隨著電子技術的發展，核心技術已經愈來愈集中在集成電路芯片和軟件之中，其中CPU和OS設計技術是最為核心的技術。特別是高性能計算機技術一直是衡量國家實力的一個重要標志。美國的高校本科計算機專業中都無一不是安排了CPU硬件設計方面的課程和實驗內容。例如麻省理工學院的一門相關課程就是《計算機系統設計》。學生在實驗課中，須自主完成ALU、單指令周期CPU（single cycle CPU）、多指令周期CPU，乃至實現流水線32位MIPS CPU和Cache的設計；Stanford大學計算機系的本科生也有相似的課程和實驗，即《計算機組成與設計》課。實驗要求學生以各自獨立的形式，用硬件描述語言自主實現CPU、VGA顯示控制模塊等接口，最后實現于FPGA中，并完成軟硬件調試。此外，如University of California和Berkeley和Brigham Young University等學校在基于FPGA的超級計算機研制方面也有大量成果。

然而我國高校計算機專業對等課程的教學情況總體而言不容樂觀。盡管也通常包含了《計算機組成原理》的課程，但調研表明，多數學校僅將此課程定位在計算機模型認知的層面上；而在實驗與實踐方面，此課程的實驗則主要是完成由分離元件構成的簡單模型CPU的驗證性實驗，根本談不上與實際工程相聯系的設計，更沒有國外高校類同的自主創新型CPU設計任務，以及與現代計算機系統硬件設計工程相吻合的教學與實踐內容。這導致了國內大多數計算機專業人才知識結構一直存在的“偏軟怕硬”的缺陷。

針對這一情況，科學出版社就于2007年就推出了《現代計算機組成原理》一書，潘松等教授編著。該教材后被評為國家級精品教材（上圖。在當年國內高校所有專業教材中，評選出的218種教材中，該書是唯一涉及計算機組成原理的教材）�！冬F代計算機組成原理》第二版（上圖。2013年）提供了基于現代計算機設計技術的關于CPU和計算機系統硬件設計理論和設計技術方面較完整和豐富的內容。其中有基于單片FPGA硬件平臺的微程序控制模式的8位CISC模型計算機原理和設計技術；16位實用CISC CPU的基本原理、設計技術和創新實踐指導；基于流水線技術的RISC CPU設計技術；基于32位OpenRISC1200處理器系統的SOC構建和應用設計以及基于經典處理器的8051CPU核與8088/8086 CPU核構建SOC(System Of a Chip)系統的基本理論和設計技術。對應每一章，還提供了有針對性的實驗與實踐項目，甚至包括激發學習者創新意識和培養創新能力的CPU創新設計競賽項目。

近些年中，認可并實踐此教材基本教學理念和教學實驗內容的高校不斷增加，其中許多高校的計算機專業選擇此書作為教材或選擇教材中提到的FPGA實驗系統來完成對應的硬件實驗；這些學校有西安交大、西北大學、中國人民大學、吉首大學、哈工大、北航、中國民航大學和南郵、大連理工等三十余所高校。最難得的是，最早加入這一教改行列的學校竟然是一所外語學校，即廣州外語學院。該校有關老師對于外語專業學生兼修計算機軟件技術和基于FPGA的計算機硬件設計技術在拓寬就業口徑，提高就業率方面所表現出的優勢有很高的評價。

利用QuartusII軟件的強大功能:

利用QuartusII的In-System Sources and Probes實時測試載入FPGA中的8位模型機執行指令的波形其中的M、uA、RAM、BUS、WE分別是微指令、微地址、存儲器、總線數據、RAM寫允許等信號

利用嵌入式邏輯分析儀對載入FPGA中的16位CPU的運行情況進行實時測試的波形和數據

對于加法指令和存數指令在16位CPU中的執行情況的仿真波形片段

型號：KX-CPD4（具體參數可咨詢客服）

第一部分：核心板

1、CycloneIV型FPGA EP4CE10 。

2、4M FPGA專用配置存儲器EPCS16。

2、揚聲器。

3、2組20MHz有源晶體振蕩器。用于驅動FPGA中的4個鎖相環。

4、VGA接口及其適配電路。

5、PS/2 鼠標/鍵盤接口。

6、點陣和字符液晶接口。

7、3.3V、2.5V、1.2V。

8、兩組共80芯擴展接口。

第二部分：主系統

1、KX_USB-Blaster2型雙功能編程器：(1)USB-Blaster編程下載功能(支持AS、PS、JTAG模式):1、對FPGA/CPLD進行配置或編程；2、對配置器件EPCSx編程；3、訪問和編輯FPGA內部RAM；4、調試Nios2，完成SOPC設計；5、支持SignalTapII 嵌入式邏輯分析儀。

(2)USB到UART串行通信轉換：1、通過USB與FPGA串行通信，實現PC與FPGA的串行通信，且無需RS232電平轉換；2、通過USB與單片機的串行通信，實現PC與通用單片機的UART串行通信；3、通過USB對STC等系列單片機進行直接編程開發，無需電平轉換。

2、多功能重配置型高效率實驗控制電路。主系統板上含有Multi-task Reconfiguration（多功能重配置結構）控制電路。該電路結構能僅通過一個鍵的控制，實現純電子方式切換，選擇十余種面向不同實驗需要的針對FPGA目標芯片的硬件電路連接結構。

3、FPGA中運行多種經典實用處理器IP核。系統允許在核心板的大規模FPGA中運行多種經典實用軟硬處理器IP核，包括：（1）基于微指令的8位模型處理器、（2）基于狀態機指令控制結構的16位實用處理器、（3）基于精簡指令流水線結構的16位處理器（4）8051軟核處理器(基于商業級全兼容MCS-51單片機IP核。利用此核，實驗者可以實現傳統單片機實驗系統無法達到的SOC(片上系統)設計。即將單片CPU、RAM、ROM以及其它各類接口電路模塊設計在同一片FPGA中、（5）32位軟核NiosII Gen2嵌入式系統處理器。

4、5功能智能邏輯筆：可顯示高電平、低電平、中電平、高阻態、脈沖信號。注意有“高阻態”測試功能。

5、獨立的標準時鐘頻率20個。20M~0.5HZ，從低到高20組時鐘可供選擇（對于初學者多頻可選很重要）。

6、電源有自動保護的+5V，+12V、-12V、、+3.3V、2.5V+、1.2V。

7、8個LED放光二級管，8個撥碼開關，揚聲器。

8、DDS信號輸出口及幅度、偏移調諧。

9、6個標準可擴展IO十芯座，1個十四芯座；4組可擴展模塊座，1個可擴展DDS模塊座、一個可擴展7寸彩屏液晶座；

10、CPLD3032

11、含掃描的智能譯碼電路模塊，12個按鍵、其中按鍵可切換成脈沖式、高低電平式、輸出4位二進制式電路模式，8數碼可切換成直通非譯

碼動態掃描式、智能BCD譯碼、16進制譯碼；16個發光二極管；

第三部分：擴展模塊

模塊1：4X4+8個單脈沖綜合鍵盤模塊

模塊2：字符型液晶顯示屏