《计算机组成原理》是计算机系的一门核心课程。但是它涉及的知识面非常广,内容包括中央处理器、指令系统、存储系统、总线和输入输出系统等方面,学生在学习该课程时,普遍觉得内容抽象难于理解。但借助于该计算机组成原理实验系统,学生通过实验环节,可以进一步融会贯通学习内容,掌握计算机各模块的工作原理,相互关系的来龙去脉。为了增强实验系统的功能,提高系统的灵活性,降低实验成本,我们采用FPGA芯片技术来彻底更新现有的计算器组成原理实验平台。该技术可根据用户要求为芯片加载由VHDL语言所编写出的不同的硬件逻辑,FPGA芯片具有重复编程能力,使得系统内硬件的功能可以像软件一样被编程,这种称为“软”硬件的全新系统设计概念,使实验系统具有极强的灵活性和适应性。它不仅使该系统性能的改进和扩充变得十分简易和方便,而且使学生自己设计不同的实验变为可能。计算机组成原理实验的最终目的是让学生能够设计CPU,但首先,学生必须知道CPU的各个功能部件是如何工作,以及相互之间是如何配合构成CPU的。因此,我们必须先设计出一个教学用的以FPGA芯片为核心的硬件平台,然后在此基础上开发出VHDL部件库及主要逻辑功能,并设计出一套实验。本文重点研究了基于FPGA芯片的VHDL硬件系统,由于VHDL的高标准化和硬件描述能力,现代CPU的主要功能如计算,存储,I/O操作等均可由VHDL来实现。同时设计实验内容,包括时序电路的组成及控制原理实验、八位运算器的组成及复合运算实验、存储器实验、数据通路实验、浮点运算器实验、多流水线处理器实验等,这些实验形成一个相互关联的系统。每个实验先由教师讲解原理及原理图,学生根据教师提供的原理图,自己用MAX+PLUSII完成电路输入,学生实验实际上是编写VHDL,不需要写得很复杂,只要能调用接口,然后将程序烧入平台,这样既不会让学生花太多的时间在画电路图上,又能让学生更好的理解每个部件的工作原理和工作过程。论文首先研究分析了FPGA硬件实验平台,即实验系统的硬件组成。系统采用FPGA-XC4010EPC84,62256CPLD以及其他外围芯片(例如74LS244,74LS275)组成。根据不同的实验要求,规划不同实验控制逻辑。用户可选择不同的实验逻辑,通过把实验逻辑下载到FPGA芯片中构成自己的实验平台。其次,论文详细的阐述了VHDL模块化设计,如何运用VHDL技术来依次实现CPU的各个功能部件。VHDL语言作为一种国际标准化的硬件描述语言,自1987年获得IEEE批准以来,经过了1993年和2001年两次修改,至今已被众多的国际知名电子设计自动化(EDA)工具研发商所采用,并随同EDA设计工具一起广泛地进入了数字系统设计与研发领域,目前已成为电子业界普遍接受的一种硬件设计技术。再次,论文针对实验平台中遇到的较为棘手的多流水线等问题,也进行了深入的阐述和剖析。学生需要什么样的实验条件,实验内容及步骤才能了解当今CPU所采用的核心技术,才能掌握CPU的设计,运行原理。另外,本论文的背景是需要学生熟悉基本的VHDL知识或技能,因为实验是在编写VHDL代码的前提下完成的。本文在基于实验室的环境下,基本上较为完整的实现了一个基于FPGA的实验平台方案。在此基础上,进行了部分功能的测试和部分性能方面的分析。本论文的研究,为FPGA在实际系统中的应用提供研究思路和参考方案。论文的研究结果将对FPGA与VHDL标准的进一步发展具有重要的理论和现实意义。