Quartus在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

陳　越

摘要 討論計(jì)算機(jī)組成原理課程中實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀,提出引入Quartus軟件仿真技術(shù)提高學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)效果的新思路。描述Quartus仿真的具體設(shè)計(jì)過(guò)程,并給出其在組成原理實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例。

關(guān)鍵詞 Quartus;仿真;實(shí)踐教學(xué);計(jì)算機(jī)組成原理

中圖分類號(hào):G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1671-489X(2009)27-0123-02

Application of Quartus Simulation in Practice Teaching of Computer Organization//Chen Yue

Abstract This paper discusses the status of practice teaching of Computer Organization, and puts forward a new idea that using the simulating technology of Quartus to improve effect of study and practice. It describes the specific process of Quartus Simulation, and gives out an example in practice teaching.

Key words Quartus; Simulation; practice teaching; computer organization

Authors address School of Computer Science and Technology ,Nantong University, Jiangsu, Nantong, Jiangsu, 226019, China

計(jì)算機(jī)組成原理是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)及相關(guān)專業(yè)的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課程,主要講授計(jì)算機(jī)各組成部分的工作原理、邏輯實(shí)現(xiàn)和設(shè)計(jì)方法等方面的知識(shí)。課程的教學(xué)具有知識(shí)面廣、內(nèi)容多、難度大、更新快等特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)一方面可以幫助學(xué)生進(jìn)一步融會(huì)貫通教材知識(shí),另一方面也可以提高學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、組裝和調(diào)試等實(shí)踐動(dòng)手能力。

1 Quartus在實(shí)踐教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

1.1 傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀目前,國(guó)內(nèi)眾多院校計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)踐教學(xué),仍然采用實(shí)驗(yàn)箱來(lái)完成實(shí)踐課內(nèi)容。由于實(shí)驗(yàn)箱中的硬件結(jié)構(gòu)基本固定,器件的品種、數(shù)量擴(kuò)展困難,實(shí)踐課中的內(nèi)容難以突破實(shí)驗(yàn)箱的限制,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和內(nèi)容受到制約,甚至有些輔助和加深理解理論課內(nèi)容的項(xiàng)目也無(wú)法開(kāi)出。并且,試驗(yàn)箱的損壞率較高,維護(hù)也不方便。這使得實(shí)踐教學(xué)既無(wú)法起到加深學(xué)生對(duì)理論課內(nèi)容理解的作用,同時(shí)也嚴(yán)重地制約對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.2 Quartus的優(yōu)勢(shì)Quartus軟件是Altera公司的綜合開(kāi)發(fā)工具,它集成Altera的CPLD/FPGA(Complex Programmable Logic Device/Field Programmable Gate Array,復(fù)雜可編程邏輯器件/現(xiàn)場(chǎng)可編程器件)開(kāi)發(fā)流程中所涉及的所有工具和第三方接口。通過(guò)使用此綜合開(kāi)發(fā)工具,設(shè)計(jì)者可以創(chuàng)建、組織和管理自己的設(shè)計(jì)。

在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)踐教學(xué)中引入Quartus作為仿真軟件,能夠提供多種仿真庫(kù)和多種仿真方法,仿真速度快,并能滿足各種綜合型設(shè)計(jì)的需要,使得理論教學(xué)直觀,加深學(xué)生對(duì)所學(xué)課程的理解,學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中也可以開(kāi)闊視野、擴(kuò)展思路。Quartus功能強(qiáng)大、界面友好、易于掌握,徹底改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,實(shí)驗(yàn)具有開(kāi)放性、可編程性強(qiáng)、設(shè)計(jì)空間大、時(shí)間靈活等特點(diǎn),并具有較高的實(shí)驗(yàn)效率。

2 Quartus仿真技術(shù)

Quartus提供功能仿真和時(shí)序仿真2種仿真工具,其功能十分強(qiáng)大。設(shè)計(jì)者視所需的信息類型而定,可以進(jìn)行功能仿真以測(cè)試設(shè)計(jì)的邏輯功能,也可以進(jìn)行時(shí)序仿真,在目標(biāo)器件中測(cè)試設(shè)計(jì)的邏輯功能和最壞情況下的時(shí)序。Quartus設(shè)計(jì)仿真流程如圖1所示。

