导语

  

内容提要

  

    “计算机系统设计”系列教材是在新工科建设的背景下，面向“自主可控”国家信息化发展战略，围绕系统能力培养的目标而编写的。魏继增、郭炜编著的《计算机系统设计(上基于FPGA的RISC处理器设计与实现普通高等教育十三五规划教材)/开源口袋实验室系列》为该系列教材的上册，以设计基于MIPS 32位指令集的处理器MiniMIPS32为主线，讲授主流刚SC处理器设计与实现的方法、步骤与技巧。
    全书共8章，主要包括绪论、MiniMIPS32处理器的指令集体系结构、MiniMIPS32程序的机器级表示、现场可编程逻辑门阵列（FPGA）及其设计流程、MiniMIPS32处理器的基本流水线设计与实现、MiniMIPS32处理器的流水线相关问题和暂停机制、MiniMIPS32处理器异常处理的设计与实现、综合测试等内容。本书尤为重视实践过程，对处理器设计和实现过程中的每个环节进行详细讲解，力争使每位读者都可独立完成处理器的设计。本书基于Verilog HDL，以Xilinx Vivado 2017.3为开发环境，所有代码都通过Nexys4 DDR FPGA开发平台的硬件测试。
    本书可作为高等院校计算机、微电子等专业高年级本科生及研究生的教材或教学参考书，也可作为计算机系统综合课程设计、数字系统课程设计的实验指导用书或计算机系统工程师的技术参考书。

第1章  绪论
  1.1  计算机系统概述
    1.1.1  计算机系统的层次结构
    1.1.2  计算机硬件系统的组成
    1.1.3  计算机软件系统的组成
  1.2  计算机系统的评价指标
  1.3  处理器概述
    1.3.1  指令集体系结构和微体系结构
    1.3.2  CISC和RISC
    1.3.3  指令集体系结构中的“五朵金花”
    1.3.4  MIPS指令集体系结构的发展
  1.4  本书的主要内容
    1.4.1  目标处理器MiniMIPS32
    1.4.2  原型系统MiniMIPS32_SYS
第2章  MiniMIPS32处理器的指令集体系结构
  2.1  操作数的数据类型
  2.2  寄存器概述
  2.3  MiniMIPS32存储空间的编址方式
  2.4  指令系统
    2.4.1  MiniMIPS32的指令格式
    2.4.2  MiniMIPS32指令集和具体操作
  2.5  MiniMIPS32指令的寻址方式
  2.6  MiniMIPS32的操作模式
  2.7  协处理器CP0
  2.8  异常处理
第3章  MiniMIPS32程序的机器级表示
  3.1  从C程序到可执行目标程序
  3.2  基于MiniMIPS32的汇编程序设计
    3.2.1  汇编程序结构
    3.2.2  汇编程序伪指令
    3.2.3  汇编程序宏指令
    3.2.4  MIPS指令集仿真器QtSpim
  3.3  C语言程序的机器级表示
    3.3.1  选择结构
    3.3.2  循环结构
    3.3.3  函数调用
    3.3.4  数组
第4章  现场可编程逻辑门阵列FPGA及其设计流程
  4.1  FPGA概述
    4.1.1  Xilinx FPGA的基本结构
    4.1.2  Digilent Nexys4 DDR FPGA开发平台
  4.2  FPGA的设计流程
  4.3  Xilinx Vivado集成设计环境
    4.3.1  Vivado集成设计环境介绍
    4.3.2  基于Vivado的FPGA设计流程
第5章  MiniMIPS32处理器的基本流水线设计与实现
  5.1  流水线的基本概念
    5.1.1  什么是流水线
    5.1.2  指令流水线
    5.1.3  指令流水线的评价指标
    5.1.4  指令流水线的特点
  5.2  MiniMIPS32处理器的整体结构和设计方法
    5.2.1  MiniMIPS32处理器的整体结构
    5.2.2  MiniMIPS32处理器的设计方法
  5.3  MiniMIPS32处理器的基本流水线设计
    5.3.1  非转移类R-型指令的流水线数据通路的设计
    5.3.2  非转移类I-型指令的流水线数据通路的设计
    5.3.3  控制单元的设计
  5.4  基于Verilog HDL的实现与测试
    5.4.1  MiniMIPS32处理器的基本流水线的Verilog实现
    5.4.2  MiniMIPS32_SYS原型系统的Verilog实现
    5.4.3  功能测试
第6章  MiniMIPS32处理器的流水线相关问题和暂停机制
  6.1  流水线的数据相关和消除方法
    6.1.1  数据相关的概念
    6.1.2  数据相关的消除办法
    6.1.3  支持定向前推的MiniMIPS处理器的设计
    6.1.4  基于Verilog HDL的实现与测试
  6.2  流水线的控制相关和消除办法
    6.2.1  控制相关的概念
    6.2.2  控制相关的消除办法
    6.2.3  转移指令流水线数据通路的设计
    6.2.4  转移指令流水线控制单元的设计
    6.2.5  基于Verilog HDL的实现与测试
  6.3  流水线的暂停机制
    6.3.1  引起流水线暂停的原因
    6.3.2  多周期除法指令的设计
    6.3.3  支持暂停机制的流水线的设计
    6.3.4  基于Verilog HDL的实现与测试
第7章  MiniMIPS32处理器异常处理的设计与实现
  7.1  CP0协处理器
    7.1.1  概述
    7.1.2  协处理器CP0中的寄存器
    7.1.3  协处理器CP0指令及数据相关
  7.2  异常的基本概念
    7.2.1  异常和中断
    7.2.2  异常处理的流程
  7.3  MiniMIPS32处理器的异常处理
    7.3.1  精确异常
    7.3.2  支持的异常类型
    7.3.3  MiniMIPS32处理器的异常处理流程
    7.3.4  支持异常处理的MiniMIPS处理器流水线的设计
  7.4  基于Verilog HDL的实现与测试
    7.4.1  支持异常处理的MiniMIPS处理器流水线的Verilog HDL实现
    7.4.2  功能测试
第8章  综合测试
  8.1  改进的MiniMIPS32_SYS原型系统
    8.1.1  原型系统的架构
    8.1.2  原型系统的实现
  8.2  测试方法概述
  8.3  功能点测试
  8.4  C程测试
附录A  MiniMIPS32处理器交叉编译环境的搭建
  A.1  虚拟机Virtual Box的安装
  A.2  Ubuntu Linux操作系统的安装
  A.3  MiniMIPS32交叉编译环境的安装与配置
附录B  指令存储器和数据存储器的设计
  B.1  指令存储器的设计
  B.2  数据存储器的设计
参考文献