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第1篇 MIPS汇编程序设计3

第1章 QtSpim汇编程序开发环境3

1.1 QtSpim简介3

1.2 QtSpim菜单栏简介4

1.2.1 File菜单4

1.2.2 Simulator菜单5

1.2.3 其余菜单5

1.3 QtSpim汇编、调试程序示例7

1.3.1 QtSpim用户程序入口7

1.3.2 QtSpim汇编查错7

1.3.3 QtSpim查看程序存储映像10

1.3.4 QtSpim调试查错13

第2章 MARS汇编程序开发环境17

2.1 MARS界面简介17

2.2 MARS菜单栏简介19

2.2.1 File菜单19

2.2.2 Run菜单19

2.2.3 Settings菜单20

2.3 MARS汇编、调试程序21

2.3.1 汇编语言源程序编辑21

2.3.2 汇编器21

2.3.3 查看程序存储映像22

2.3.4 运行程序23

第3章 MIPS汇编语言25

3.1 MIPS汇编程序结构25

3.2 系统功能调用26

3.3 伪指令26

3.4 常用宏汇编指令28

第4章 MIPS汇编语言程序示例32

4.1 常用C语句汇编指令实现示例32

4.1.1 if语句32

4.1.2 while语句32

4.1.3 for语句33

4.1.4 switch语句33

4.2 子程序设计示例35

4.2.1 子程序结构35

4.2.2 递归子程序设计36

4.3 MIPS汇编语言程序设计实验任务38

4.4 思考题39

第2篇 基于FPGA的原型计算机系统设计43

第5章 Vivado开发工具简介43

5.1 FPGA设计流程简介43

5.2 EDA工具Vivado简介44

第6章 单周期类MIPS微处理器实验46

6.1 简单指令集MIPS微处理器设计46

6.1.1 MIPS微处理器数据通路46

6.1.2 MIPS微处理器控制器48

6.2 简单指令集MIPS微处理器各模块实现方案51

6.2.1 存储器51

6.2.2 寄存器文件65

6.2.3 运算电路67

6.2.4 多路复用器67

6.2.5 位宽扩展68

6.2.6 控制器68

6.3 MIPS微处理器实验实现过程示例69

6.3.1 实验环境69

6.3.2 创建工程70

6.3.3 基于IP核新建存储器模块76

6.3.4 Verilog语言描述其余模块86

6.3.5 模块功能仿真94

6.3.6 顶层模块100

6.3.7 RTL分析101

6.3.8 引脚约束101

6.3.9 整体仿真105

6.3.10 MIPS微处理器综合114

6.3.11 debug IP核插入117

6.3.12 MIPS微处理器实现122

6.3.13 下载编程及测试125

6.4 实验任务127

6.5 思考题128

第7章 存储器映像IO接口设计130

7.1 存储器映像IO接口原理130

7.2 存储器映像IO接口实现方案133

7.3 实验示例133

7.3.1 实验设备简介134

7.3.2 新建项目并添加原有代码134

7.3.3 新建IO接口模块Verilog代码138

7.3.4 IO接口模块仿真140

7.3.5 IO接口模块集成141

7.3.6 汇编源程序示例142

7.3.7 输入/输出设备引脚约束144

7.3.8 下载编程测试144

7.4 实验任务146

7.5 思考题146

第8章 VGA接口设计148

8.1 VGA接口显示原理148

8.1.1 VGA接口时序148

8.1.2 VGA显示控制器149

8.2 VGA控制器实现150

8.2.1 显示存储器150

8.2.2 计数器153

8.2.3 控制逻辑153

8.2.4 显示存储器地址产生154

8.2.5 视频数据复用器154

8.2.6 像素时钟产生155

8.3 实验示例156

8.3.1 实验要求156

8.3.2 实验板VGA接口简介156

8.3.3 创建工程并添加已有设计代码157

8.3.4 显示存储器模块158

8.3.5 计数器模块158

8.3.6 控制逻辑模块159

8.3.7 显示存储器地址产生模块159

8.3.8 VGA控制器模块159

8.3.9 像素时钟产生模块160

8.3.10 修改IO接口模块160

8.3.11 顶层模块集成161

8.3.12 汇编控制程序162

8.3.13 整体功能仿真162

8.3.14 下载编程测试163

8.4 实验任务165

8.5 思考题166

第3篇 基于IP核的嵌入式计算机系统软硬件设计169

第9章 MicroBlaze嵌入式系统平台169

9.1 MicroBlaze软核微处理器169

9.1.1 MicroBlaze基本结构169

9.1.2 MicroBlaze中断系统169

9.1.3 MicroBlaze总线结构171

9.2 standalone操作系统173

第10章 嵌入式最小系统建立流程176

