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| 編輯推薦： |
计算机系统能力是指能自觉运用系统观，理解计算机系统的整体性、关联性、层次性、动态性和开放性，并用系统化方法，掌握计算机软硬件协同工作及相互作用机制的能力。系统能力包括系统分析能力、系统设计能力和系统验证及应用能力三个方面，三个方面相辅相成，共同构成计算机专业本科毕业生的基本能力和专业素养。
本书就是为了配合培养计算机专业学生的系统能力而撰写的。本实验指导书由浅入深，方便读者入门；帮助读者通过实践对计算机专业的理论、技术和方法进行理解和巩固，同时激发读者的兴趣和创造性。本实验指导书强化系统观，同时结合工程应用，帮助读者熟练掌握计算机硬件到软件、底层到高层的全套技术，使之对计算机系统各层次的技术有更加深刻的理解。
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| 內容簡介： |
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计算机系统能力是指能自觉运用系统观理解计算机系统的整体性、关联性、层次性、动态性和开放性，并利用系统化方法掌握计算机软硬件协同工作及相互作用机制的能力。系统能力包括系统分析能力、系统设计能力和系统验证及应用能力3个方面，这3个方面相辅相成，共同构成计算机相关专业本科毕业生的基本能力和专业素养。 本书是为了实现计算机相关专业学生的系统能力培养目标而编写的。本书内容由浅入深，方便读者入门，帮助读者通过实践对计算机专业的理论、技术和方法进行理解和巩固，同时激发读者的兴趣和创造性。本书强化系统观，同时结合工程应用，帮助读者全面掌握计算机从硬件到软件、从底层到高层的技术。 本书可作为计算机相关专业本科计算机系统能力实践课程的教材，同时可供相关从业人员学习参考。
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| 關於作者： |
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胡迪青，华中科技大学计算机科学与技术学院教授。主要从事计算机系统结构、新型存储系统、嵌入式和SoC设计、计算机接口技术等方向的研究，主持国家和省部级科研项目多项，近年来在国内外学术期刊发表学术论文20余篇。荣获湖北省教学成果一等奖和华中科技大学课堂教学教学质量一等奖等多项，主编教材2部。
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| 目錄：
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第1章实验1： 硬件平台搭建的实践准备1
1.1实验目的1
1.2实验内容1
1.2.1开发环境搭建1
1.2.2烧写现成的硬件平台比特流文件8
1.2.3MIPSfpga处理器程序编译、下载、运行及调试11
1.3实验背景及原理13
1.3.1Vivado集成开发环境13
1.3.2OpenOCD和JTAG工作原理15
1.3.3MIPS交叉编译环境20
1.3.4MIPS GDB调试工具20
第2章实验2： 基于MIPSfpga的硬件平台搭建22
2.1实验目的22
2.2实验内容22
2.2.1基于MIPSfpga处理器的简系统搭建22
2.2.2MIPSfpga处理器硬件平台扩展42
2.2.3硬件平台测试及程序运行与调试52
2.3实验背景及原理53
2.3.1MIPSfpga处理器简介53
2.3.2基于AXI4接口模块的MIPSfpga处理器系统61
第3章实验3： 自定制接口模块的设计63
3.1实验目的63
3.2实验内容63
3.2.1基于AXI4总线接口的自定制外设模块封装63
3.2.2在MIPSfpga硬件平台中使用自定制模块71
3.2.3MIPSfpga硬件平台测试72
3.3实验背景及源码73
3.3.1AXI总线协议73
