如何帮助学生实现认知上从理论到实践的飞越，是传统计算机体系结构教学面临的最大挑战。基于高密度现场可编程器件FPGA，构建可重构的计算机系统快速原型设计实验平台，能给学生创造一个学习构建真实计算机系统原型的机会，使学生获得设计一台“可用的”计算机系统的重要经历。 本文的研究工作采用软硬件协同设计的方法，设计和实现了一套以32位动态五级流水RISC处理器为核心的完整的计算机系统快速原型设计教学实验平台。我们把这个开源的处理器系统设计称为OpenCPU。 本文主要的研究内容和成果包括以下几个方面：(1)提出了OpenCPU的系统结构定义。OpenCPU处理器的指令系统与MIPS指令系统兼容。(2)设计了微体系结构，该结构采用了现代微处理器设计的主流技术，实现了动态调度流水线、寄存器重命名、分支预测、精确例外处理、存储管理部件(MMU)和片上Cache。(3)设计了周期精确的信号级C语言模拟器，详细描述了OpenCPU的逻辑结构。作为可执行的逻辑结构设计文档和软硬件协同开发的平台。(4)完成了可综合的RTL代码。RTL代码通过仿真，在FPGA上进行验证，完成了微处理器芯片前端设计的全部流程。(5)设计并实现了一套支持处理器运行的计算机系统快速原型实验平台，包括SDRAM Controller，编译器，操作系统，BootLoader等等。 该实验平台与传统的计算机系统实验平台相比，采用了当代先进的体系结构技术，如乱序执行、存储管理和分支预测，提供了更加完善和强大的实验功能，能够体现计算机系统从结构设计、逻辑设计，FPGA仿真到系统软件移植的全部设计流程。