0集中实践环节计划书【FPGA模型机课程设计】-图灵课堂

0集中实践环节计 [FPGA模型机课程设计]

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一、时间安排：
二、关键时间节点及要求
三、实验要求：
四、任务要求：
附录：

MIPS 基本整数指令集
MIPS 扩展整数指令集

最后

前言

2023-5-22 09:35:16

以下内容仅供学习、交流和使用[FPGA模型机课程设计]

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时间内容和工作安排 FPGA模型机课程设计为期两周，主要集中在模型计算机的设计上，包括模型机的基本架构、数据通路、运算器、指令存储器、数据存储器、通用寄存器、输入输出端口等硬件部件。MIPSS指令系统采用MIPS 实现了32位处理器指令子集。要求实现Loadad的基本要求-Store-在此基础上，ALU类型的20个指令可以扩展要实现的指令，包括乘除操作、条件转移、异常和中断、原子操作等指令，形成完整的模型机。在此基础上，可根据指令周期的不同阶段设计指令流水线，完成流水处理器的设计。所有设计指令都需要通过Modelsim模拟来验证模型机的设计功能是否符合要求。模拟通过后，用机器指令编写程序，实现简单的应用功能。有FPGA开发板的学生，通过Vivado综合工具，下载到FPGA开发板上，

一、时间安排：

“FPGA模型机课程设计”的时间安排取决于实际情况，主要内容和安排大致如下：

第一周一： FPGA模型计算机整体方案设计。教师将向学生讲解课程设计的主题和要求。学生自行分组，每组成员不得超过4人。由于设备数量，建议每组成员3~4人。学生小组认真研究“FPGA模型设计”课程网站的主题要求和教学资源，查阅相关信息，确定MIPS指令集的设计范围，完成模型机的整体方案设计，建立设计所需的软硬件环境，开始设计和开发工作。
第一周周二：模型计算机的各种功能电路设计。根据总体方案，学生使用VerilogHDL语言进行计算器设计、存储设计、输入输出端口设计、总线接口设计等。也就是说，需要完成20个MIPS整数指令，基本上可以在Modelsim上进行功能模拟，需要正确测试操作、转移和访问存储功能。
第一周三：模型机指令系统设计。学生根据模型机的数据通路图选择扩展的指令格式和指令功能。扩展指令系统的选择可参考MIPS 32位处理器指令集选择MIPS12个整数指令。需要绘制指令格式和指令功能，绘制处理器内部的结构图，包括时间序列信号和控制信号，并采用单周期方案。
第一周四：选择MIPS与中断异常相关的6个指令，并继续实现完整模型机的指令。学生将模拟和验证Modelsim中通过的模型程序，并编写具体的测试指令，可以通过简单的中断异常机器指令来测试中断异常等功能。
第一周五：模型机整体联调。实现模型机指令系统。学生根据设计的指令系统实现方案，在Modelsim上模拟功能。所有设计的机器指令都需要模拟正确，包括：数据流通、时间节拍、寄存器读写、输入输出端口访问、接口控制信号等。所有指令功能测试正确。教师对学生进行中期检查，主要观察指令操作结果，包括数据寄存器输入是否正确，转移指令是否正确设置电脑，中断异常指令功能，即编写具体的测试指令，可以通过简单的中断异常机器指令测试中断异常等功能。
第二周一：设计指令装配线，根据指令周期的不同阶段进行划分，以实现指令的基本装配处理功能。注意解决与数据相关的冲突。编写机器指令程序，逐一测试指令，可使用原始测试程序，但在测试结果时应注意功能和时间顺序之间的相应关系。
第二周二：将中断异常引入装配线，实现对中断异常的准确控制。学生应首先编写异常中断测试程序，并在modelsim中仔细比较时间顺序和功能，以确保时间顺序和功能模拟正确。然后编写更复杂的系统测试程序，实现和模拟完整模型机的指令。
第二周三： FPGA上模型机的功能测试。能够用机器指令编写复杂功能的程序，测试模型机的各种功能。要求：用机器指令编写的程序应在Modelsim上模拟通过，以澄清实验结果。该测试程序由学生自行设计，并逐一验证设计结果和指令操作结果，以确保正确性。模型机可通过Vivado下载FPGA开发板进行验证。该测试程序由学生自行设计。测试指令的类型和数量越多，测试功能越多，性能提高越明显。
第二周四：改进和完善流水处理器，注意解决与数据相关的冲突，控制相关的冲突。编制机器指令程序，逐一检测各指令功能。老师检查学生的完成情况，每个学生组都要诚实地向老师展示自己的作品。，包括功能演示、设计方案讲解、设计步骤讲解、实验结果正确性分析等。教师应根据每个设计小组和每个学生的具体工作进行合理的评分。
第二周五，课程设计结束，优秀作品展示答辩通过验收后，学生组录制模型机演示视频(一般<3min)，优秀的设计师需要做答辩解释ppt。模型机演示视频应包括：设计的指令集、模型机架构、程序运行演示和操作结果描述；问题和解决方案；每个成员在设计和开发团队中的作用。录制的视频为mp4格式，要求屏幕视角大，图像清晰，声音响亮，演示操作过程清晰，操作结果是否正确。视频最好有字幕提示。学生组整理FPGA开发板和实验工具，返还硬件实验室。对模型机整体设计、各模块设计、测试代码说明等相关文件进行整理。学生在撰写FPGA模型机课程设计报告时，应注意个人分工和经验。

二、关键时间节点及要求

1.第一周一完成分组并向导师报告 2.第一周五完成模型机设计的所有模拟测试，包括20个基本指令和12个扩展指令，6个中断异常指令。三、二周三所有设计实现基本完成，包括流水设计处理器和FPGA开发板的下载、运行和验证。 4.第二周四学生组完成项目验收，现场操作演示，回答问题 5.第二周五课程设计结束，优秀作品展示答辩

三、实验要求：

基本模型机:(50%) 实现基本的20个MIPS整数指令，模型机在Modelsim上的时间和功能模拟正确。编写机器指令程序，实现一个接一个的指令功能测试和复杂的功能测试。应用程序由学生自己编写，主题无限。指令越多，功能测试就越好。
完整模型机:(30%) 实现所有扩展指令，包括12个MIPS整数指令和中断相关指令。学生编写机器指令程序，逐个实现指令功能测试和复杂功能测试。该应用程序由学生自己编写，主题无限。指令越多，功能测试就越好。
流水处理器(20%) 实现流水处理器，包括之前(表1~表3)的所有指令功能，可以合理划分流水阶段，解决与数据相关、控制相关的冲突。通过基本指令测试和复杂功能测试，所有程序功能测试正确，效率显著提高。

四、任务要求：

1、模型机系统功能模拟测试在Modelsim仿真环境下实现。 2、模型机系统功能验证实现在FPGA开发板上。 3、验收：演示视频系统，回答教师问题。 4、制作ppt的优秀设计师，讲解设计思路，展示设计成果(视频演示)，参与答辩 5、每个学生都需要自己完成课程设计报告。 6、每个学生小组都需要向导师提交小组中的互评表。

附录：MIPS 基本整数指令集

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