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LH-C25B 计算机组成原理和体系结构实验系统

关键词：

电工、电子、电气、电子信息、计算机硬件和控制类教学实验设备。

所属分类：

计算机组成原理和体系结构创新设计系列

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LH-C25B 计算机组成原理和体系结构实验系统

LH-C25B 创新型计算机组成原理与体系结构设计系统

本系统由铝木合金箱体、开关电源、常用信号源以及为用户开展创新设计量身打造的CPLD/FPGA开发板组成，为用户提供了优秀的硬件平台。所有实验用信号线均采用高可靠性的线连接，确保避免接触不良的问题。本实验箱适用于本专科院校所有电类和非电类专业的《数字电子技术》、《数字系统设计》、《EDA技术设计》、《计算机组成原理》等课程的实验、实训以及创新设计。配套《计算机组成原理实践教程》由清华大学出版社出版发行。

一、技术特点

1、系统要求有基础性实验主板和FPGA万能设计桥组成，可以实现虚实结合的实验模式。

2、基于FPGA的实验技术，可以结合教学内容设计实验，便于和课堂教学相配套，改变课堂讲一套、实验做另外一套的状况。既可以支持设计型、创新型实验，也可用设计好的电路进行原理验证型实验，便于实施多层次的实验教学。

3、学生所有的操作都是在计算机的虚拟界面上完成，甚至不需要实验板具有实际的开关按键、指示灯数码管等元件，从而极大地降低了实验板的故障率和日常维护成本。不仅具有真实感的虚拟实验板，并且独创基于原理图的虚拟实验板，使学生将注意力集中在实验原理上，无需将精力消耗在开关等元件与原理的对应上，提高实验效率。

4、实验过程可视化：在虚拟实验板上操作，以信息流方式显示CPU的指令执行过程，如图1所示。

5、支持用户自定义实验内容、自定义虚拟实验板、自定义CPU数据通路。。系统提供虚拟实验板设计工具，用户可为自己的实验定制虚拟实验界面。

图1 可视化的虚拟实验界面

6、模型机实验时，可动态显示实验CPU的运行状态。CPU内部状态通过调试电路传递到用户界面，以数据记录和图形化两种形式显示。高亮显示当前有效的控制信号、变化的数值以及信息流动，方便学生调试设计，加深对指令执行过程的理解。也可用于教学演示。

7、模型机的设计调试支持微指令单步、微指令断点、指令单步、断点、全速等运行方式。可通过软件界面输入、查看和保存控存、主存内容，如图2所示。

图2 模型机的设计调试界面

8、微程序控制或基本多周期MIPS等CISC或RSIC实验CPU的设计调试界面如图3所示;用户可以扩充自己的实验CPU，只需要通过特定的脚本描述CPU的特性即可由实验调试系统可视化显示。

二、系统主要组成

1、实验电路工作电源：+5V/2A、±12V/0.5A，每路均带有短路保护和自动关断功能，每路带电源指示。其中+5V电源设计有过压、过流报警保护功能，待电路中故障排除后，自动恢复供电。

2、常用信号源：1）四组防抖动单脉冲；2）固定脉冲100Hz，10Hz，2Hz，1Hz。

3、输入输出：1）24位数据开关；2）12位指示灯；3）6位带驱动和译码数码显示器。

4、实验模块：1）三态门74LS25；2）锁存器74LS273；3）移位运算器74LS273；4）存储器6264；5）4组寄存器组；6）由EPM240T100设计而成的4位多功能算术运算器；7）IC插座 14芯6只，16芯4只，8芯1只；8）可调电位器100，1K，10K，100K。

5、创新扩展模块

配有定时/计数器接口电路8253。实现带定时/计数器功能的模型机的设计；配置ALTERA EPM240核心模块，具有192个宏单元、不少于80根输入输出线的自动设计模块实现具备多功能复杂模型机的设计实验。

6、FPGA万能设计桥

1）承载片上调试器以及实验电路，连接计算机和基础实验主板。

2）基于FPGA设计技术，由Altera Cyclone IV EP4CE6E、嵌入式STM32和时钟电路、USB通信电路等组成。

3）和电脑的连接采用标准USB接口（非串转USB)。

7、配套软件

1）自设计的实验软件提供操作实验电路的虚拟界面，具有自主知识产权。

2）学生所有的操作都是在计算机的虚拟界面上完成，甚至不需要实验板具有实际的开关按键、指示灯数码管等元件，从而极大地降低了实验板的故障率和日常维护成本。不仅具有真实感的虚拟实验平台，并且独创基于原理图的虚拟实验平台，使学生将注意力集中在实验原理上，无需将精力消耗在开关等元件与原理的对应上，提高实验效率。

3）实验过程可视化：在虚拟实验平台上操作，以信息流方式显示CPU的指令执行过程。

4）支持用户自定义实验内容、自定义虚拟实验平台、自定义CPU数据通路。系统提供虚拟实验平台设计工具，用户可为自己的实验定制虚拟实验界面。

5）模型机实验时，以彩色流程方式可动态显示实验CPU的运行状态。CPU内部状态通过调试电路传递到用户界面，以数据记录和图形化两种形式显示。高亮显示当前有效的控制信号、变化的数值以及信息流动，方便学生调试设计，加深对指令执行过程的理解。也可用于教学演示。

6）模型机的设计调试支持微指令单步、微指令断点、指令单步、断点、全速等运行方式。可通过软件界面输入、查看和保存控存、主存内容。

三、可以实现的实验项目

基础实验项目

1、8位算术逻辑运算实验

2、带进位控制8位算术逻辑运算实验

3、16位算术逻辑运算实验

4、移位运算器实验

5、存储器实验

6、8位微控制器实验

7、基本模型机的设计与实现

8、带移位运算的模型机的设计与实现

9、复杂模型机的设计与实现

10、带移位运算的模型机的设计与实现

11、复杂模型机的设计与实现

12、扩展8253并行口实验

13、大规模集成电路应用实验__可重构原理计算机组成设计实验

14、大规模集成电路应用实验二__扩展I/O口(8212)实验

15、大规模集成电路应用实验三__基于RISC处理器构成的实验计算机的设计与实现

创新设计性实验项目

16、密码器设计

17、多功能运算电路设计

18、4位算术逻辑单元设计

19、16位微控制器实验

20、32位数据通路设计

21、32位硬布线控制器设计

22、高速缓冲存储器(Cache)设计

23、中断控制器设计

24、基于CISC和RISC处理器构成的实验计算机的设计与实现

25、用大规模芯片在模型机的基础上设计一个8位输入输出并行接口芯片8212。

26、基于5级流水技术构成模型计算机的实验

四、实验箱配置表

序号	名称	说明	数量
1	LH-C25B实验主机箱	含详细技术指标里全部软硬件	1台
2	杜邦8芯排线	40cm	5根
3	杜邦5芯排线	40cm	2根
4	杜邦4芯排线	40cm	2根
5	交流电源线1根	长1.5米	1根
6	Altera 下载线	USB接口	1根
7	软件光盘	联机调试软件和实验例程	1套
9	实验指导书		1套