計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)綜合技能試驗(yàn)箱，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)箱
2024-05-27 06:46計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)綜合技能試驗(yàn)箱是一種用于計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和綜合技能培訓(xùn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。這種試驗(yàn)箱集成了計(jì)算機(jī)硬件和軟件的多個(gè)方面，使用戶能夠在控制臺(tái)上進(jìn)行實(shí)際的操作和實(shí)驗(yàn)，從而提高計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和維護(hù)的技能。
1. 計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)：包括處理器、內(nèi)存、硬盤、顯卡、網(wǎng)卡等核心組件，用于構(gòu)建和測(cè)試計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
2. 電源系統(tǒng)：提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)，有時(shí)還包含電源監(jiān)控和保護(hù)功能。
3. 輸入/輸出接口：如USB、串口、并口、以太網(wǎng)接口等，用于連接外部設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)。
4. 顯示器和鍵盤：用于操作和監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。
5. 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和軟件：可能包括實(shí)驗(yàn)手冊(cè)、教學(xué)軟件、虛擬實(shí)驗(yàn)室等資源，便于用戶學(xué)習(xí)和實(shí)踐。
計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)綜合技能試驗(yàn)箱在計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)、電子信息工程等相關(guān)專業(yè)的教學(xué)和培訓(xùn)中非常有用。通過(guò)使用這種設(shè)備，學(xué)生可以在實(shí)踐中學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)硬件和軟件的設(shè)計(jì)、搭建、維護(hù)等技能，為將來(lái)的工作提供寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)綜合技能試驗(yàn)箱
一、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)與特點(diǎn)
1、完全基于FPGA/CPLD的模塊架構(gòu)，結(jié)構(gòu)支持USB的GPIF高速傳送，組成如下：
1）USB設(shè)備開(kāi)發(fā)與接口模塊：包含USB核心器件CY7C68013(含8051內(nèi)核)、串行EEPROM 24LC01B 、SRAM HY62WT081E、EPM3064ATC100、數(shù)據(jù)總線開(kāi)關(guān) SN74CB3Q3245、鎖存器 74VHC373、方口USB接口。
2）平臺(tái)接口控制用CPLD模塊：包含EPM3512AQC208主芯片、備頻器DS1080L、JTAG下載接口等。
3）CPU或IP Core用FPGA模塊：包含核心器件EP1C12Q240C8、配置芯片EPCS4、JTAG下載接口等。
4）主存模塊4MB SRAM，由8片512K SRAM 62V8400A 組成，1MB Flash放BIOS或TOS，由AM29LA800BT組成。
5）外圍接口開(kāi)發(fā)用CPLD模塊：含EPM1270T144C4和JTAG下載接口等。
6）CPU-BUS擴(kuò)張模塊：含USB雙向差分器MAX3346E、SRAM HY62WT081E
7）以太網(wǎng)接口模塊：含6PT8515、差分驅(qū)動(dòng)器DS90LV011AH和差分接收器DS90LV012AH。
8）串行通信接口：含MAX232電平轉(zhuǎn)換器和RS232-9接口。
9）GPIF接口：含SRAM HY62WT081E和IDC-40接口。
10）自設(shè)計(jì)CPU外部接口：含TFT-LCD顯示接口、IDE硬盤接口、LAN接口等。
2、結(jié)構(gòu)靈活，便于擴(kuò)充，適宜各種不同結(jié)構(gòu)CPU和目標(biāo)設(shè)計(jì)
1）完全基于FPGA/CPLD的本身使其結(jié)構(gòu)靈活
2）用作CPU/IP Core的FPGA（30萬(wàn)門）和外圍接口的CPLD使用背板轉(zhuǎn)插，方便更換和維護(hù)。
3）作CPU的FPGA設(shè)計(jì)了相當(dāng)?shù)膫浞菪盘?hào)并留有較多引腳連接。提供頂層調(diào)用目標(biāo)的詳盡描述模板和引腳配置文件。
4）接口控制用CPLD（萬(wàn)門）模塊邏輯描述開(kāi)放，增改方便、說(shuō)明詳盡。
3、控制簡(jiǎn)單，操作方便，智能化的控制和檢測(cè)功能
1）帶有上位主機(jī)的本系統(tǒng)調(diào)試debug（WIN2K/XP）軟件，對(duì)CPU及其組成的實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)，具有啟、停，程序加載與校驗(yàn)。
