MIPSfpga 2.0:CPU架構教學的全面性革新教材

什麼是MIPSfpga 2.0

MIPSfpga 2.0 是 MIPS 為了教學開發的一個帶有cache和記憶體管理單元的MIPS32 microAptiv微處理器,包含能模擬和下載至FPGA的 Verilog 原始碼。

MIPSfpga 2.0  是一個真正對外清楚公開作為學術用途且可免費獲取的“商業” RTL 架構 ,整合系統架構和計算機組織教學上的需求,也可用於相關課程主題的教學應用,包括計算機體系結構,SoC 設計、軟硬體協同設計。學生可深入了解商業處理器核心內部的運作,可修改核心本身並探索和修改系統、進入核心並自行查找,並可測試不同的策略,真正實踐 SoC 設計。於2015年首度推出後,迄今已獲得超過全球600多所大專院校所採用。

 

MIPSfpga 2.0 適用課程範圍

  • 數位設計和微架構
  • 電腦架構, 高級電腦架構
  • 系統晶片(SoC)設計
  • 設計驗證
  • 嵌入式系統專案
  • 處理器架構: 修改、提高、優化

 

MIPS核心與系統

MIPSfpga核心是microAptiv微處理器一個版本。microAptiv處理器已經被廣泛應用在工業、辦公室自動化、自動駕駛、消費性電子產品和無線通訊等商業領域。MIPSfpga核用硬體描述語言(HDL)Verilog實現。因為MIPSfpga是使用軟體(Verilog)描述而不是在電腦晶片上製造出來的,所以也稱為軟核心處理器。 

MIPSfpga core

 MIPSfpga 核心

 

 

MIPSfpga處理器的核心部分是執行單元(Execution Unit)。它根據指令來執行各種操作,比如說加法操作或減法操作。乘除法單元(MDU,multiply/divide unit)是一個擴展的單元,用來執行乘法操作或除法操作。指令解碼器(Instruction Decoder)從指令緩存中獲取指令然後產生控制信號讓執行單元執行相應的操作。系統輔助處理器(System Co-Processor)單元主要是提供系統介面訊號,比如說系統時鐘和重定。GPR單元中存的是可以做為指令運算元使用的通用寄存器。

 

MIPSfpga教材內容的構成

MIPSfpga 教學材料由三個部分組成:

  • MIPSfpga Getting Started Package

包括了一個以 MIPSfpga 核心簡介而開始的“Getting Started Guide”,資料夾裡已包含了 MIPSfpga 核心,並提供安裝一個可用之模擬核心,或如何將MIPSfpga放到 FPGA 內之綜合概述。

除此之外,Getting Started Package亦包含提供給處理器的相關程式、軟體安裝說明、MIPSfpga核心的細節參考說明、指令集結構(ISA – Instruction Set Architecture)、系統指南,以及如何使用使用者定義的指令(UDI –User Defined Instructions) 參考。

所有的使用者首先都需要以英文版的Getting Started Package為基礎,因其包含 RTL,參考指南、OpenOCD 、Codescape Essentials 安裝器與一些相關的部分,其他語言版本的“Getting Started Guide” 都只是翻譯“Getting Started Package” 參考指南的相關翻譯檔,不含程式碼等執行所需之內容。

  • MIPSfpga Fundamentals

提供投影片與實驗室講義,內容涵括如何使用Nexys 4 DDR、如何建構核心,到如何使用 C 語言和組合語言進行程式設計。共有 9 個基礎實驗練習,當練習完成後可繼續添加週邊設備到MIPSfpga核心中,以實現更大層面的交互作用。

