陳　越

摘要 討論計算機組成原理課程中實踐教學(xué)的現(xiàn)狀,提出引入Quartus軟件仿真技術(shù)提高學(xué)習(xí)和實驗效果的新思路。描述Quartus仿真的具體設(shè)計過程,并給出其在組成原理實踐教學(xué)中的應(yīng)用實例。

關(guān)鍵詞 Quartus;仿真;實踐教學(xué);計算機組成原理

中圖分類號:G434 文獻標(biāo)識碼:B 文章編號: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

計算機組成原理是計算機科學(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,主要講授計算機各組成部分的工作原理、邏輯實現(xiàn)和設(shè)計方法等方面的知識。課程的教學(xué)具有知識面廣、內(nèi)容多、難度大、更新快等特點。計算機組成原理實踐教學(xué)環(huán)節(jié)一方面可以幫助學(xué)生進一步融會貫通教材知識,另一方面也可以提高學(xué)生對計算機系統(tǒng)的分析、設(shè)計、組裝和調(diào)試等實踐動手能力。

1 Quartus在實踐教學(xué)中的優(yōu)勢

1.1 傳統(tǒng)實踐教學(xué)現(xiàn)狀目前,國內(nèi)眾多院校計算機組成原理實踐教學(xué),仍然采用實驗箱來完成實踐課內(nèi)容。由于實驗箱中的硬件結(jié)構(gòu)基本固定,器件的品種、數(shù)量擴展困難,實踐課中的內(nèi)容難以突破實驗箱的限制,實驗項目和內(nèi)容受到制約,甚至有些輔助和加深理解理論課內(nèi)容的項目也無法開出。并且,試驗箱的損壞率較高,維護也不方便。這使得實踐教學(xué)既無法起到加深學(xué)生對理論課內(nèi)容理解的作用,同時也嚴(yán)重地制約對學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.2 Quartus的優(yōu)勢Quartus軟件是Altera公司的綜合開發(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)場可編程器件)開發(fā)流程中所涉及的所有工具和第三方接口。通過使用此綜合開發(fā)工具,設(shè)計者可以創(chuàng)建、組織和管理自己的設(shè)計。

在計算機組成原理實踐教學(xué)中引入Quartus作為仿真軟件,能夠提供多種仿真庫和多種仿真方法,仿真速度快,并能滿足各種綜合型設(shè)計的需要,使得理論教學(xué)直觀,加深學(xué)生對所學(xué)課程的理解,學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中也可以開闊視野、擴展思路。Quartus功能強大、界面友好、易于掌握,徹底改變傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式,實驗具有開放性、可編程性強、設(shè)計空間大、時間靈活等特點,并具有較高的實驗效率。

2 Quartus仿真技術(shù)

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

布局連線是將設(shè)計綜合后的網(wǎng)表文件映射到實體器件的過程。該過程包括:將設(shè)計工程的邏輯和時序要求與器件的可用資源相匹配;將每個邏輯功能分配給最好的邏輯單元位置,進行布線和時序分析;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提供專用的時序分析器,可用于分析設(shè)計中的所有邏輯,并有助于指導(dǎo)Fitter工具達到設(shè)計的時序要求。時序分析的結(jié)果包括fMAX(最大頻率)、tSU(時鐘建立時間)、tH(時鐘保持時間)、tCO(時鐘至輸出延時)、tPD(引腳至引腳延時)、最小tCO和最短tPD。

在時序仿真過程中,Quartus可根據(jù)設(shè)計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)格式的波形文件進行仿真,輸出仿真波形。除此之外,Quartus還可以估計在時序仿真期間當(dāng)前設(shè)計所消耗的功率。

3 Quartus仿真在實踐教學(xué)中的應(yīng)用

此處,使用Quartus II軟件,以8位運算器的設(shè)計仿真為例,說明Quartus仿真技術(shù)在計算機組成原理實驗中的應(yīng)用方法。

3.1 設(shè)計原理8位字長的ALU由2片74181構(gòu)成。2片74273構(gòu)成2個操作數(shù)寄存器DR1和DR2,用來保存參與運算的數(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)輸出通過三態(tài)門74244發(fā)送到數(shù)據(jù)總線BUS7-BUS0上,其原理圖見圖2。

3.2 布局連線建立實驗電路文件(.bdf文件),添加實驗設(shè)計所需具體芯片:2片74181、2片74243b、1片74244,完成對應(yīng)信號引腳之間的連線。其中,考慮到運算位數(shù)有限,2片74181之間采用串行進位的方式連接。

布局連線完成后,得到圖3所示邏輯電路,進行文件編譯,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,對各控制信號、輸入數(shù)據(jù)信號進行初始化賦值及電平變化控制,提供必要的時序信號,設(shè)定仿真方式,運行仿真功能。圖4給出2個輸入分別為01010101B、10101010B,運算器工作在直通模式(S3～S0為1111、1010)下時,DR1、DR2中是否正確保存所置數(shù)的驗證仿真圖。其他運算可調(diào)整輸入信號,進行仿真處理。

4 結(jié)束語

實踐教學(xué)在計算機組成原理課程的整個教學(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)生更好地掌握書本知識,也進一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,同時也為現(xiàn)代化實踐教學(xué)提供新的思路。

參考文獻

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