10.1 嵌入式最小系统硬件构成176

10.2 最小系统硬件平台搭建177

10.3 SDK Hello World程序设计190

10.4 下载编程测试194

10.5 实验任务196

10.6 思考题196

第11章 C语言数据类型197

11.1 C语言常见数据类型197

11.2 实验示例197

11.2.1 C语言数据类型测试工程198

11.2.2 C语言数据类型程序调试199

11.3 实验任务206

11.4 思考题206

第12章 程序控制并行IO接口207

12.1 并行输入/输出设备207

12.2 GPIO IP核工作原理209

12.3 并行接口电路原理框图211

12.4 GPIO IP核配置213

12.4.1 添加GPIO IP核213

12.4.2 GPIO IP核属性配置213

12.4.3 并行外设GPIO IP核配置示例215

12.4.4 GPIO API函数简介217

12.5 Xilinx C IO读写函数218

12.6 实验示例218

12.6.1 实验要求218

12.6.2 电路原理框图219

12.6.3 硬件平台搭建219

12.6.4 接口软件开发222

12.6.5 IO读写函数程序代码227

12.6.6 API函数程序代码228

12.6.7 实验现象230

12.7 实验任务236

12.8 思考题237

第13章 中断方式并行接口238

13.1 中断系统相关IP核238

13.1.1 AXIINTC中断控制器238

13.1.2 AXI Timer定时计数器239

13.2 中断相关IP核配置241

13.2.1 中断控制器配置241

13.2.2 GPIO IP核中断配置242

13.2.3 定时计数器配置242

13.3 IP核API函数244

13.3.1 中断控制器API函数244

13.3.2 定时计数器API函数246

13.4 中断程序设计247

13.4.1 总中断服务程序247

13.4.2 中断程序构成247

13.5 实验示例247

13.5.1 实验要求247

13.5.2 硬件电路原理框图248

13.5.3 硬件平台建立248

13.5.4 软件设计251

13.5.5 IO读写函数程序代码254

13.5.6 API函数程序代码261

13.5.7 实现现象266

13.6 实验任务267

13.7 思考题268

第14章 并行存储器接口269

14.1 并行RAM存储芯片269

14.1.1 异步SRAM存储芯片269

14.1.2 DDR2 SDRAM存储芯片272

14.2 存储器接口IP核275

14.2.1 AXI外部存储控制器EMC275

14.2.2 存储器接口生成器IP核MIG277

14.3 异步SRAM实验示例284

14.3.1 实验要求284

14.3.2 电路原理框图284

14.3.3 硬件平台搭建285

14.3.4 SRAM存储器读写测试软件292

14.3.5 实验现象295

14.3.6 任意指定存储单元读写程序设计296

14.4 DDR2 SDRAM实验示例297

14.4.1 实验要求297

14.4.2 电路原理框图297

14.4.3 硬件平台搭建297

14.4.4 DDR2 SDRAM存储器读写测试软件303

14.4.5 实验现象305

14.4.6 任意指定存储单元读写程序设计307

14.5 实验任务308

14.6 思考题308

第15章 串行接口310

15.1 串行通信协议简介310

15.1.1 UART串行通信协议310

15.1.2 SPI串行通信协议311

15.1.3 Quad SPI协议313

15.2 串行通信接口IP核原理313

15.2.1 Uartlite IP核313

15.2.2 Quad SPI IP核314

15.3 串行通信IP核配置317

15.3.1 Uartlite IP核配置317

15.3.2 Quad SPI IP核配置317

15.4 SPI接口外设319

15.4.1 DA模块319

15.4.2 AD模块321

15.5 IP核API函数322

15.5.1 Uartlite API函数322

15.5.2 Quad SPI API函数324

15.6 实验示例325

15.6.1 UART通信325

15.6.2 SPI接口DA转换332

15.6.3 SPI接口AD转换341

15.7 实验任务349

15.8 思考题350

第16章 DMA技术351

16.1 DMA控制器简介351

16.1.1 CDMA IP核基本结构351

16.1.2 CDMA IP核寄存器352

16.1.3 CDMA IP核简单DMA传输流程353

16.2 实验示例354

16.2.1 实验要求354

16.2.2 硬件电路原理框图354

16.2.3 硬件平台354

16.2.4 存储器到存储器DMA传输控制程序358

16.2.5 存储器到IO接口数据传输控制程序359

