计算机核心课程群综合教学平台的硬件设计与实现

发布时间：2017-08-05 03:13

  本文关键词：计算机核心课程群综合教学平台的硬件设计与实现

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【摘要】：计算机专业本科教学目标就是要培养计算机专业的高素质人才。计算机专业的高素质人才必须具有计算机系统的整体观,对计算机系统有深入的认识,并掌握计算机系统的软件和硬件设计技术。在目前的教学模式下,各门课程的实验教学自成一体,不同课程在实验平台和实验内容上都缺乏交互性,这使学生们在学习过程中,能够对单门课程的内容能有较好的理解,但对整个知识架构缺乏系统性认识,更缺乏将多门课程的知识融会贯通的能力。计算机专业核心课程群一体化教学模式的提出是具有创造性的一次尝试,教改的目标是：以构建一个完整的计算机系统为主线,贯通计算机组成原理、计算机系统结构、操作系统以及编译原理等四门核心课程以及数字电路课程的教学和实验环节,构建一个一体化教学实验平台,探索一种新的教学模式,培养计算机专业的学生建立软硬件一体化设计的系统观。 本文主要阐述了在上述计算机教学实验改革探索背景下的实验平台的硬件设计工作。文章首先分析了传统硬件设计的方法在教学应用中的局限性,研究了当前国内外计算机实验教学的教学现状以及发展趋势,总结了基于FPGA的“软”硬件的系统设计理念和方法,重点阐述了基于FPGA芯片的一体化综合教学实验平台的硬件设计思路与实现方法,并给出了详细的硬件设计方案。与此同时,对硬件设计过程中所涉及的FPGA设计方法、电源与信号完整性、EMC/EMI以及阻抗匹配等数字系统设计中十分常见,并且对系统性能至关重要问题进行了总结和探讨。最后,设计并实现了基于硬件描述语言的外围驱动模块,完成了综合教学实验平台的测试和验证。 本文针对实验需求给出了一套行之有效的实验平台设计方案,基于FPGA的实验教学平台设计能够显著地提高实验平台的灵活度,扩展实验平台可以实现的实验内容,增强多门课程实验之间的关联。因为FPGA芯片的可重复编程的特性,教学平台的软硬件功能都可以像软件的被编程,本实验平台具备了比现有的实验平台更强的实验适应性。总而言之,本论文的研究内容为FPGA在实际教学中的使用提供一些新的参考方案和研究思路。
【关键词】：计算机核心课程群 一体化实验平台 FPGA 电源与信号完整性 硬件描述语言
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP303
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第1章 绪论9-14
• 1.1 选题背景及意义9-10
• 1.2 国内外研究动态10-12
• 1.2.1 国外研究现状10-11
• 1.2.2 国内研究现状11
• 1.2.3 “软”硬件设计理念在计算机实验教学中的前景11-12
• 1.3 本文主要内容和结构安排12-14
• 第2章 基于FPGA的“软”硬件设计方法14-21
• 2.1 FPGA技术与硬件描述语言14-15
• 2.2 “软”硬件系统设计15-17
• 2.3 软硬件任务的划分17-18
• 2.4 核心课程群课程的定位与软硬件划分18-20
• 2.4.1 各门课程在计算机教学中的定位18-19
• 2.4.2 课程实验的设计方案19-20
• 2.5 本章小结20-21
• 第3章 一体化教学实验平台硬件方案设计21-41
• 3.1 综合实验平台系统方案设计21
• 3.2 核心控制板的原理图设计21-33
• 3.2.1 FPGA芯片的选择22-24
• 3.2.2 FPGA的配置选择电路24-25
• 3.2.3 USB-to-JTAG下载接口模块25-26
• 3.2.4 SPI Flash存储系统26-27
• 3.2.5 DDR2 SDRAM存储系统27-28
• 3.2.6 Flash存储器系统28-29
• 3.2.7 以太网接口电路29-30
• 3.2.8 核心控制板电源设计30-33
• 3.3 接口电路板的原理图设计33-40
• 3.3.1 板间接口设计34-35
• 3.3.2 串口电路设计35-36
• 3.3.3 USB-HID接口设计36-37
• 3.3.4 基于权电阻网络的VGA接口设计37-38
• 3.3.5 基于Atmega8的OLED显示模块设计38-39
• 3.3.6 8段数码管显示电路39-40
• 3.3.7 P/S2接口设计40
• 3.4 本章小结40-41
• 第4章 信号完整性与PCB设计41-53
• 4.1 信号完整性的概念及分析41-44
• 4.1.1 传输线的反射41-43
• 4.1.2 传输线的串扰43-44
• 4.1.3 电源完整性44
• 4.2 PCB布局设计44-48
• 4.2.1 核心控制板的布局45-46
• 4.2.2 电源芯片的外围电路布局46-47
• 4.2.3 接口电路板的布局47-48
• 4.3 电路板叠层设计与电源平面处理48-49
• 4.4 特殊走线及阻抗匹配设计49-52
• 4.4.1 蛇形走线设计49-51
• 4.4.2 阻抗匹配设计51-52
• 4.5 本章小结52-53
• 第5章 软硬件接口模块的设计53-61
• 5.1 软硬件接口模块功能简述53-54
• 5.2 典型模块设计与实现54-60
• 5.2.1 时钟发生模块的设计54-55
• 5.2.2 UART通信接口的设计与实现55-58
• 5.2.3 数据采集和显示模块的设计与实现58-60
• 5.3 本章小结60-61
• 第6章 结论与展望61-62
• 参考文献62-65
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果65-66
• 致谢66

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 唐思章 ,黄勇;SoPC与嵌入式系统软硬件协同设计[J];单片机与嵌入式系统应用;2005年12期

2 冼志妙;朱雪花;袭著科;;高速PCB的信号完整性分析及应用[J];桂林工学院学报;2006年02期

3 张晴晖;李俊，

本文编号：622923