Quartus在计算机组成原理实践教学中的应用

陈　越

摘要 讨论计算机组成原理课程中实践教学的现状,提出引入Quartus软件仿真技术提高学习和实验效果的新思路。描述Quartus仿真的具体设计过程,并给出其在组成原理实践教学中的应用实例。

关键词 Quartus;仿真;实践教学;计算机组成原理

中图分类号:G434 文献标识码:B 文章编号: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

计算机组成原理是计算机科学与技术及相关专业的一门核心专业基础课程,主要讲授计算机各组成部分的工作原理、逻辑实现和设计方法等方面的知识。课程的教学具有知识面广、内容多、难度大、更新快等特点。计算机组成原理实践教学环节一方面可以帮助学生进一步融会贯通教材知识,另一方面也可以提高学生对计算机系统的分析、设计、组装和调试等实践动手能力。

1 Quartus在实践教学中的优势

1.1 传统实践教学现状目前,国内众多院校计算机组成原理实践教学,仍然采用实验箱来完成实践课内容。由于实验箱中的硬件结构基本固定,器件的品种、数量扩展困难,实践课中的内容难以突破实验箱的限制,实验项目和内容受到制约,甚至有些辅助和加深理解理论课内容的项目也无法开出。并且,试验箱的损坏率较高,维护也不方便。这使得实践教学既无法起到加深学生对理论课内容理解的作用,同时也严重地制约对学生动手能力和创新能力的培养。

1.2 Quartus的优势Quartus软件是Altera公司的综合开发工具,它集成Altera的CPLD/FPGA(Complex Programmable Logic Device/Field Programmable Gate Array,复杂可编程逻辑器件/现场可编程器件)开发流程中所涉及的所有工具和第三方接口。通过使用此综合开发工具,设计者可以创建、组织和管理自己的设计。

在计算机组成原理实践教学中引入Quartus作为仿真软件,能够提供多种仿真库和多种仿真方法,仿真速度快,并能满足各种综合型设计的需要,使得理论教学直观,加深学生对所学课程的理解,学生在学习的过程中也可以开阔视野、扩展思路。Quartus功能强大、界面友好、易于掌握,彻底改变传统的实验教学模式,实验具有开放性、可编程性强、设计空间大、时间灵活等特点,并具有较高的实验效率。

2 Quartus仿真技术

Quartus提供功能仿真和时序仿真2种仿真工具,其功能十分强大。设计者视所需的信息类型而定,可以进行功能仿真以测试设计的逻辑功能,也可以进行时序仿真,在目标器件中测试设计的逻辑功能和最坏情况下的时序。Quartus设计仿真流程如图1所示。

布局连线是将设计综合后的网表文件映射到实体器件的过程。该过程包括:将设计工程的逻辑和时序要求与器件的可用资源相匹配;将每个逻辑功能分配给最好的逻辑单元位置,进行布线和时序分析;选择相应的互连路径和引脚分配。Quartus II提供Fitter工具、布局图编辑器、芯片编辑器、增量布局连线工具等丰富的布局连线工具。

Quartus II提供专用的时序分析器,可用于分析设计中的所有逻辑,并有助于指导Fitter工具达到设计的时序要求。时序分析的结果包括fMAX(最大频率)、tSU(时钟建立时间)、tH(时钟保持时间)、tCO(时钟至输出延时)、tPD(引脚至引脚延时)、最小tCO和最短tPD。

在时序仿真过程中,Quartus可根据设计者提供的向量波形文件(.vwf)、间量表输出文件(.tbl)、向量文件(.vec)和仿真基准文件(.tbl)格式的波形文件进行仿真,输出仿真波形。除此之外,Quartus还可以估计在时序仿真期间当前设计所消耗的功率。

3 Quartus仿真在实践教学中的应用

此处,使用Quartus II软件,以8位运算器的设计仿真为例,说明Quartus仿真技术在计算机组成原理实验中的应用方法。

3.1 设计原理8位字长的ALU由2片74181构成。2片74273构成2个操作数寄存器DR1和DR2,用来保存参与运算的数据。DR1接ALU的A数据输入端口,DR2接ALU的B数据输入端口,ALU的数据输出通过三态门74244发送到数据总线BUS7-BUS0上,其原理图见图2。

3.2 布局连线建立实验电路文件(.bdf文件),添加实验设计所需具体芯片:2片74181、2片74243b、1片74244,完成对应信号引脚之间的连线。其中,考虑到运算位数有限,2片74181之间采用串行进位的方式连接。

布局连线完成后,得到图3所示逻辑电路,进行文件编译,检查该电路是否连接正确。

3.3 波形仿真建立矢量波形文件,对各控制信号、输入数据信号进行初始化赋值及电平变化控制,提供必要的时序信号,设定仿真方式,运行仿真功能。图4给出2个输入分别为01010101B、10101010B,运算器工作在直通模式(S3～S0为1111、1010)下时,DR1、DR2中是否正确保存所置数的验证仿真图。其他运算可调整输入信号,进行仿真处理。

4 结束语

实践教学在计算机组成原理课程的整个教学体系中占有十分重要的地位,Quartus仿真技术的应用不仅帮助学生更好地掌握书本知识,也进一步激发学生的学习兴趣,同时也为现代化实践教学提供新的思路。

参考文献

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