《微處理器系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計》教學(xué)大綱

1、微處理器系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計教學(xué)大綱Course Design of Microprocessor System Design 課程編號：DZ240130 適用專業(yè)：集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng)先修課程：計算機設(shè)計與實踐 學(xué) 分 數(shù)：2 總學(xué)時數(shù)：2周 實驗（上機）學(xué)時：2周考核方式：系考執(zhí) 筆 者：劉有耀 編寫日期：2012-07-8 一、課程性質(zhì)和任務(wù)本課程設(shè)計是計算機組成與設(shè)計課程的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，其目的是使學(xué)生通過硬件描述語言設(shè)計以MIPS處理器為核心的SoC系統(tǒng)，掌握微處理器的工作原理和多周期微處理器設(shè)計的基本原理并建立整機概念，掌握通過狀態(tài)機描述進行處理器控制單元設(shè)計的基本方法，并且通過SoC

2、的設(shè)計掌握FPGA設(shè)計方法以及仿真調(diào)試方法，掌握通過硬件描述語言實現(xiàn)硬件電路的方法，培養(yǎng)學(xué)生的硬件設(shè)計、調(diào)試和運行維護等多方面的技能，同時訓(xùn)練一定的工程設(shè)計能力。也使學(xué)生系統(tǒng)科學(xué)地受到分析問題和解決問題的訓(xùn)練。二、 課程教學(xué)內(nèi)容和要求主要內(nèi)容：主要包括指令系統(tǒng)的設(shè)計、指令流程的設(shè)計、運算器設(shè)計、寄存器設(shè)計、多周期微處理器的微控制器設(shè)計、微處理器輔助電路設(shè)計、微處理器的仿真調(diào)試、存儲器的設(shè)計、處理器外圍接口的設(shè)計與調(diào)試、SoC的整體設(shè)計與調(diào)試?；疽螅和ㄟ^本課程設(shè)計學(xué)生深入分析多周期MIPS處理器工作原理和組成結(jié)構(gòu)，學(xué)會用FPGA實現(xiàn)SoC的方法和流程，掌握計算機工作原理、處理器指令系統(tǒng)以及處

3、理器的設(shè)計方法。重點：通過SoC的整體設(shè)計掌握多周期微處理器的工作原理和設(shè)計方法以及FPGA的使用方法。難點：多周期微處理器的工作原理和多周期微處理器控制器的設(shè)計與實現(xiàn)以及SoC的設(shè)計與調(diào)試等內(nèi)容。具體內(nèi)容及要求如下：1） 課堂講解，學(xué)生選擇設(shè)計題目，熟悉實驗內(nèi)容（6學(xué)時）主要介紹MIPS指令系統(tǒng)、MIIPS處理器結(jié)構(gòu)、MIPS處理器的SoC整體結(jié)構(gòu)，可綜合Verilog HDL語言簡介、基于Verilog HDL的處理器設(shè)計方法及設(shè)計流程、仿真平臺及驗證平臺簡介等。2） 指令系統(tǒng)設(shè)計和指令流程設(shè)計以及數(shù)據(jù)通路設(shè)計（12學(xué)時）主要詳細(xì)介紹MIPS指令系統(tǒng)、指令執(zhí)行流程以及指令實現(xiàn)方法、按指令分

4、類的處理器數(shù)據(jù)通路設(shè)計以及處理器總體通路設(shè)計。3） 微處理器基本單元設(shè)計以及微處理器的多周期設(shè)計（12學(xué)時）著重介紹通過硬件描述語言實現(xiàn)微處理器基本單元模塊設(shè)計的方法，進行寄存器設(shè)計、運算器設(shè)計等微處理器的多周期設(shè)計。4） 微處理器的控制單元設(shè)計以及微處理器的仿真與調(diào)試（12學(xué)時）著重介紹通過狀態(tài)機描述方法進行多周期微處理器控制其單元的設(shè)計以及使用仿真工具對微處理器進行仿真與調(diào)試。5） 外圍電路的設(shè)計以及SoC的調(diào)試和運行（12學(xué)時）主要介紹基于FPGA的存儲器設(shè)計方法、處理器外圍電路的設(shè)計方法，進行存儲器、串口等IO接口設(shè)計、SoC的設(shè)計與仿真以及SoC在FPGA上的調(diào)試與運行。6） SoC

5、的驗收和評分（6學(xué)時）主要考查學(xué)生對設(shè)計內(nèi)容以及設(shè)計方法的了解情況，考查學(xué)生對流水線微處理器的工作原理和設(shè)計方法的理解程度。依據(jù)學(xué)生對設(shè)計內(nèi)容的理解程度、所實現(xiàn)微處理器指令系統(tǒng)的難易程度以及實現(xiàn)SoC外圍功能的豐富程度進行驗收和評分。三、各教學(xué)環(huán)節(jié)的學(xué)時分配本課程設(shè)計屬于實踐課程，教學(xué)環(huán)節(jié)集中安排在2周進行。為保證達到預(yù)計的教學(xué)目的，課程設(shè)計可以分組進行，以小組為單位分別進行資料的收集、方案論證、實驗及改進。具體實踐教學(xué)的學(xué)時分配如下表：項目章節(jié)主要內(nèi)容學(xué)時分配講課習(xí)題課實驗上機合計第一部分課堂講解，學(xué)生選擇設(shè)計題目，熟悉實驗內(nèi)容66第二部分指令系統(tǒng)設(shè)計和指令流程設(shè)計以及數(shù)據(jù)通路設(shè)計6612第

6、三部分微處理器基本單元設(shè)計以及微處理器的多周期設(shè)計6612第四部分微處理器的控制單元設(shè)計以及微處理器的仿真與調(diào)試6612第五部分外圍電路的設(shè)計以及SoC的調(diào)試和運行6612第六部分SoC的驗收和評分6合計6243060四、實驗部分教學(xué)內(nèi)容和要求1、實驗所需設(shè)備及材料序號環(huán)境、設(shè)備名稱數(shù)量備注1FPGA開發(fā)板1每人一套2PC機及相關(guān)軟件1五、本課程與其它課程的聯(lián)系本課程設(shè)計是一個工程實踐課程，它涉及到計算機組成與設(shè)計、FPGA技術(shù)、SoC設(shè)計的基本概念，在計算機設(shè)計與實踐課的基礎(chǔ)上設(shè)計實現(xiàn)多周期CPU以及片上計算機系統(tǒng)，為后續(xù)嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計打下基礎(chǔ)。 六、建議教材及參考資料建議教材：1自編課程設(shè)計指導(dǎo)書.參考資料：1楊軍.基于Quartus II的計算機組成與體系結(jié)構(gòu)綜合實驗教程.北京：科學(xué)出版社.2011年1月.2蔣麗華.基于EDA技術(shù)