3.3.2PWM_w_Int_v1_0模块部分源码81
3.3.3PWM_w_Int_v1_0_S00_AXI模块部分源码82
3.3.4PWM_Controller_Int模块部分源码82
第4章实验4： MIPSfpga硬件平台的中断84
4.1实验目的84
4.2实验内容84
4.2.1MIPSfpga硬件平台中断兼容模式实现84
4.2.2MIPSfpga处理器硬件平台中断兼容模式测试85
4.2.3MIPSfpga硬件平台外部中断控制器模式实现86
4.2.4MIPSfpga硬件平台外部中断控制器模式测试89
4.2.5在MIPSfgpa硬件平台加载BootLoader90
4.3实验背景及原理91
4.3.1中断概述91
4.3.2MIPSfpga处理器中断机制92
4.3.3AXI4中断控制器模块99
第5章实验5： Hosmips操作系统的构建与运行104
5.1实验目的104
5.2实验内容104
5.2.1安装开发环境104
5.2.2构建Hosmips镜像113
5.2.3运行Hosmips系统 114
5.3实验背景及原理117
5.3.1Hosmips简介117
5.3.2相关软件工具118
5.3.3Hosmips调试118
第6章实验6： Hosmips集成开发调试环境安装121
6.1实验目的121
6.2实验内容121
6.2.1安装VSCode121
6.2.2使用VSCode编辑、构建和调试Hosmips122
6.3实验背景及原理124
6.3.1Hosmips的构建过程124
6.3.2Hosmips的载入和调试137
第7章实验7： 从内核到应用139
7.1实验目的139
7.2实验内容139
7.2.1添加“Hello world!”应用139
7.2.2添加系统调用139
7.2.3显示内存空闲页面数量140
7.3实验背景及原理141
7.3.1Hosmips操作系统的特权态141
7.3.2MIPS的内存映射142
7.3.3Hosmips的虚拟地址规划143
7.3.4缺页异常与处理147
7.3.5以页为单位管理物理内存149
第8章实验8： 蓝牙模块及电动机驱动模块硬件实现152
8.1实验目的152
8.2实验内容152
8.2.1添加蓝牙模块152
8.2.2设计并添加电动机驱动模块153
8.3实验背景及原理154
8.3.1蓝牙模块154
8.3.2电动机驱动板154
8.3.3PMOD接口原理156
8.4两个测试程序源码157
8.4.1无线蓝牙测试程序157
8.4.2电动机驱动板测试程序158
第9章实验9： 蓝牙模块及电动机驱动模块的驱动程序开发162
9.1实验目的162
9.2实验内容162
9.2.1蓝牙模块和电动机驱动模块的驱动程序162
9.2.2对设备驱动程序进行测试163
9.3实验背景及原理163
第10章实验10： 设备驱动方式蓝牙小车应用实现165
10.1实验目的165
10.2实验内容165
10.2.1在SFS层添加设备文件节点165
10.2.2添加设备驱动接口166
10.2.3添加蓝牙模块和电动机驱动模块的驱动程序167
10.2.4蓝牙小车应用程序169
10.3实验背景及原理169
10.3.1Linux设备驱动概述169
10.3.2Hosmips标准输入输出设备170
10.3.3主要数据结构171
10.3.4虚拟文件系统层172
10.3.5驱动接口174
第11章实例： 自启动蓝牙小车的实现176
11.1概述176
11.2设计目标176
11.3总体方案176
11.4设计方法和步骤177
11.5硬件设计与实现177
11.6软件设计与实现179
11.6.1开发小车应用程序179
11.6.2开发BootLoader程序180
11.7比特流和程序固化180
11.8背景知识及原理183
11.8.1AXI Quad SPI模块 183
11.8.2FPGA配置185
11.8.3QuadSPI Flash芯片185
11.9BootLoader参考代码188
11.9.1main.c程序188
11.9.2flash.c程序190