布局連線是將設(shè)計(jì)綜合后的網(wǎng)表文件映射到實(shí)體器件的過(guò)程。該過(guò)程包括:將設(shè)計(jì)工程的邏輯和時(shí)序要求與器件的可用資源相匹配;將每個(gè)邏輯功能分配給最好的邏輯單元位置,進(jìn)行布線和時(shí)序分析;選擇相應(yīng)的互連路徑和引腳分配。Quartus II提供Fitter工具、布局圖編輯器、芯片編輯器、增量布局連線工具等豐富的布局連線工具。

Quartus II提供專用的時(shí)序分析器,可用于分析設(shè)計(jì)中的所有邏輯,并有助于指導(dǎo)Fitter工具達(dá)到設(shè)計(jì)的時(shí)序要求。時(shí)序分析的結(jié)果包括fMAX(最大頻率)、tSU(時(shí)鐘建立時(shí)間)、tH(時(shí)鐘保持時(shí)間)、tCO(時(shí)鐘至輸出延時(shí))、tPD(引腳至引腳延時(shí))、最小tCO和最短tPD。

在時(shí)序仿真過(guò)程中,Quartus可根據(jù)設(shè)計(jì)者提供的向量波形文件(.vwf)、間量表輸出文件(.tbl)、向量文件(.vec)和仿真基準(zhǔn)文件(.tbl)格式的波形文件進(jìn)行仿真,輸出仿真波形。除此之外,Quartus還可以估計(jì)在時(shí)序仿真期間當(dāng)前設(shè)計(jì)所消耗的功率。

3 Quartus仿真在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

此處,使用Quartus II軟件,以8位運(yùn)算器的設(shè)計(jì)仿真為例,說(shuō)明Quartus仿真技術(shù)在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用方法。

3.1 設(shè)計(jì)原理8位字長(zhǎng)的ALU由2片74181構(gòu)成。2片74273構(gòu)成2個(gè)操作數(shù)寄存器DR1和DR2,用來(lái)保存參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)。DR1接ALU的A數(shù)據(jù)輸入端口,DR2接ALU的B數(shù)據(jù)輸入端口,ALU的數(shù)據(jù)輸出通過(guò)三態(tài)門74244發(fā)送到數(shù)據(jù)總線BUS7-BUS0上,其原理圖見(jiàn)圖2。

3.2 布局連線建立實(shí)驗(yàn)電路文件(.bdf文件),添加實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所需具體芯片:2片74181、2片74243b、1片74244,完成對(duì)應(yīng)信號(hào)引腳之間的連線。其中,考慮到運(yùn)算位數(shù)有限,2片74181之間采用串行進(jìn)位的方式連接。

布局連線完成后,得到圖3所示邏輯電路,進(jìn)行文件編譯,檢查該電路是否連接正確。

3.3 波形仿真建立矢量波形文件,對(duì)各控制信號(hào)、輸入數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行初始化賦值及電平變化控制,提供必要的時(shí)序信號(hào),設(shè)定仿真方式,運(yùn)行仿真功能。圖4給出2個(gè)輸入分別為01010101B、10101010B,運(yùn)算器工作在直通模式(S3～S0為1111、1010)下時(shí),DR1、DR2中是否正確保存所置數(shù)的驗(yàn)證仿真圖。其他運(yùn)算可調(diào)整輸入信號(hào),進(jìn)行仿真處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐教學(xué)在計(jì)算機(jī)組成原理課程的整個(gè)教學(xué)體系中占有十分重要的地位,Quartus仿真技術(shù)的應(yīng)用不僅幫助學(xué)生更好地掌握書(shū)本知識(shí),也進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,同時(shí)也為現(xiàn)代化實(shí)踐教學(xué)提供新的思路。

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