2）在單步、單指、斷點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，在CPU的跟蹤回收邏輯配合下，debug將自動(dòng)跟蹤回收顯示CPU內(nèi)部寄存器、總線、狀態(tài)等信息，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。用戶可在CPU的跟蹤回收邏輯里，自己選擇所要看的信息。
3）目標(biāo)CPU可透明使用PC機(jī)的各種外部設(shè)備，在連續(xù)運(yùn)行時(shí)可通過(guò)雙機(jī)（主機(jī)與目標(biāo)CPU）通訊（中斷IO方式），輸入實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)所需要的數(shù)據(jù)，顯示運(yùn)行數(shù)據(jù)、結(jié)果與狀態(tài)。
4） 對(duì)數(shù)字邏輯或其它系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)（包括計(jì)算機(jī)組成原理與體系結(jié)構(gòu)部件實(shí)驗(yàn)）時(shí)，用debug的讀寫存貯菜單，可對(duì)CPU/IP Core的FPGA的專用空間所設(shè)計(jì)的寄存器進(jìn)行其輸入數(shù)據(jù)和參數(shù)設(shè)置以及讀出目標(biāo)輸出信息。
4、遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)
1） 操作者可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的XP遠(yuǎn)程桌面進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，操作類同，效果一致。
二、實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目
A、《計(jì)算機(jī)組成原理》與《CPU設(shè)計(jì)與測(cè)試》
① CPU各部件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
1、譯碼器
2、簡(jiǎn)單指令部件（硬布線控制）
3、16位運(yùn)算器
4、存貯器（用FPGA內(nèi)SRAM）
5、FIFO先進(jìn)先出存儲(chǔ)器
6、8位累加器、雙端口8×4累加器
7、16位電位型移位邏輯
8、8級(jí)嵌套堆棧
9、程序計(jì)數(shù)器
10、時(shí)序邏輯
11、3態(tài)總線等
② CPU設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
1、自定義8位指令系統(tǒng)CPU，指令形式：RISC、CISC、MISC；
2、16位指令8086/86兼容CPU，16-40條或全指令集；
3、MIPS的12-16條、32位簡(jiǎn)化兼容CPU。
③ 創(chuàng)新CPU設(shè)計(jì)(配套提供教師講課內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)文件PPT、學(xué)生作業(yè)內(nèi)容和要求、設(shè)計(jì)參考等整套文檔）
1、LC-3 結(jié)構(gòu)CPU設(shè)計(jì)流程實(shí)驗(yàn)。
2、LC-3 結(jié)構(gòu)并行流水設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。
B、《數(shù)字邏輯》
計(jì)數(shù)器、數(shù)碼管譯碼電路、全加器、分頻與系列波、4位數(shù)據(jù)漢明校驗(yàn)、簡(jiǎn)化串行通訊等。
C、《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》
① 多CPU、共享存貯器、雙機(jī)（M、S）通訊、浮點(diǎn)運(yùn)算器等設(shè)計(jì)驗(yàn)證，外加CPU總線擴(kuò)張板可做橋路、總線轉(zhuǎn)換、存貯管理和控制部件、外設(shè)總體結(jié)構(gòu)等實(shí)驗(yàn)。
② 外圍設(shè)備接口邏輯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)包括IDE、TFT-LCD、LAN、USB、RS232、LPT等。
③ 系統(tǒng)BIOS和TOS實(shí)驗(yàn)。
D、《硬件描述語(yǔ)言》與《高密度可編程器件應(yīng)用》
VHDL、Verilog、AHD等語(yǔ)言編程設(shè)計(jì)、仿真與下載驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。
E、作為科研開(kāi)發(fā)硬件邏輯或IP Core設(shè)計(jì)或USB設(shè)備開(kāi)發(fā)的予驗(yàn)證和培訓(xùn)系統(tǒng)
所有實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的設(shè)計(jì)均使用硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL和在系統(tǒng)可編程器件FPGA/CPLD實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中學(xué)生不需要接任何線，專心于設(shè)計(jì)與驗(yàn)證調(diào)試。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程：目標(biāo)的Verilog HDL邏輯描述 → 編譯通過(guò) → 邏輯模擬仿真（手工、模板）驗(yàn)證 → 在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試下載目標(biāo)邏輯和測(cè)試程序數(shù)據(jù)測(cè)試驗(yàn)證。
對(duì)FPGAD/CPLD編程下載提供頂層調(diào)用目標(biāo)的詳盡描述模板和引腳配置文件，為用戶或設(shè)計(jì)者提供極大的方便。
