计算机组成原理与接口技术

第一篇 MIPS汇编程序设计

第1章 MIPS汇编程序开发环境

1.1 QtSpim简介

1.2 菜单栏简介

1.2.1 File菜单

1.2.2 Simulator菜单

1.2.3 其他菜单

第2章 MIPS汇编程序

2.1 MIPS汇编程序结构

2.2 QtSpim系统功能调用

2.3 QtSpim伪指令

2.4 QtSpim常用宏汇编指令

第3章 QtSpim汇编、调试程序示例

3.1 QtSpim用户程序入口

3.2 QtSpim汇编查错

3.3 QtSpim查看程序内存映像

3.4 QtSpim调试查错

第4章 MIPS汇编程序示例

4.1 常用C语句汇编指令实现示例

4.1.1 if语句

4.1.2 while语句

4.1.3 for语句

4.1.4 switch语句

4.2 子程序设计示例

4.2.1 子程序结构

4.2.2 递归子程序设计

4.3 编程练习

第二篇 基于FPGA的计算机原型系统设计

第5章 FPGA开发工具Xilinx ISE

5.1 FPGA设计流程

5.2 ISE功能与应用

5.2.1 工程管理器

5.2.2 HDL 编辑器

5.2.3 IP 核生成工具

5.2.4 测试激励生成器

5.2.5 iSim仿真工具

5.3 基于ISE开发FPGA的完整过程示例

5.3.1 启动ISE

5.3.2 新建工程

5.3.3 代码输入

5.3.4 仿真

5.3.5 约束文件编写

5.3.6 综合

5.3.7 实现

5.3.8 编程文件产生

5.3.9 编程下载

第6章 单周期类MIPS微处理器设计

6.1 实验目的

6.2 实验环境

6.3 实验示例

6.4 示例设计原理

6.5 示例工程代码

6.5.1 新建工程

6.5.2 指令存储器ROM模块

6.5.3 数据存储器RAM模块

6.5.4 符号扩展模块

6.5.5 寄存器组模块

6.5.6 控制器模块

6.5.7 ALU控制译码

6.5.8 ALU模块

6.5.9 顶层模块

6.6 示例代码功能仿真

6.6.1 寄存器组仿真

6.6.2 控制器仿真

6.6.3 顶层仿真

6.7 实验任务

第7章 存储器映射I/O接口设计

7.1 实验目的

7.2 实验环境

7.3 实验示例

7.4 示例设计原理

7.4.1 存储器映像I/O寻址原理

7.4.2 I/O接口原理

7.5 示例工程代码

7.5.1 增加I/O接口模块

7.5.2 实例化I/O模块

7.5.3 修改DRAM模块的连线

7.5.4 修改IROM测试指令

7.5.5 修改控制器模块和ALU模块

7.6 功能仿真

7.6.1 I/O模块仿真

7.6.2 顶层仿真

7.7 综合、实现、生成bit流文件并下载检验

7.7.1 配置时序、引脚约束

7.7.2 综合、实现、生成bit流文件

7.7.3 安装开发板驱动

7.7.4 开发板编程

7.8 实验任务

第8章 简单VGA接口设计

8.1 实验目的

8.2 实验环境

8.3 实验示例

8.4 示例设计原理

8.5 示例工程代码

8.5.1 增加25MHz时钟产生模块

8.5.2 增加行列计数器模块

8.5.3 增加同步信号及地址产生器模块

8.5.4 增加显示存储器模块

8.5.5 合成VGA控制器

8.5.6 实例化VGA控制器

8.5.7 实例化显示存储器

8.5.8 实例化显示控制器时钟模块

8.5.9 修改指令

8.6 功能仿真

8.6.1 VGA模块仿真

8.6.2 整体功能仿真

8.7 综合、实现、产生bit流文件以及下载测试

8.7.1 修改引脚约束文件

8.7.2 综合并产生bit流文件以及下载测试

8.8 实验任务

第三篇 基于FPGA的嵌入式计算机系统设计

第9章 Xilinx嵌入式系统开发环境

9.1 Xilinx嵌入式硬件开发环境XPS

9.1.1 XPS 使用的特殊文件

9.1.2 XPS 的图形界面

9.1.3 XPS的菜单

9.1.4 ChipScope片内调试工具

9.2 Xilinx嵌入式软件开发环境

9.2.1 SDK软件库

9.2.2 SDK图形界面

9.2.3 ELF文件结构

9.2.4 lscript.ld文件结构

9.2.5 SDK菜单

9.2.6 编译和链接选项配置

9.2.7 SDK软件调试图形界面

第10章 基于MicroBlaze的Xilinx嵌入式系统平台

10.1 MicroBlaze软核微处理器

10.1.1 基本结构

10.1.2 中断系统

10.1.3 总线结构

10.2 Standalone操作系统

10.2.1 中断操作类函数

10.2.2 异常操作类函数

10.2.3 指令缓存操作类函数

10.2.4 数据缓存操作类函数

