MIPSfpga 2.0:CPU架構教學的全面性革新教材

以 DIGILENT Nexys 4 DDR 學習最接近商用架構的 CPU 設計

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什麼是MIPSfpga 2.0

MIPSfpga 2.0 是 MIPS 為了教學開發使用之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。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 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、軟硬體協同設計等。透過課程,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)是一個擴充的單元,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訊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 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、MIPSfpga核心細節參考、指令集結構(ISA)、系統指南,以及使用者定義的指令(UDI) 等資訊。 

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,提供如何使用 Nexys4 DDR 在 MIPSfpga 上運行 Buildroot Linux。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 於Linux系統裡運作時UART、乙太網路、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 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。

使用者只需要使用 Xilinx Vivado 軟體把 MIPSfpga 系統下載到 Nexys4 DDR 上,便可依照說明步驟運行 MIPSfpga系統。

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豐富的影片教學資源

 

DIGILENT 邀請拉斯維加斯內華達大學 (UNLV) 電機與電腦工程學系副教授,同時也是MIPSfpga 2.0 教學基礎架構的共同作者 Sarah Harris 博士拍攝了一系列 MIPSfpga 的影片,提供使用者作為教學與研究參考:

Module 1: Overview

Module 2: Installation

Module 3: Quick Start

Module 4: Creating a MIPSfpga Vivado Project

Module 5: Programming

Module 6: Labs Overview

Module 7: I/O: Buzzer

Module 8: I/O: Light Sensor

Module 9: Interrupts

Module 10: Performance Counters

Module 11: MicroAptiv Pipeline

Module 12: CorExtend

Module 13: Caches

Module 14: Other FPGA Targets

教學參考用書

  • 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)  

MIPSfpga 2.0 執行軟硬體需求與文件申請

軟體需求 SOFTWARE

  • Codescape MIPS 軟體發展工具(SDK)套裝程式 (含在安裝啟用組件內)
  • Xilinx Vivado 網頁元件版本 (免費軟體)
  • Open OCD (已包括在Getting Started Package 裡面)
  • Mentor Graphics ModelSim (學生版或者完整版) 或 Xilinx Xsim

Datasheet 與 教學資料下載

 

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