如果是CPU設(shè)計(jì)、體系結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，其提高型還包括C語(yǔ)言編寫的指令仿真機(jī)、匯編器或高級(jí)編譯器設(shè)計(jì)，監(jiān)控程序、BIOS、Tos操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)（可與其它相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)配合進(jìn)行）。
FPGA設(shè)計(jì)與編程使用Altera的MAX+PlusII10.2、QuartusII4.1-7.2系統(tǒng)。
1. 計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)：包括處理器、內(nèi)存、硬盤、顯卡、網(wǎng)卡等核心組件，用于構(gòu)建和測(cè)試計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
2. 電源系統(tǒng)：提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)，有時(shí)還包含電源監(jiān)控和保護(hù)功能。
3. 輸入/輸出接口：如USB、串口、并口、以太網(wǎng)接口等，用于連接外部設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)。
4. 顯示器和鍵盤：用于操作和監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。
5. 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和軟件：可能包括實(shí)驗(yàn)手冊(cè)、教學(xué)軟件、虛擬實(shí)驗(yàn)室等資源，便于用戶學(xué)習(xí)和實(shí)踐。
計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)綜合技能試驗(yàn)箱在計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)、電子信息工程等相關(guān)專業(yè)的教學(xué)和培訓(xùn)中非常有用。通過(guò)使用這種設(shè)備，學(xué)生可以在實(shí)踐中學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)硬件和軟件的設(shè)計(jì)、搭建、維護(hù)等技能，為將來(lái)的工作提供寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)綜合技能試驗(yàn)箱
一、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)與特點(diǎn)
1、完全基于FPGA/CPLD的模塊架構(gòu)，結(jié)構(gòu)支持USB的GPIF高速傳送，組成如下：
1）USB設(shè)備開(kāi)發(fā)與接口模塊：包含USB核心器件CY7C68013(含8051內(nèi)核)、串行EEPROM 24LC01B 、SRAM HY62WT081E、EPM3064ATC100、數(shù)據(jù)總線開(kāi)關(guān) SN74CB3Q3245、鎖存器 74VHC373、方口USB接口。
2）平臺(tái)接口控制用CPLD模塊：包含EPM3512AQC208主芯片、備頻器DS1080L、JTAG下載接口等。
3）CPU或IP Core用FPGA模塊：包含核心器件EP1C12Q240C8、配置芯片EPCS4、JTAG下載接口等。
4）主存模塊4MB SRAM，由8片512K SRAM 62V8400A 組成，1MB Flash放BIOS或TOS，由AM29LA800BT組成。
5）外圍接口開(kāi)發(fā)用CPLD模塊：含EPM1270T144C4和JTAG下載接口等。
6）CPU-BUS擴(kuò)張模塊：含USB雙向差分器MAX3346E、SRAM HY62WT081E
7）以太網(wǎng)接口模塊：含6PT8515、差分驅(qū)動(dòng)器DS90LV011AH和差分接收器DS90LV012AH。
8）串行通信接口：含MAX232電平轉(zhuǎn)換器和RS232-9接口。
9）GPIF接口：含SRAM HY62WT081E和IDC-40接口。
10）自設(shè)計(jì)CPU外部接口：含TFT-LCD顯示接口、IDE硬盤接口、LAN接口等。
2、結(jié)構(gòu)靈活，便于擴(kuò)充，適宜各種不同結(jié)構(gòu)CPU和目標(biāo)設(shè)計(jì)
1）完全基于FPGA/CPLD的本身使其結(jié)構(gòu)靈活
2）用作CPU/IP Core的FPGA（30萬(wàn)門）和外圍接口的CPLD使用背板轉(zhuǎn)插，方便更換和維護(hù)。
3）作CPU的FPGA設(shè)計(jì)了相當(dāng)?shù)膫浞菪盘?hào)并留有較多引腳連接。提供頂層調(diào)用目標(biāo)的詳盡描述模板和引腳配置文件。
4）接口控制用CPLD（萬(wàn)門）模塊邏輯描述開(kāi)放，增改方便、說(shuō)明詳盡。
3、控制簡(jiǎn)單，操作方便，智能化的控制和檢測(cè)功能
1）帶有上位主機(jī)的本系統(tǒng)調(diào)試debug（WIN2K/XP）軟件，對(duì)CPU及其組成的實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)，具有啟、停，程序加載與校驗(yàn)。
2）在單步、單指、斷點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，在CPU的跟蹤回收邏輯配合下，debug將自動(dòng)跟蹤回收顯示CPU內(nèi)部寄存器、總線、狀態(tài)等信息，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。用戶可在CPU的跟蹤回收邏輯里，自己選擇所要看的信息。