11.9.3analyseELF.c程序192
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| 內容試閱：
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面向计算机系统能力培养的实验平台是在Digilent公司的Nexys 4 DDR FPGA开发板上采用CPU FPGA的SoC技术进行开发的，其目的是通过搭建实用的MIPS处理器系统（学生在“计算机组成原理”课程中已经亲手实现过自己的MIPS CPU，在“接口技术”课程中学习搭建过具有简单接口设备的MIPS处理器系统）、自己定制的操作系统的设计与实现以及结合实际的蓝牙小车应用，将学生之前在“计算机组成原理”“操作系统”“编译原理”和“接口技术”等课程中学到的知识在“计算机系统能力培养综合实践”课程中进行系统性融合，使其成为更加完整的体系，从而达到计算机系统能力培养的目标，提升学生的综合能力。
面向计算机系统能力培养的实验平台提供了MIPSfpga处理器软核、Hosmips操作系统、多种硬件模块设备接口、蓝牙小车典型应用、硬件加速（智能）模块等，以满足“计算机系统能力培养综合实践”课程的教学要求，它们还可非常方便地移植到其他类似的FPGA开发平台上。
面向计算机系统能力培养的实验平台具有以下特点：
（1） 它是一个以实践为主导，具有一定展示度的实验平台。基于该实验平台开发的蓝牙小车应用具有可展示性，能够激发学生的创新性和想象力；在该实验平台上通过渐进式、积木式的实验方法，帮助学生熟练掌握计算机从硬件到软件、从底层到高层的全套技术，从而使得学生对计算机系统各层次的技术有更加深刻的理解。
（2） 强化智能应用，实验创新性强。该实验平台基于CPU FPGA的SoC技术开发，在现有的面向计算机系统能力培养理念的基础上，通过充分利用现成资源、独立开发和学生实践创新的方式，强化系统的智能性，是对现有计算机系统能力培养的拓展与深化。
（3） 实验具有可扩展性。除了本书给出的实验外，学生可借助开发板提供的硬件设备资源（如麦克风和喇叭、SD卡控制器等）以及PMOD扩展，添加新的外部设备（如摄像头、红外模块、超声波或激光测距模块等），通过硬件和软件协同设计实现创新的功能（如录音、音乐播放、视频录制、智能控制等）。
（4） 有效突破传统硬件实验对实验时间、实验空间的限制，实现课内课外协同化，大大提升了实验效率，降低了实验成本。
通过本书提供的实验，学生将独立或多人协作完成一台蓝牙小车。该蓝牙小车的核心是Digilent公司的Nexys 4 DDR FPGA开发板，利用在该开发板上外接（通过PMOD接口）的蓝牙模块，学生可以通过手机上的蓝牙控制应用（蓝牙串口助手App或者自己开发的手机App）连接到该蓝牙小车，并通过应用提供的命令接口（命令协议由自己定义）实现对小车的控制（如前进、后退、转向等）。
需要指出的是，在本书的指导下，学生将完整地完成一个计算机系统从底层硬件到顶层应用的设计。从这个角度来说，本书给出的设计内容与基于单片机（或ARM处理器）的蓝牙小车不同，后者仅是简单的单片机开发，而本书的内容旨在以蓝牙小车作为应用，引导学生完成完整的计算机体系结构、操作系统以及软件应用的设计。
本书给出的蓝牙小车的总体架构包含以下3个层面的设计：
（1） 系统硬件层面。在该层面，学生将在Nexys 4 DDR FPGA开发板上构建一个完整的计算机硬件系统，主要包括MIPSfpga处理器、UART接口、存储控制器等通用接口；同时，为了实现蓝牙小车应用，还需要设计蓝牙模块、电动机驱动模块等接口（理论上可以添加任意需要的接口）。
（2） 操作系统层面。在该层面，学生需要在上面构建的计算机硬件体系上运行Hosmips操作系统，该操作系统是一个基于MIPS的多任务操作系统。为了方便学生对它的了解和定制，Hosmips的代码规模被控制在两万行左右。为了实现蓝牙小车的应用，还需要对该操作系统进行分析、了解，完成相应的实验。
