计算机系统设计——基于FPGA的RISC微处理器设计与实现【共38课时】

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学完本课程，您将掌握：

计算机系统能力和系统思维的培养

适合人群：

计算机专业学生或相关从业人员

课程目标：

完成对学生计算机系统能力和系统思维的培养。

课程简介：

本课程以基于MIPS 32位指令集的微处理器MiniMIPS32为设计目标，讲授主流RISC流水线微处理器的设计与实现的方法、步骤与技巧。整个课程将讲解处理器微架构设计，数据通路的设计与实现，流水线设计与优化，软件环境与测试环境的搭建以及基于Digilent FPGA开发板的板级设计等几方面内容，知识点覆盖之前的数字逻辑设计，计算机组成原理，计算机体系结构三门课程，实现对着三门课程的贯穿式教学，完成对学生计算机系统能力和系统思维的培养。

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课程大纲-计算机系统设计——基于FPGA的RISC微处理器设计与实现

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第1章计算机系统设计绪论

1小时11分钟3节
1-1

计算机系统概述本知识点首先给出计算机系统层次结构；然后介绍计算机硬件系统，即冯诺依曼计算机，并对处理器、存储器和外设三个模块展开讨论；最后，对软件系统进行简要介绍。

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1-2

计算机系统的评价指标本知识点将从性能、成本、功耗三个指标出发，讲述如何对一个计算机系统设计的优劣进行综合的评估，并给出各个指标的计算方法和公式

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1-3

目标处理器MiniMIPS32和原型系统MiniMI 本知识点将对本课程中所设计的MiniMIPS32处理器和基于该处理器的原型系统MiniMIPS32_MicroSyS的特点、组成、整体结构进行概述，并明确后续的设计目标。

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第2章 MiniMIPS32微处理器的指令集体系结构

2小时59分钟8节
2-1

指令集体系结构概述本知识点首先讨论指令集体系结构的概念和所包含的内容，并给出其与微结构的区别；然后着重讨论RISC和CISC两个指令集体系结构的特点；最后，对当前著名的5中指令集分别进行了介绍。

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2-2

寄存器概述本知识点对于MiniMIPS32处理器的指令集体系结构中所包含的寄存器结构进行了概述，设计通用寄存器、特殊寄存器和CP0寄存器。

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2-3

存储空间的编址方式本知识点重点讨论了MiniMIPS32指令集体系结构中的存储空间编址方式，主要涉及两种字节序的区别与地址对齐。

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2-4

指令格式本知识点重点讨论了MiniMIPS32指令集体系结构中的3种指令格式（即R-型指令、I-型指令和J-型指令）的特点和指令字中各个字段的含义

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2-5

指令集（上）本知识点重点讲述了MiniMIPS32处理器的指令集中各种指令的编码及具体功能，这些指令包括：运算指令、访存指令、转移指令、协处理器指令和异常相关指令。

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[40:42] 开始学习
2-6

指令集（下）本知识点重点讲述了MiniMIPS32处理器的指令集中各种指令的编码及具体功能，这些指令包括：运算指令、访存指令、转移指令、协处理器指令和异常相关指令。

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2-7

指令的寻址方式本知识点将分操作数寻址和指令寻址分别讨论了MiniMIPS32指令集体系结构中常见的寻址方式，包括基址寻址、PC相对寻址、伪直接寻址等

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2-8

操作模式和异常处理本知识点首先讨论MiniMIPS32指令集体系结构中保护模式；然后，给出了MiniMIPS32指令集体系结构中的异常处理流程。

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第3章 MiniMIPS32程序的机器级表示

2小时53分钟7节
3-1

从C程序到可执行目标文件本知识点给出了交叉编译的概念，并重点讨论了从C程序到可执行目标文件的具体步骤，最后，列举了可重定位目标文件和可执行目标文件的区别。

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3-2

基于MiniMIPS32的汇编程序设计本知识点重点讲述如何采用汇编指令进行基于MiniMIPS2处理器的汇编程序设计，并给出了伪指令和宏指令的概念和具体实例。

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3-3

QtSpim指令集仿真器本知识点重点讨论了如何使用QtSpim指令集仿真工具对MIPS汇编程序进行功能仿真和调试，为后续软硬件协同验证奠定基础。

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3-4

C语言程序的机器级表示——选择结构本知识点针对C语言中常见条件分支语句，如if/else语句、swithc/case语句，给出了选择结构的机器级表示，并分析了选择结构机器级表示的特点。

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3-5

C语言程序的机器级表示——循环结构本知识点针对C语言中常见循环语句，如while语句、for语句，给出了循环结构的机器级表示，并分析了循环结构机器级表示的特点。

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3-6

C语言程序的机器级表示——函数调用本知识点针对C语言中常见函数调用过程，首先，讲述了针对MiniMIPS32处理器的参数传递和函数返回的特点；然后，给出了调用者保存寄存器和被调用者保存寄存器的区别；最后给出了调用栈和栈帧的概念。

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3-7

函数调用机器级表示——普通函数调用本知识点以一个普通的C语言函数调用作为实例，分析了其机器级表示及调用栈的变化情况。

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第4章现场可编程逻辑门阵列FPGA及其设计流程

1小时8分钟2节
4-1

FPPA的基本概念和设计流程本知识点首先以Xilinx FPGA为例，分析FPGA的内部结构；然后，讲述了本课程将使用的Digilent FPGA开发平台Nexys 4 DDR；最后，给出了基于FPGA的通用设计流程。

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4-2

基于Vivado的FPGA设计流程本知识点重点介绍面向Xilinx FPGA的最新集成设计环境Vivado，并通过一个求4位补码加/减法的实例讲解了基于Vivado的FPGA设计流程和注意事项。

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