计算机组成原理与接口技术--基于MIPS架构实验教程（第2版高等学校电子信息类专业系列教

作者简介

左冬红 博士，华中科技大学湖北省智能互联网技术重点实验室现代网络通信技术研究室教师。主要研究领域为无线网络技术、流媒体分发技术、嵌入式家庭媒体网关设备等。历年承担“微机原理与接口技术”、“数字电子技术”等课程的教学工作，多次承担华中科技大学“微机原理与接口技术”课程相关的教学改革研究项目，并于2013年承担了湖北省教学改革研究项目——“微处理器与接口技术课程建设”。发表与微机原理及接口技术相关的教学改革研究论文多篇。

内容简介

5．1FPGA设计流程简介 FPGA设计流程包括设计输入、功能仿真、综合、综合后仿真、实现、布线后仿真与验证以及下载编程调试等主要步骤。 1. 设计输入 设计输入是工程师根据设计方法将所设计的功能描述给EDA软件。常用的设计输入方法有硬件描述语言(HDL)和电路原理图。目前进行大型工程设计时，最常用的设计方法是HDL设计输入法。其中影响最为广泛的HDL语言是VHDL和Verilog HDL。它们的共同特点是利于由顶向下设计，利于模块的划分与复用，可移植性好，通用性好，设计不因芯片的工艺与结构的变化而变化。 2. 功能仿真 设计完成后，要用专用的仿真工具对设计进行功能仿真，验证电路功能是否符合设计要求。功能仿真有时也称为前仿真或行为仿真。 3. 综合 综合(synthesize)是指将HDL语言、电路原理图等设计输入翻译成由与门、或门、非门、RAM、触发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接(网表)，并根据目标与要求(约束条件)优化所生成的逻辑连接，供FPGA厂家的布局布线器进行实现。 4. 实现 综合结果与芯片实际的配置情况有较大差距。此时使用FPGA厂商提供的工具软件，根据所选芯片的型号，将综合输出的逻辑网表适配到具体FPGA器件上，这个过程称为实现(implementation)。 5. 时序验证 布局布线之后应该做时序验证。时序验证既包含门延时，又包含线延时信息。这种延时信息最为全面、准确，能较好地反映芯片的实际工作情况。 6. 调试与下载编程 设计开发的最后步骤就是在线调试或者将生成的配置文件写入芯片中进行测试。 5．2EDA工具Vivado简介 Xilinx公司的Vivado软件是开发Xilinx公司FPGA的集成开发软件，它能够给用户提供一个从设计输入到综合、布线、仿真、下载、测试的全套解决方案，无须借助任何第三方EDA软件。 Vivado开发流程如图51所示，主要分为三个阶段： 系统设计输入； 实现； 硬件编程和验证。各个阶段又有不同的步骤和方法。系统设计输入不仅支持传统的寄存器传输级RTL(register transfer level)开发，同时还支持系统级设计集成流程，通过IP集成器支持Xilinx以及第三方IP核、高层次综合C/C++语言以及系统生成器(system generator)DSP(数字信号处理)设计等输入，同时也集成了嵌入式系统软件开发工具SDK，支持用户基于嵌入式硬件平台设计操作系统和应用软件。 图51Vivado开发流程 Vivado主界面如图52所示，包含菜单栏、快捷键栏、工作流窗口、工程源文件窗口、属性窗口、工作区窗口以及控制台窗口等。 图52Vivado主界面 本书以Vivado开发工具为平台，利用该工具完成MIPS微处理器原型计算机系统设计实验以及基于MicroBlaze微处理器嵌入式计算机系统软硬件设计实验。Vivado工具的使用方法以及使用技巧，本书结合具体实验阐述，不再单独介绍。若读者希望了解本书涉及内容之外的Vivado高级功能，请参考Vivado工具使用介绍相关书籍。 "配套资源如下： ？ 配套理论教材为《计算机组成原理与接口技术——基于MIPS架构》（清华大学出版社）。 ？ 配套实验源代码及教学课件（PPT），下载地址为清华大学出版社网站本书页面。 本书特色如下： ？ 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Standalone BSP，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Xilinx Artix7系列FPGA实验板Nexys4 DDR以及Vivado开发套件。 "