16.2.6 IO接口到存储器DMA数据传输控制程序359

16.2.7 实验现象362

16.3 实验任务364

16.4 思考题364

第17章 自定义AXI总线从设备接口IP核365

17.1 AXI总线从设备IP核创建流程和代码框架365

17.1.1 AXI总线从设备IP核创建流程365

17.1.2 自定义IP核代码框架368

17.2 自定义AXI总线简单并行IO接口IP核实验示例373

17.2.1 实验要求373

17.2.2 并行接口IP核设计373

17.2.3 并行接口IP核测试嵌入式系统375

17.3 自定义AXI总线UART串行接口IP核实验示例379

17.3.1 实验要求379

17.3.2 实验条件379

17.3.3 UART串行接口IP核设计385

17.3.4 UART IP核测试嵌入式系统389

17.4 自定义AXI总线语音输入/输出接口IP核实验示例392

17.4.1 实验要求392

17.4.2 实验条件392

17.4.3 PDM语音输入IP核设计395

17.4.4 PWM语音输出IP核设计397

17.4.5 语音输入/输出IP核测试嵌入式系统398

17.5 实验任务401

17.6 思考题403

第18章 VGA显示接口404

18.1 VGA接口控制器TFT IP核404

18.1.1 工作原理404

18.1.2 TFT IP核配置406

18.1.3 TFT IP核API 函数406

18.2 VGA接口嵌入式系统408

18.3 实验示例408

18.3.1 实验要求408

18.3.2 硬件平台搭建408

18.3.3 IO读写函数输出图形程序示例413

18.3.4 API函数输出字符程序示例413

18.3.5 IO读写函数输出图像程序示例414

18.3.6 实验现象418

18.4 实验任务419

18.5 思考题420

第19章 传感器421

19.1 温度传感器ADT7420421

19.1.1 ADT7420结构421

19.1.2 ADT7420寄存器422

19.1.3 ADT7420写入数据时序424

19.1.4 ADT7420读取数据时序425

19.1.5 复位流程425

19.1.6 INT和CT输出426

19.2 加速度传感器ADXL362428

19.2.1 ADXL362基本结构428

19.2.2 ADXL362寄存器429

19.2.3 ADXL362 SPI接口命令433

19.2.4 配置流程434

19.3 AXI IIC IP核435

19.3.1 AXI IIC IP核基本结构435

19.3.2 AXI IIC IP核寄存器435

19.3.3 数据传输控制流程437

19.4 XADC IP核438

19.4.1 XADC IP核基本结构438

19.4.2 XADC IP核寄存器440

19.4.3 外部模拟信号输入电路445

19.5 温度和加速度测量实验示例446

19.5.1 实验要求446

19.5.2 电路原理框图446

19.5.3 硬件平台搭建446

19.5.4 1O读写函数温度监测程序示例451

19.5.5 IO读写函数加速度监测程序示例470

19.5.6 实验现象487

19.6 XADC 4路AD转换实验示例490

19.6.1 实验要求490

19.6.2 电路原理框图490

19.6.3 硬件平台搭建490

19.6.4 API函数XADC控制程序示例494

19.6.5 实验现象497

19.7 实验任务497

19.8 思考题497

附录501

附录A Nexys4 DDR实验板简介501

A.1 Nexys4 DDR实验板整体布局501

A.2 电源模块502

A.3 FPGA编程模式503

A.4 存储器503

A.5 100/10 Mbps以太网接口504

A.6 USB转UART接口504

A.7 USB HID host接口505

A.8 VGA接口505

A.9 基本IO接口505

A.10 PMOD接口507

A.11 Micro SD卡插槽507

A.12 温度传感器508

A.13 加速度传感器508

A.14 数字语音输入508

A.15 单声道数字语音输出509

附录B Nexys4 DDR实验板Vivado引脚约束文件510

附录C Nexys4 实验板简介513

C.1 Nexys4 实验板整体布局513

C.2 Nexys4 存储器514

附录D Nexys4 实验板V ivado引脚约束文件515

附录E Nexys4 和Nexys4 DDR实验板描述文件安装528

附录F Nexys4 DDR实验板外设接口电路原理图530

附录G Nexys4 实验板外设接口电路原理图538

附录H 以太网接口Echo Server工程示例540

H.1 搭建具有以太网的嵌入式系统硬件平台540

H.2 TCP/IP Server例程548

H.3 实验现象558

附录I 实验报告要求562

附录J 实验报告范例——MIPS汇编程序设计563