（3） 应用层面。在该层面，学生将在Hosmips给出的程序接口的基础上，完成蓝牙小车的控制程序设计；在实现基本功能（如读取蓝牙输入、控制电动机运转）的基础上，实现完整的蓝牙小车系统。
在熟悉了整个蓝牙小车系统的基础上，学生可以利用实验平台提供的扩展性，研究并实现一些更高级的功能。例如，可利用Nexys 4 DDR FPGA开发板提供的音频支撑，实现对声音的录制、播放，甚至实现对蓝牙小车的语音控制；利用Nexys 4 DDR FPGA开发板的PMOD扩展，实现对摄像头的支持，从而完成录像、播放等功能，并进而在此基础上（部分地）实现小车的智能化。
与蓝牙小车总体架构的3个层次相对应，本书由3个部分构成。
本书的第1部分基于MIPSfpga处理器的硬件平台，重点介绍蓝牙小车的系统硬件。第1部分包括4个实验。前3个实验的目的是使学生了解基于MIPSfpga处理器的硬件平台基本原理和结构，并由学生动手搭建一个较为简单的基于MIPSfpga处理器的硬件平台；第4个实验为MIPSfpga处理器中断处理，该实验为第2部分操作系统的实现奠定重要基础。实验1为硬件平台搭建的实践准备。实验2为基于MIPSfpga的硬件平台搭建。实验3为自定制接口模块的设计。实验4为 MIPSfpga 硬件平台的中断。通过第1部分给出的4个实验，学生应能够完成基于MIPSfpga处理器的嵌入式计算机系统。
本书的第2部分包含3个实验。实验5为Hosmips操作系统的构建与运行，要求准备Hosmips操作系统的编译环境，构建能够在MIPSfpga硬件平台上运行的操作系统。实验6为Hosmips集成开发调试环境安装，要求在Windows环境中搭建Hosmips操作系统的开发调试环境。实验7为从内核到应用，要求完成在Hosmips操作系统中的3个基础实验，以理解从用户态进程到内核态例程的调用路径。通过第2部分的学习，学生应能够在基于MIPSfpga处理器的硬件平台上运行多任务操作系统Hosmips。
本书的第3部分包含4个实验。实验8为蓝牙模块及电动机驱动模块硬件实现，要求对蓝牙小车两个重要的硬件模块，即基于AXI4总线接口的蓝牙模块和电动机驱动模块进行设计和实现。实验9为蓝牙模块及电动机驱动模块的驱动程序开发，要求在Hosmips操作系统中实现蓝牙模块和电动机驱动模块的驱动程序。实验10为设备驱动方式蓝牙小车应用实现，实验11为自启动蓝牙小车的实现，这两个实验指导学生完成与蓝牙小车相关的应用设计，终达到和完成既定的设计目标。
学生还可以以蓝牙小车应用为基础进行扩展，例如，记录小车运行轨迹，在小车运行的过程中播放音乐，自动回避障碍物，等等，以展示这个基于蓝牙小车应用的计算机系统能力综合实践的“两性一度”，即高阶性、创新性和挑战度。
本书实验较多，由浅入深；同时内容丰富，层次分明。在教学过程中，教师可以根据学生的具体情况有针对性地选择部分内容开展实验，学生也可以根据自己的学习情况自行选择实验。本书适合作为高等学校计算机相关专业“接口技术”“操作系统”“嵌入式系统开发”“计算机系统能力培养综合实践”等课程的实验教材，也可供IT工程技术人员参考。
特别感谢华中科技大学计算机科学与技术学院秦磊华教授、谭志虎教授、吴非教授、胡侃副教授，本书是在秦教授和谭教授的策划与不断鞭策鼓励下完成的，同时他们也在本书的写作过程中提出了许多宝贵的意见和建议。还要特别感谢李若时博士，他为本书做了大量的工作，付出了许多。感谢华中科技大学计算机学院计科1410班的蔡春芳同学，她提供了自启动蓝牙小车的应用实例。感谢华中科技大学计算机学院2014级、2015级、2016级全体学生，本书大多数实验均经过了他们的多次检验和持续改进。特别感谢Imagination Community对本书相关实验的支持和贡献，正因为有业界无私的教学支持，才能让学生在学习中走得更远。后，感谢在编者身后默默支持的家人，谢谢他们！
限于编者水平，书中难免存在错误和疏漏之处，敬请同行和广大读者批评指正。编者邮箱： hudq024@hust.edu.cn。
编者2021年6月
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