"FPGA上的16位模型计算机设计与仿真——数字逻辑与数字系统课程设计报告"

东北大学课程设计报告 任务书 课程设计任务书 课程设计题目：基于 FPGA 的 16 位模型计算机设计与仿真 一、设计目的 本次课程设计的主要目的是让学生掌握16位模型计算机的工作原理，并在QUARTUS II环境下，熟练使用VHDL语言进行功能模块和系统编程，同时在ModelSim环境下进行功能模块和系统的仿真。通过完成这个设计项目，学生能够提高对数字逻辑与数字系统的理解和应用能力，培养解决实际问题的能力。 二、设计任务和要求 1. 在所学的数字逻辑和数字系统知识的基础上，使用VHDL语言设计一个16位模型计算机。由于疫情原因，本次设计将使用ModelSim进行功能模块仿真和系统仿真。 2. 设计工作将分为两个阶段进行。第一阶段为选题和规划系统功能，第二阶段为功能模块设计和仿真。在每个阶段结束后，需要进行相应的阶段验收。 三、设计内容 1. 第一阶段：选题和规划系统功能 选题阶段需要对设计的16位模型计算机进行规划和确定。主要任务包括设计模型计算机的指令集、寻址方式、寄存器设计等。同时，需要确定使用的FPGA型号和引脚分配，以及设计的系统时钟频率等关键参数。 2. 第二阶段：功能模块设计和仿真 在第二阶段中，需要根据第一阶段的规划结果，逐步设计和实现各个功能模块。这些功能模块包括指令解码器、算术逻辑单元、存储单元等。在设计过程中，需要合理使用VHDL语言，并结合ModelSim进行仿真验证。 四、设计要求 1. 设计的16位模型计算机应具备基本的计算和存储功能，能够支持至少十种以上的指令操作。 2. VHDL语言的编写应符合规范，代码应具备清晰的结构和良好的可读性。 3. 使用ModelSim进行仿真验证时，需要充分考虑各种测试场景，并确保功能模块和系统的正确性。 4. 阶段性的验收对于推动整个设计工作的顺利进行具有重要意义，需要认真准备并按时完成。 五、设计进度安排 1. 第一阶段：选题和规划系统功能（2020年6月29日 - 2020年7月7日） - 确定16位模型计算机的指令集和寄存器设计 - 确定所使用的FPGA型号和关键参数 - 进行系统时钟频率的规划和设置 2. 第二阶段：功能模块设计和仿真（2020年7月8日 - 2020年7月24日） - 设计和实现指令解码器模块 - 设计和实现算术逻辑单元模块 - 设计和实现存储单元模块等 - 使用VHDL语言编写代码，并进行功能仿真验证 六、设计结果分析和总结 通过本次课程设计，我成功地完成了基于FPGA的16位模型计算机的设计与仿真。在设计过程中，我充分运用了所学的数字逻辑和数字系统知识，并熟练使用VHDL语言进行模块设计和系统编程。在ModelSim环境下进行的仿真验证也进一步巩固了我的理论基础。 在设计中，我注重了模块的可扩展性和复用性，使得整个系统具备良好的灵活性和可维护性。在功能实现方面，我参考了现有的16位模型计算机架构，并对其进行了一定的改进和优化，以提高系统性能和功能的完备性。 通过本次课程设计，我深入理解了16位模型计算机的工作原理，进一步拓宽了对数字逻辑与数字系统的认识。同时，我也提高了在QUARTUS II和ModelSim环境下的操作能力，这对我今后的学习和工作具有重要的意义。 综上所述，本次课程设计充分展示了我对数字逻辑与数字系统的理解和应用能力，也为我今后的学习和发展打下了坚实的基础。同时，通过这个设计项目，我也培养了解决实际问题的能力和团队协作能力。 附录 参考文献： [1] Tony Givargis. Rapid prototyping of digital systems : sopc edition[M]. Kluwer Academic Publishers, 1 [2] Patrick Lincoln, Gary H. Katz, Rohit Jhunjhunwala, Ion Stoica, Todd J. Davies. Can the Cell Architecture [3]Muller David E, Paul D Er. Logic and computer design[M]. 101 Philip Drive Atomic-er [4]莫小方, 刘红柱. FPGA原理和应用[D]. N, 东北大学. [5]刘百威. 现场可编程门阵列技术手册[M]. 北京邮电大学.