3）目標(biāo)CPU可透明使用PC機(jī)的各種外部設(shè)備，在連續(xù)運(yùn)行時(shí)可通過(guò)雙機(jī)（主機(jī)與目標(biāo)CPU）通訊（中斷IO方式），輸入實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)所需要的數(shù)據(jù)，顯示運(yùn)行數(shù)據(jù)、結(jié)果與狀態(tài)。
4） 對(duì)數(shù)字邏輯或其它系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)（包括計(jì)算機(jī)組成原理與體系結(jié)構(gòu)部件實(shí)驗(yàn)）時(shí)，用debug的讀寫存貯菜單，可對(duì)CPU/IP Core的FPGA的專用空間所設(shè)計(jì)的寄存器進(jìn)行其輸入數(shù)據(jù)和參數(shù)設(shè)置以及讀出目標(biāo)輸出信息。
4、遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)
1） 操作者可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的XP遠(yuǎn)程桌面進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，操作類同，效果一致。
二、實(shí)驗(yàn)課程項(xiàng)目
A、《計(jì)算機(jī)組成原理》與《CPU設(shè)計(jì)與測(cè)試》
① CPU各部件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
1、譯碼器
2、簡(jiǎn)單指令部件（硬布線控制）
3、16位運(yùn)算器
4、存貯器（用FPGA內(nèi)SRAM）
5、FIFO先進(jìn)先出存儲(chǔ)器
6、8位累加器、雙端口8×4累加器
7、16位電位型移位邏輯
8、8級(jí)嵌套堆棧
9、程序計(jì)數(shù)器
10、時(shí)序邏輯
11、3態(tài)總線等
② CPU設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)
1、自定義8位指令系統(tǒng)CPU，指令形式：RISC、CISC、MISC；
2、16位指令8086/86兼容CPU，16-40條或全指令集；
3、MIPS的12-16條、32位簡(jiǎn)化兼容CPU。
③ 創(chuàng)新CPU設(shè)計(jì)(配套提供教師講課內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)文件PPT、學(xué)生作業(yè)內(nèi)容和要求、設(shè)計(jì)參考等整套文檔）
1、LC-3 結(jié)構(gòu)CPU設(shè)計(jì)流程實(shí)驗(yàn)。
2、LC-3 結(jié)構(gòu)并行流水設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。
B、《數(shù)字邏輯》
計(jì)數(shù)器、數(shù)碼管譯碼電路、全加器、分頻與系列波、4位數(shù)據(jù)漢明校驗(yàn)、簡(jiǎn)化串行通訊等。
C、《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》
① 多CPU、共享存貯器、雙機(jī)（M、S）通訊、浮點(diǎn)運(yùn)算器等設(shè)計(jì)驗(yàn)證，外加CPU總線擴(kuò)張板可做橋路、總線轉(zhuǎn)換、存貯管理和控制部件、外設(shè)總體結(jié)構(gòu)等實(shí)驗(yàn)。
② 外圍設(shè)備接口邏輯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)包括IDE、TFT-LCD、LAN、USB、RS232、LPT等。
③ 系統(tǒng)BIOS和TOS實(shí)驗(yàn)。
D、《硬件描述語(yǔ)言》與《高密度可編程器件應(yīng)用》
VHDL、Verilog、AHD等語(yǔ)言編程設(shè)計(jì)、仿真與下載驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。
E、作為科研開(kāi)發(fā)硬件邏輯或IP Core設(shè)計(jì)或USB設(shè)備開(kāi)發(fā)的予驗(yàn)證和培訓(xùn)系統(tǒng)
所有實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的設(shè)計(jì)均使用硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL和在系統(tǒng)可編程器件FPGA/CPLD實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)中學(xué)生不需要接任何線，專心于設(shè)計(jì)與驗(yàn)證調(diào)試。
實(shí)驗(yàn)過(guò)程：目標(biāo)的Verilog HDL邏輯描述 → 編譯通過(guò) → 邏輯模擬仿真（手工、模板）驗(yàn)證 → 在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試下載目標(biāo)邏輯和測(cè)試程序數(shù)據(jù)測(cè)試驗(yàn)證。
對(duì)FPGAD/CPLD編程下載提供頂層調(diào)用目標(biāo)的詳盡描述模板和引腳配置文件，為用戶或設(shè)計(jì)者提供極大的方便。
如果是CPU設(shè)計(jì)、體系結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，其提高型還包括C語(yǔ)言編寫的指令仿真機(jī)、匯編器或高級(jí)編譯器設(shè)計(jì)，監(jiān)控程序、BIOS、Tos操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)（可與其它相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)配合進(jìn)行）。
FPGA設(shè)計(jì)與編程使用Altera的MAX+PlusII10.2、QuartusII4.1-7.2系統(tǒng)。