講義的最後一個範例將示範如何移植 MIPSfpga 到其他的 FPGA 板上,比如 Basys 3。

  • MIPSfpga SoC

為MIPSfpga的進階教材料檔,將提供如何使用 Nexys4 DDR 在 MIPSfpga 上運行 Buildroot Linux。MicroAptiv 核心被包裝成一個可以在 Vivado IP Integrator 工具上用的 IP 模組。Xilinx AXI 的IP模組能輕鬆結合至MIPS 核心,創造出一個系統晶片(SoC) 的樣本。除此之外,此檔案也提供 MIPSfpga 中運行於 Linux 上UART、乙太網、GPIO等介面的驅動程式,並包括大量的參考內容。本教材可提供給研究生、博士生課程使用,並為作為系統晶片課程的基礎。

 

使用Digilent Nexys 4 DDR 運行 MIPSfpga 

Digilent 為MIPS的教育合作夥伴,其旗下FPGA硬體平台 Nexys 4 DDR:Artix-7 FPGA進階級智慧開發板  (產品編號410-292),是MIPSfpga 2.0 計畫指定使用的硬體平台。除了Nexys 4 DDR之外,亦可使用 Digilent Basys3 或 Zed board 作為其他輸出的電路板。

 

20171118 Digilent Nexys4DDR 02

Nexys 4 DDR:Artix-7 FPGA進階級智慧開發板 

 

用戶只需要使用 Vivado 軟體把 MIPSfpga 系統下載到 Nexys4 DDR 板卡的 Xilinx Artix-7 FPGA 上,便可依照說明步驟在 Nexys 4 DDR 板卡上下載並運行 MIPSfpga系統:

  1. 連接並打開 Nexys4 DDR 板卡的電源
  2. 打開 Vivado
  3. 把 MIPSfpga 軟核心下載到 Nexys4 DDR 板卡上
  4. 運行 MIPSfpga 核心

20180712 Digilent MIPSfpga Nexys4 DDR board

 

 

MIPSfpga有相對應的頂層封裝模組來產生實體MIPSfpga系統並將它連接到板卡上的撥碼開關、LED燈和重定按鈕。頂層封裝模組也使用FPGA的片上鎖相環(PLL)來從板卡上的時鐘產生系統時鐘。MIPSfpga包含了對應 Nexys4 DDR板卡的頂層模組,用戶可參考此頂層模組來編寫不同的FPGA板卡的頂層模組。每個板卡都需要一個約束檔來指定時序約束並將頂層模組的I/O訊號跟目標FPGA的pin連接起來。MIPSfpga系統已綜合且預下載了一個與 IncrementLEDs 程式相似的程式。這個程式稱為IncrementLEDsDelay,它在IncrementLEDs程式的基礎上添加了延時迴圈,如此便可輕易辨識LED燈顯示內容。

 

MIPSfpga介面

MIPSfpga系統有3個主要的介面:AHB-Lite匯流排、FPGA板卡I/O、EJTAG介面。 MIPSfpga核心透過 AHB-Lite 匯流排連接記憶體和週邊設備。FPGA板卡I/O介面允許MIPSfpga核心連接FPGA板上的撥碼開關和LED燈。EJTAG介面則用於下載程式到MIPSfpga核心上並進行即時除錯。MIPSfpga 在 Nexys 4 DDR板卡上透過衍生100MHz的頻率運行在50 MHz頻率上。

 

MIPSfpga 2.0執行之軟硬體需求 

 

了解更多 MIPSfpga 2.0


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20180709 MIPSfpga V4

 

 

  • [參考書]
    • 數位設計與計算機結構 Digital Design and Computer Architecture (作者 David Harris /Sarah Harris)
    • 電腦組織和設計 Computer Organization and Design MIPS Edition: The Hardware/Software Interface (作者 David A. Patterson / John L. Hennessy)  
     
     

       

     

如何將MIPSfpga 2.0加入您的教學內容 

  • 依據MIPS所提供之授權文件,MIPSfpga計畫僅供非營利教學使用。
  • 任何需要教學資源的單位都需要先向 MIPS 教學資源中心申請下載 (須註冊會員並提供您的研究需求),三部分均需在不同頁面獨立申請:
 
 
以上針對硬體部分相關需求,歡迎與我們聯繫~

 

 註:以上所列產品資訊若有差異,以原廠網站資訊為主。

      

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