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一步一步写MIPS CPU
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本仓库整理了一条从基础数字部件到 MIPS SoC、再到教学型 Tiny OS / RTOS 的实验路线。前半部分延续重庆大学计算机组成原理课程改革实验内容；后半部分在 Nexys4 DDR 上补充 SoC、UART、异常/中断、DDR2 和 StepOS baseline，作为《硬件综合设计》和 NSCSCC（龙芯杯系统能力培养大赛）入门的参考实现。
最终集成目标是 Lab 10: StepOS Tiny OS / RTOS：在 DDR-capable MIPS SoC 上启动一个小型操作系统 baseline，提供 UART shell、DDR pattern test、timer tick、两个任务 round-robin scheduler 和 syscall-like ABI。
| Lab | 主题 | 说明 |
|---|---|---|
| 1 | ALU 设计，存储器 IP 使用 | 早期实验仍可参考原分支 lab_1 |
| 2 | 简单取指译码模块 | 早期实验仍可参考原分支 lab_2 |
| 3 | 单周期 MIPS CPU | 早期实验仍可参考原分支 lab_3 |
| 4 | 五级流水 MIPS CPU | 本仓库提供 Vivado batch 仿真/综合脚本 |
| 5 | SoC 总线与统一地址空间 | Nexys4 DDR 最小 SoC、boot ROM、GPIO/LED MMIO |
| 6 | UART 与 Boot Monitor | UART MMIO、boot banner、字符回显 |
| 7 | 扩展 ISA 与 C Runtime | 扩展指令、byte strobe 数据总线、ISA self-test |
| 8 | 中断、异常和 Timer | CP0-like mfc0/mtc0/eret、timer IRQ、固定异常入口 |
| 9 | DDR2 外部内存 | d_valid/d_ready wait-state 访存、行为级 DDR model、true MIG |
| 10 | Tiny OS / RTOS | StepOS shell、DDR test、timer tick、两任务 round-robin scheduler |
Labs 5-10 的系统演进和设计取舍见 docs/lab_5_to_lab_10_roadmap.md。
src/ RTL 源码，按 lab 分目录；src/common 放共享 UART 等模块
sim/ Vivado/XSim testbench
scripts/ Vivado batch 仿真、bitstream 构建和 JTAG 下载脚本
software/ boot image 生成器和教学软件镜像
constr/ Nexys4 DDR XDC 约束
coe/ 早期实验使用的 COE 教学文件
docs/ Labs 5-10 文档、路线和设计说明
xpr/ 早期实验 Vivado project 文件
tools/ 预留/辅助工具目录
生成的 boot ROM 镜像（例如 src/lab_10_tiny_os/lab_10_boot.mem）和 listing（例如 software/tiny_os/gen_lab10_boot.lst）作为教学参考材料保留在仓库中；Vivado build/、.jou、.log、bitstream/checkpoint 等构建产物不应提交。
本机示例环境为 Vivado 2025.2：
set +u
unset ZSH_VERSION
source /mnt/data1/Xilinx/2025.2/Vivado/settings64.sh
如果安装路径不同，请调整 settings64.sh 路径。
cd /mnt/data1/nexys4/step_into_mips
python3 software/tiny_os/gen_lab10_boot.py
输出：
src/lab_10_tiny_os/lab_10_boot.mem
software/tiny_os/gen_lab10_boot.lst
set +u
unset ZSH_VERSION
source /mnt/data1/Xilinx/2025.2/Vivado/settings64.sh
vivado -mode batch -source scripts/sim_lab10.tcl
成功标志：
Simulation succeeded: lab_10 StepOS shell and scheduler verified
LAB10_SIM_DONE
vivado -mode batch -source scripts/build_lab10.tcl
成功标志：
LAB10_BITSTREAM=/mnt/data1/nexys4/step_into_mips/build/lab10_top.bit
并且 routed timing report 中应有：
All user specified timing constraints are met.
vivado -mode batch -source scripts/program_lab10.tcl
成功标志：
LAB10_PROGRAMMED=xc7a100t_0 BITSTREAM=/mnt/data1/nexys4/step_into_mips/build/lab10_top.bit
串口参数：
/dev/ttyUSB1
115200 8N1
推荐：
picocom -b 115200 --flow n --parity n --databits 8 /dev/ttyUSB1
如果串口打开时已经错过启动输出，保持串口打开后按 Nexys4 DDR 的 BTNC 中间按钮复位。期望启动输出：
step_into_mips lab10 tiny os
DDR CAL OK
DDR TEST OK
OS INIT OK
SCHED READY
step-os>
Shell 不回显输入字符；直接输入命令并按 Enter 即可：
help
ps
mem
led 1
run demo
期望响应：
help ps mem led run
task0 shell
task1 demo
DDR CAL OK
DDR TEST OK
OK
demo started
Lab 4：
vivado -mode batch -source scripts/sim_lab4.tcl
vivado -mode batch -source scripts/build_lab4.tcl
Lab 5：
vivado -mode batch -source scripts/sim_lab5.tcl
vivado -mode batch -source scripts/build_lab5.tcl
vivado -mode batch -source scripts/program_lab5.tcl
Lab 6-9 在仿真/构建前可先重新生成 boot image：
python3 software/lab_6/gen_lab6_boot.py
python3 software/lab_7/gen_lab7_boot.py
python3 software/lab_8/gen_lab8_boot.py
python3 software/lab_9/gen_lab9_boot.py
然后运行对应脚本：
vivado -mode batch -source scripts/sim_labN.tcl
vivado -mode batch -source scripts/build_labN.tcl
vivado -mode batch -source scripts/program_labN.tcl
其中 N 为 6、7、8 或 9。
docs/lab_5_to_lab_10_roadmap.mddocs/lab_10_tiny_os.mdscripts/README.mdsoftware/tiny_os/README.md预备知识和器件实现可参考原仓库分支：prepare。
附录文档可参考原仓库分支：appendix。
本实验内容以《Digital Design and Computer Architecture》为基础，同时引入由龙芯中科提供的比赛资源作为参考，特此感谢。