信號(hào)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(shì)，可實(shí)現(xiàn)高性能的數(shù)字信號(hào)處理和數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，F(xiàn)PGA在計(jì)算機(jī)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(jià)值。本課題選題基于對(duì)FPGA在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的應(yīng)用研究，提供了一個(gè)基于FPGA的計(jì)算機(jī)核心課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究的方案。該方案旨在通過(guò)設(shè)計(jì)基于FPGA的計(jì)算機(jī)核心課程實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)學(xué)生在FPGA應(yīng)用研究方面的綜合能力和動(dòng)手能力。二、研究?jī)?nèi)容和方法本課題采用實(shí)驗(yàn)研究的方法，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，以及前人研究成果，設(shè)計(jì)基于FPGA的計(jì)算機(jī)核心課程實(shí)驗(yàn)。研究?jī)?nèi)容主要包括以下方面：1.基于FPGA的CPU設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。以MIPS指令集為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的單周期CPU，并通過(guò)VHDL和Verilog等HDL（HardwareDescriptionLanguage，硬件描述語(yǔ)言）語(yǔ)言進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。2.基于FPGA的內(nèi)存控制器設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的SDRAM（SynchronousDynamicRandomAccessMemory，同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）控制器，并實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)存的讀寫操作。3.基于FPGA的圖形界面設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)一種基于VGA（VideoGraphicsArray，視頻圖形陣列）的終端顯示器，實(shí)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(jì)。包括定時(shí)器、串口、以太網(wǎng)控制器等。5.基于FPGA的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在基于FPGA的計(jì)算機(jī)核心上實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的操作系統(tǒng)，支持多任務(wù)、多進(jìn)程、文件系統(tǒng)等基本功能。三、預(yù)期成果通過(guò)本課題的研究，預(yù)期實(shí)現(xiàn)以下成果：1.完成基于FPGA的計(jì)算機(jī)核心課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，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(jì)。2.通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案的可行性和實(shí)用性。3.形成計(jì)算機(jī)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(lái)數(shù)字化時(shí)代深入的學(xué)科交叉領(lǐng)域。四、研究進(jìn)度計(jì)劃本課題的研究計(jì)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(jì)和HDL語(yǔ)言編程。五月份：完成內(nèi)存控制器和圖形界面的設(shè)計(jì)和實(shí)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(jì)和實(shí)現(xiàn)。七月份：完成操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。八月份：完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐和成果總結(jié)。五、參考文獻(xiàn)1.劉龍貴,安迪:基于FPGA的計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討[J].大學(xué)物理,2020,39(6):19-22.2.范華,艾峰:基于FPGA的計(jì)算機(jī)原理實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2020,37(3):8