第11章 最小系统建立流程

11.1 建立工程

11.2 工程结构分析

11.3 使用SDK设计程序

11.4 使用SDK下载程序

11.5 使用SDK调试程序

第12章 C数据类型实验

12.1 实验目的

12.2 实验环境

12.3 实验要求

12.4 示例实验过程

12.4.1 修改helloworld程序

12.4.2 观察不同数据类型值

12.4.3 观察foo结构体的内存映像

12.5 实验任务

第13章 基于IP核的并行I/O接口实验

13.1 实验目的

13.2 实验环境

13.3 实验要求

13.4 相关IP核

13.4.1 AXI GPIO

13.4.2 AXI INTC

13.4.3 AXI Timer

13.5 示例实验过程

13.5.1 中断方式button按键以及switch输入

13.5.2 中断方式走马灯实验

13.5.3 7段数码管实验

13.5.4 矩阵键盘输入实验

13.6 实验任务

第14章 定制IP核I/O接口实验

14.1 实验目的

14.2 实验环境

14.3 实验要求

14.4 实验原理

14.5 示例实验过程

14.5.1 定制并添加AXI IP到系统

14.5.2 连接AXI外设

14.5.3 导入硬件设计到SDK工具

14.5.4 添加定制IP核软件驱动

14.5.5 使用SDK编写IP核的应用程序

14.6 实验任务

第15章 并行存储器接口设计

15.1 实验目的

15.2 实验环境

15.3 实验要求

15.4 实验基本原理

15.5 示例实验过程

15.6 实验任务

第16章 DMA技术实验

16.1 实验目的

16.2 实验环境

16.3 实验要求

16.4 实验原理

16.4.1 Xilinx XPS DMA控制器

16.4.2 standalone提供的DMA API函数

16.4.3 分级存储系统

16.5 示例实验过程

16.5.1 DMA实验

16.5.2 Cache实验

16.6 实验任务

第17章 串行接口实验

17.1 实验目的

17.2 实验环境

17.2.1 RS?232模块(DCE)

17.2.2 D/A模块

17.2.3 A/D模块

17.3 实验基本原理

17.3.1 uart?lite IP核

17.3.2 SPI IP核

17.4 示例实验过程

17.4.1 RS?232接口通信

17.4.2 SPI接口D/A转换

17.4.3 SPI接口A/D转换

17.5 实验任务

第18章 人机接口实验

18.1 实验目的

18.2 实验环境

18.2.1 VGA接口

18.2.2 PS2模块

18.2.3 图像数据转换工具

18.3 实验基本原理

18.3.1 TFT IP核

18.3.2 PS2 IP核

18.3.3 键盘工作原理

18.3.4 鼠标工作原理

18.4 示例实验过程

18.4.1 VGA接口实验

18.4.2 PS2键盘接口实验

18.4.3 PS2鼠标接口实验

18.5 实验任务

附录 COE文件制作过程示例

参考文献

本书是与《计算机原理与接口技术——基于MIPS微处理器》配合使用的实验指导书，书中以实验为主线，在简要阐述基本原理的基础上，详细地描述了各个实验的具体过程。全书分为三部分：MIPS汇编程序设计、基于FPGA的计算机原型系统设计和基于FPGA的嵌入式计算机系统设计。本书介绍了基于计算机平台的MIPS仿真器QTSpim，Xilinx ISE FPGA开发套件ISE、EDK、SDK等开发工具的使用，并通过大量具体的实验案例，帮助读者在掌握基本原理的基础上，动手实践计算机软硬件技术。此外，本书还在各类实验案例的基础上，设置了不同难易程度的实验任务，可以满足不同层次读者的学习需求。

《计算机组成原理与接口技术：基于MIPS架构实验教程/华中科技大学教学改革建设教材》特色：
·汇编语言程序设计采用MIPS虚拟机，方便读者在没有硬件平台的环境下进行MIPS汇编程序设计实践。
·原型计算机系统设计硬件设计采用Verilog硬件描述语言，软件设计采用汇编语言，强化软件与硬件之间的联系，加深对计算机组成原理的认识。
·嵌入式计算机系统设计基于MicroBlaze软核微处理器，采用模块化的IP软核为主要手段实现计算机系统硬件设计；基于StandaloneBSP，采用C语言为手段实现计算机系统软件设计。
·接口设计实例多样化不仅列举了各类常见的并行接口设计实例，还给出了各类常见于嵌入式系统的串行接口设计实例及人机接口设计实例。
·验证性实验与设计性实验相结合验证性实验帮助读者深刻理解计算机组成原理，设计性实验协助读者进行计算机组成的创新性设计和实践。
·最新的实验平台采用XilinxArtix7系列FPGA的Nexys4实验平台以及ISE14.3软件开发套件。